Aké sú rozdiely medzi epitaxiou a CVD

V procese nanášania tenkých vrstiev pri výrobe čipov sa často spolu spomínajú dve technológie, ktoré sa však zásadne líšia – epitaxia a chemické nanášanie pár. Sú ako bratranci a sesternice, obaja patria do rodiny „rastu pár“, ale s odlišnými vlastnosťami a silnými stránkami. Niekedy sú jasne oddelené; inokedy sa môžu navzájom transformovať a koexistovať za špecifických podmienok.

I. Základný rozdiel: Jedným je kopírovanie, druhým je graffiti

Chemická depozícia z plynnej fázy (CVD) je najbežnejšou metódou nanášania tenkých vrstiev. Jeho princíp je jednoduchý: plyn obsahujúci cieľový prvok sa zavedie do reakčnej komory, kde na zohriatom povrchu plátku prebieha chemická reakcia, ktorá vytvára pevný tenký film. Filmy generované CVD môžu byť polykryštalické, amorfné alebo monokryštalické v závislosti od podmienok procesu. Je to ako maľovanie steny – bez ohľadu na kryštálovú štruktúru steny farba jednoducho stuhne do filmu. CVD-deponovaný oxid kremičitý, nitrid kremíka, polykryštalický kremík atď., nemajú prísne požiadavky na prispôsobenie mriežky so substrátom.

Epitaphing je na druhej strane „ušľachtilým odvetvím“ v rodine CVD. Jeho požiadavky sú oveľa prísnejšie: nanesený film musí mať rovnakú kryštálovú štruktúru a orientáciu ako substrát, pričom atómy „rastú“ vrstvu po vrstve, aby dokonale kopírovali mriežkové usporiadanie substrátu. Epitaxia je ako použitie rovnakej šablóny na kopírovanie tehál – novo postavená stena musí dokonale zarovnať tehlové spoje starej steny. Epitaxné vrstvy sú typicky monokryštalický kremík, germániový kremík, karbid kremíka atď., ktoré sa používajú na konštrukciu kľúčových štruktúr, ako je aktívna oblasť a heteroprechody tranzistorov.

Jednoducho povedané, každá epitaxia je CVD, ale nie každá CVD je epitaxia. Epitaxia je spôsob „replikácie jedného kryštálu“ CVD dosiahnutý za špecifických podmienok.

II. Rozdiely v podmienkach procesu

CVD má veľmi široké okno procesu. Teploty sa môžu pohybovať od izbovej teploty po tisíce stupňov Celzia, tlaky od atmosférického tlaku po niekoľko Pascalov a druhy plynov sú mimoriadne rôznorodé. Akýkoľvek proces, ktorý umožňuje reakciu plynu a vytvorenie pevného tenkého filmu, možno nazvať CVD. CVD zosilnené plazmou môže ukladať nitrid kremíka pri 300-400 °C, nízkotlakové CVD pri 600-700 °C a CVD pri atmosférickom tlaku pri teplotách nad 900 °C, čím sa ukladá oxid kremičitý. CVD nemá takmer žiadne požiadavky na substrát – je možné nanášať kremík, sklo, kovy a dokonca aj plasty (pri nízkych teplotách).

Epitaphing má na druhej strane oveľa užšie okno procesu. Na pestovanie dokonalej monokryštálovej vrstvy musia byť splnené tri prísne podmienky.

Po prvé, substrát musí byť monokryštál. Epitaxná vrstva je pokračovaním kryštálovej mriežky substrátu; ak je samotný substrát polykryštalický alebo amorfný, nemôže narásť monokryštalická epitaxná vrstva.

Po druhé, teplota musí byť dostatočne vysoká. Pre kremíkovú epitaxiu je teplota typicky 1000-1200 °C; pre epitaxiu karbidu kremíka môže teplota dosiahnuť aj 1500-1600°C. Vysoká teplota poskytuje adsorbovaným atómom dostatočnú povrchovú pohyblivosť, čo im umožňuje nájsť ich správne polohy v kryštálovej mriežke.

Po tretie, tempo rastu musí byť pomalé. Príliš vysoká rýchlosť by spôsobila, že atómy by nemali dostatok času na „zoradenie“, čo by malo za následok polykryštalické štruktúry alebo defekty. Typické rýchlosti rastu pre kremíkovú epitaxiu sú 0,1-1 mikrometra za minútu, zatiaľ čo CVD depozícia polykryštalického kremíka môže ľahko dosiahnuť 10 mikrometrov za minútu.

Okrem toho epitaxia vyžaduje extrémne vysokú čistotu komory; akýkoľvek atóm nečistoty sa môže stať centrom defektu, čo ohrozuje integritu monokryštálu.

