Hva er forskjellene mellom epitaksi og CVD

I tynnfilmsavsetningsprosessen for brikkeproduksjon nevnes ofte to teknologier sammen, men de er fundamentalt forskjellige - epitaksi og kjemisk dampavsetning. De er som søskenbarn, begge tilhører "dampvekst"-familien, men med distinkte egenskaper og styrker. Noen ganger er de tydelig atskilt; andre ganger kan de forvandle seg til hverandre og sameksistere under spesifikke forhold.

I. Grunnleggende forskjell: Den ene er kopiering, den andre er graffiti

Kjemisk dampavsetning (CVD) er den vanligste metoden for tynnfilmavsetning. Prinsippet er enkelt: en gass som inneholder målelementet introduseres i et reaksjonskammer, der en kjemisk reaksjon skjer på den oppvarmede waferoverflaten, og genererer en solid tynn film. CVD-genererte filmer kan være polykrystallinske, amorfe eller enkeltkrystallinske, avhengig av prosessbetingelsene. Det er som å male en vegg – uavhengig av veggens krystallstruktur, stivner malingen rett og slett til en film. CVD-avsatt silisiumdioksid, silisiumnitrid, polykrystallinsk silisium, etc., har ikke strenge gittertilpasningskrav med underlaget.

Epitaphing, derimot, er en "edel gren" i CVD-familien. Kravene er mye strengere: den avsatte filmen må ha samme krystallstruktur og orientering som substratet, med atomer som "vokser" lag for lag for å perfekt replikere substratets gitterarrangement. Epitaksi er som å bruke den samme malen for å kopiere murstein - den nybygde veggen må perfekt justere mursteinskjøtene til den gamle veggen. Epitaksiale lag er typisk enkeltkrystallinsk silisium, germaniumsilisium, silisiumkarbid, etc., som brukes til å konstruere nøkkelstrukturer som det aktive området og heterojunctions av transistorer.

Enkelt sagt er all epitaksi CVD, men ikke all CVD er epitaksi. Epitaksi er en "single-crystal replikering" modus for CVD oppnådd under spesifikke forhold.

II. Forskjeller i prosessforhold

CVD har et veldig bredt prosessvindu. Temperaturene kan variere fra romtemperatur til tusenvis av grader Celsius, trykk fra atmosfærisk trykk til noen få Pascal, og gasstypene er ekstremt forskjellige. Enhver prosess som lar en gass reagere og danne en solid tynn film kan kalles CVD. Plasma-forbedret CVD kan avsette silisiumnitrid ved 300-400 °C, lavtrykks-CVD ved 600-700 °C og atmosfærisk trykk-CVD ved temperaturer over 900 °C, og avsette silisiumdioksid. CVD har nesten ingen krav til underlaget - silisium, glass, metaller og til og med plast (under lave temperaturforhold) kan alle avsettes.

Epitaphing, på den annen side, har et mye smalere prosessvindu. For å dyrke et perfekt enkeltkrystalllag må tre strenge betingelser oppfylles.

For det første må underlaget være enkrystall. Det epitaksiale laget er en fortsettelse av substratets krystallgitter; hvis selve substratet er polykrystallinsk eller amorft, kan et epitaksialt enkeltkrystalllag ikke dyrkes.

For det andre må temperaturen være høy nok. For silisiumepitaksi er temperaturen typisk 1000-1200°C; for silisiumkarbidepitaksi kan temperaturen til og med nå 1500-1600°C. Den høye temperaturen gir tilstrekkelig overflatemobilitet for de adsorberte atomene, slik at de kan finne sine riktige posisjoner i krystallgitteret.

For det tredje må vekstraten være langsom. For høy hastighet vil føre til at atomene ikke har nok tid til å "stille seg opp", noe som resulterer i polykrystallinske strukturer eller defekter. Typiske veksthastigheter for silisiumepitaksi er 0,1-1 mikrometer per minutt, mens CVD-avsetning av polykrystallinsk silisium lett kan nå 10 mikrometer per minutt.

Videre krever epitaksi ekstremt høy renslighet av kammeret; ethvert urenhetsatom kan bli et defektsenter, og kompromittere integriteten til enkeltkrystallen.

