Jakie są różnice między epitaksją a CVD

W procesie osadzania cienkowarstwowego w produkcji chipów często wymienia się dwie technologie, choć zasadniczo się od siebie różnią – epitaksja i chemiczne osadzanie z fazy gazowej. Są jak kuzyni, obaj należą do rodziny „wzrostu pary”, ale mają różne cechy i mocne strony. Czasami są wyraźnie oddzielone; innym razem mogą się one przekształcać i współistnieć w określonych warunkach.

I. Podstawowa różnica: jedno to kopiowanie, drugie to graffiti

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) jest najpopularniejszą metodą osadzania cienkowarstwowego. Zasada działania jest prosta: gaz zawierający docelowy pierwiastek wprowadza się do komory reakcyjnej, gdzie na nagrzanej powierzchni płytki zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje trwała, cienka warstwa. Folie wytwarzane metodą CVD mogą być polikrystaliczne, amorficzne lub monokrystaliczne, w zależności od warunków procesu. To jak malowanie ściany – niezależnie od jej krystalicznej struktury, farba po prostu krzepnie i tworzy warstwę. Dwutlenek krzemu osadzany metodą CVD, azotek krzemu, krzem polikrystaliczny itp. nie mają ścisłych wymagań dotyczących dopasowania siatki do podłoża.

Natomiast epitafizm to „szlachetna gałąź” w rodzinie CVD. Jej wymagania są znacznie bardziej rygorystyczne: osadzona folia musi mieć tę samą strukturę krystaliczną i orientację co podłoże, przy czym atomy „rosną” warstwa po warstwie, aby idealnie odtworzyć układ sieci podłoża. Epitaksja przypomina kopiowanie cegieł za pomocą tego samego szablonu — nowo wybudowana ściana musi idealnie pasować do połączeń cegieł starej ściany. Warstwy epitaksjalne to zazwyczaj krzem monokrystaliczny, krzem germanowy, węglik krzemu itp., wykorzystywane do konstruowania kluczowych struktur, takich jak obszar aktywny i heterozłącza tranzystorów.

Mówiąc najprościej, każda epitaksja jest CVD, ale nie każda CVD jest epitaksją. Epitaksja to tryb „replikacji pojedynczego kryształu” CVD osiągany w określonych warunkach.

II. Różnice w warunkach procesu

CVD ma bardzo szerokie okno procesowe. Temperatury mogą wahać się od temperatury pokojowej do tysięcy stopni Celsjusza, ciśnienie od ciśnienia atmosferycznego do kilku paskali, a rodzaje gazów są niezwykle zróżnicowane. Każdy proces, który umożliwia reakcję gazu i utworzenie stałej cienkiej warstwy, można nazwać CVD. CVD wzmocnione plazmą może osadzać azotek krzemu w temperaturze 300-400°C, CVD pod niskim ciśnieniem w temperaturze 600-700°C i CVD pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturach powyżej 900°C, osadzając dwutlenek krzemu. CVD nie ma prawie żadnych wymagań co do podłoża — można osadzać krzem, szkło, metale, a nawet tworzywa sztuczne (w warunkach niskiej temperatury).

Epitafizacja natomiast ma znacznie węższe okno procesu. Aby wyhodować idealną warstwę monokryształu, muszą zostać spełnione trzy rygorystyczne warunki.

Po pierwsze, podłoże musi być monokryształem. Warstwa epitaksjalna jest kontynuacją sieci krystalicznej podłoża; jeśli samo podłoże jest polikrystaliczne lub amorficzne, nie można wyhodować monokrystalicznej warstwy epitaksjalnej.

Po drugie, temperatura musi być wystarczająco wysoka. W przypadku epitaksji krzemowej temperatura wynosi zazwyczaj 1000–1200°C; w przypadku epitaksji węglika krzemu temperatura może sięgać nawet 1500-1600°C. Wysoka temperatura zapewnia wystarczającą ruchliwość powierzchni zaadsorbowanych atomów, umożliwiając im znalezienie prawidłowego położenia w sieci krystalicznej.