III. Vzájomná konverzia

Za určitých podmienok môžu byť epitaxia a CVD vzájomne premenené.

Od CVD k epitaxii: Ak je substrátom monokryštalický kremík a teplota nanášania je dostatočne vysoká a rýchlosť rastu je dostatočne pomalá, proces CVD, ktorý by normálne produkoval polykryštalický kremík, sa môže transformovať na monokryštalickú epitaxiu. Napríklad depozícia so silánom pod 900 °C poskytuje polykryštalický kremík; zvýšenie teploty na 1050 °C pri súčasnom znížení parciálneho tlaku silanu umožňuje rast monokryštalickej epitaxnej vrstvy na substráte z monokryštalického kremíka. Toto je základný princíp epitaxného rastu – zvýšením rýchlosti povrchovej difúzie majú atómy možnosť „nájsť“ polohy mriežky.

Od epitaxie po CVD: Ak teplota nie je dostatočne vysoká alebo rýchlosť rastu je príliš rýchla, epitaxný proces sa „degeneruje“ na polykryštalickú alebo amorfnú depozíciu. Napríklad pokus o epitaxný rast kremíka pri nízkych teplotách môže viesť k amorfnému kremíku; epitaxia pri vysokých rýchlostiach môže zaviesť polykryštalické zložky. V priemysle sa táto „degradácia“ niekedy zámerne využíva na pestovanie tenkých vrstiev polykryštalického kremíka. Napríklad pri plnení výkopov sa vrstva amorfného kremíka najskôr nanesie pri nízkej teplote ako tlmivý roztok a potom sa žíha pri vysokej teplote, aby kryštalizoval.

IV. Spolužitie a symbióza

V pokročilých výrobných procesoch epitaxia a CVD často koexistujú v rovnakom zariadení a dokonca spolupracujú v rovnakom kroku procesu.

Typickým príkladom je selektívna epitaxia. V procesoch zdvíhania zdroja odtoku musí byť epitaxný kremík selektívne pestovaný v exponovaných oblastiach monokryštalického kremíka, zatiaľ čo v oblastiach izolácie oxidu kremičitého alebo nitridu kremíka nič nerastie. Tento proces je vlastne „súťažou“ medzi epitaxiou a CVD – na povrchu monokryštalického kremíka môžu atómy rýchlo migrovať a nájsť polohy mriežky, aby vytvorili epitaxnú vrstvu; na izolačných povrchoch je nukleácia atómov pomalá a konečný deponovaný polykryštalický alebo amorfný materiál môže byť selektívne odleptaný.

Nepretržité nanášanie epitaxie a polykryštalického: Pri výrobe 3D NAND je niekedy potrebné najprv epitaxiálne vypestovať monokryštalický kremík ako zárodkovú vrstvu a potom prepnúť do režimu CVD na uloženie polykryštalického kremíka na vyplnenie priekop. Rovnaké epitaxné zariadenie môže voľne prepínať medzi monokryštalickým a polykryštalickým režimom úpravou pomeru teploty a plynu.

Epitaxia + depozícia v technológii napínaného kremíka: Germániový kremík sa epitaxiálne pestuje v zdrojovej a odtokovej oblasti PMOS a súčasne sa naň nanáša záťažová podložka z nitridu kremíka. Obidve spolupracujú pri zavádzaní tlakového napätia kanála a zlepšovaní pohyblivosti otvorov.

V. Záver

Epitaxia a CVD predstavujú dva odlišné prístupy: jeden, snaha o „dokonalú replikáciu na atómovej úrovni“ a druhý, pragmatizmus „efektívnej tvorby filmu“. Zdieľajú základné princípy chemických reakcií v plynnej fáze, ale výrazne sa líšia, pokiaľ ide o kvalitu kryštálov, teplotné okno a rýchlosť rastu. Úpravou teploty a rýchlosti ich možno vzájomne premieňať; vďaka dômyselnému dizajnu procesu môžu koexistovať na jednom zariadení a pracovať v rovnakom procese. Práve táto harmonická spolupráca medzi týmito dvoma bratrancami umožňuje čipom vlastniť dokonalé monokryštálové kanály a husté polykryštalické brány a izolačné dielektrické vrstvy, ktoré podporujú nádhernú budovu miliárd tranzistorov, ktoré spolupracujú.

Semicorex ponúka vysokú kvalituProdukty CVD povlakov. Ak máte akékoľvek otázky alebo potrebujete ďalšie podrobnosti, neváhajte nás kontaktovať.

Kontaktné telefónne číslo +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com