III. Interkonvertering

Under visse forhold kan epitaksi og CVD konverteres.

Fra CVD til epitaksi: Hvis substratet er monokrystallinsk silisium, og avsetningstemperaturen er høy nok og veksthastigheten er sakte nok, kan CVD-prosessen, som normalt produserer polykrystallinsk silisium, transformeres til monokrystallinsk epitaksi. For eksempel gir avsetning med silan under 900°C polykrystallinsk silisium; heving av temperaturen til 1050°C mens silanpartialtrykket senkes tillater vekst av et monokrystallinsk epitaksielt lag på et monokrystallinsk silisiumsubstrat. Dette er det grunnleggende prinsippet for epitaksial vekst - ved å øke overflatediffusjonshastigheten har atomer muligheten til å "finne" gitterposisjoner.

Fra epitaksi til CVD: Hvis temperaturen ikke er høy nok, eller veksthastigheten er for høy, vil den epitaksiale prosessen "degenerere" til polykrystallinsk eller amorf avsetning. For eksempel kan forsøk på å dyrke silisium epitaksialt ved lave temperaturer resultere i amorft silisium; epitaksi ved høye hastigheter kan introdusere polykrystallinske komponenter. I industrien brukes denne "nedbrytningen" noen ganger bevisst til å dyrke tynne polykrystallinske silisiumfilmer. For eksempel, i grøftfylling, avsettes et lag av amorft silisium først ved lav temperatur som en buffer, og deretter glødet ved høy temperatur for å krystallisere det.

IV. Sameksistens og symbiose

I avanserte produksjonsprosesser eksisterer epitaksi og CVD ofte sammen i samme utstyr, og til og med samarbeider i samme prosesstrinn.

Selektiv epitaksi er et typisk eksempel. I kilde-avløpsløftprosesser må epitaksialt silisium dyrkes selektivt i eksponerte monokrystallinske silisiumregioner, mens ingenting vokser i silisiumdioksyd- eller silisiumnitridisolasjonsregioner. Denne prosessen er faktisk en "konkurranse" mellom epitaksi og CVD - på overflaten av monokrystallinsk silisium kan atomer migrere raskt og finne gitterposisjoner for å danne et epitaksielt lag; på isolerende overflater er atomkjernedannelse sakte, og det endelige avsatte polykrystallinske eller amorfe materialet kan selektivt etses bort.

Kontinuerlig avsetning av epitaksi og polykrystallinsk: I 3D NAND-produksjon er det noen ganger nødvendig å først epitaksielt dyrke monokrystallinsk silisium som et frølag, og deretter bytte til CVD-modus for å avsette polykrystallinsk silisium for å fylle grøfter. Det samme epitaksiale utstyret kan fritt bytte mellom monokrystallinsk og polykrystallinsk modus ved å justere temperatur og gassforhold.

Epitaksi + avsetning i anstrengt silisiumteknologi: Germaniumsilisium dyrkes epitaksialt i kilde- og dreneringsområdene til PMOS, og en stresspute av silisiumnitrid blir samtidig avsatt CVD på den. De to jobber sammen for å introdusere kanaltrykksspenning og forbedre hullmobiliteten.

V. Konklusjon

Epitaksi og CVD representerer to distinkte tilnærminger: den ene, jakten på "perfekt replikering på atomnivå", og den andre, pragmatismen til "effektiv filmdannelse." De deler de grunnleggende prinsippene for kjemiske reaksjoner i gassfase, men divergerer likevel betydelig når det gjelder krystallkvalitet, temperaturvindu og veksthastighet. Ved å justere temperatur og hastighet kan de konverteres; gjennom genialt prosessdesign kan de sameksistere på en enkelt enhet og jobbe i samme prosess. Det er dette harmoniske samarbeidet mellom disse to søskenbarna som gjør det mulig for brikker å ha både perfekte enkeltkrystallkanaler og tette polykrystallinske porter og isolerende dielektriske lag, som støtter den storslåtte bygningen til milliarder av transistorer som jobber sammen.

Semicorex tilbyr høy kvalitetCVD-beleggprodukter. Hvis du har spørsmål eller trenger ytterligere detaljer, ikke nøl med å ta kontakt med oss.

Kontakt telefonnummer +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com