Po trzecie, tempo wzrostu musi być powolne. Zbyt duże tempo spowodowałoby, że atomy nie miałyby wystarczająco dużo czasu na „ustawienie się”, co doprowadziłoby do powstania struktur lub defektów polikrystalicznych. Typowe szybkości wzrostu epitaksji krzemu wynoszą 0,1-1 mikrometra na minutę, podczas gdy osadzanie metodą CVD krzemu polikrystalicznego może z łatwością osiągnąć 10 mikrometrów na minutę.

Ponadto epitaksja wymaga wyjątkowo dużej czystości komory; każdy atom zanieczyszczeń może stać się centrum defektów, naruszając integralność monokryształu.

III. Interkonwersja

W pewnych warunkach epitaksja i CVD mogą ulegać wzajemnej konwersji.

Od CVD do epitaksji: Jeśli podłożem jest krzem monokrystaliczny, temperatura osadzania jest wystarczająco wysoka, a tempo wzrostu wystarczająco wolne, proces CVD, w wyniku którego normalnie powstaje krzem polikrystaliczny, można przekształcić w epitaksję monokrystaliczną. Na przykład osadzanie silanem w temperaturze poniżej 900°C daje krzem polikrystaliczny; podniesienie temperatury do 1050°C przy jednoczesnym obniżeniu ciśnienia cząstkowego silanu pozwala na wzrost monokrystalicznej warstwy epitaksjalnej na podłożu z monokrystalicznego krzemu. Jest to podstawowa zasada wzrostu epitaksjalnego - zwiększając szybkość dyfuzji powierzchniowej, atomy mają możliwość „znalezienia” pozycji sieci.

Od epitaksji do CVD: Jeśli temperatura nie jest wystarczająco wysoka lub tempo wzrostu jest zbyt szybkie, proces epitaksjalny „zdegeneruje się” w osadzanie polikrystaliczne lub amorficzne. Na przykład próba epitaksjalnego wzrostu krzemu w niskich temperaturach może skutkować powstaniem amorficznego krzemu; epitaksja przy dużych szybkościach może wprowadzić składniki polikrystaliczne. W przemyśle tę „degradację” czasami celowo wykorzystuje się do hodowli cienkich warstw krzemu polikrystalicznego. Na przykład podczas wypełniania rowów warstwę amorficznego krzemu osadza się najpierw w niskiej temperaturze jako bufor, a następnie wyżarza się w wysokiej temperaturze w celu jej krystalizacji.

IV. Współistnienie i symbioza

W zaawansowanych procesach produkcyjnych epitaksja i CVD często współistnieją w tym samym sprzęcie, a nawet współpracują na tym samym etapie procesu.

Typowym przykładem jest epitaksja selektywna. W procesach podnoszenia źródła i drenażu krzem epitaksjalny musi być selektywnie hodowany w odsłoniętych obszarach krzemu monokrystalicznego, podczas gdy w obszarach izolacji dwutlenku krzemu lub azotku krzemu nic nie rośnie. Proces ten jest w rzeczywistości „konkurencją” między epitaksją a CVD - na powierzchni monokrystalicznego krzemu atomy mogą szybko migrować i znajdować pozycje sieciowe, tworząc warstwę epitaksjalną; na powierzchniach izolacyjnych zarodkowanie atomów jest powolne, a ostatecznie osadzony materiał polikrystaliczny lub amorficzny można selektywnie wytrawić.

Ciągłe osadzanie epitaksji i polikrystaliczności: W produkcji 3D NAND czasami konieczne jest najpierw epitaksjalne wyhodowanie monokrystalicznego krzemu jako warstwy początkowej, a następnie przejście do trybu CVD w celu osadzenia krzemu polikrystalicznego w celu wypełnienia rowów. Ten sam sprzęt epitaksjalny może swobodnie przełączać się między trybem monokrystalicznym i polikrystalicznym, dostosowując temperaturę i stosunek gazu.

Epitaksja + osadzanie w technologii naprężonego krzemu: Krzem germanowy jest hodowany epitaksjalnie w obszarach źródła i drenu PMOS, a jednocześnie osadzana jest na nim podkładka naprężająca z azotku krzemu metodą CVD. Obydwa współpracują ze sobą, aby wprowadzić naprężenia ściskające w kanale i poprawić ruchliwość otworu.

V. Wniosek

Epitaksja i CVD reprezentują dwa różne podejścia: jedno, dążenie do „doskonałej replikacji na poziomie atomowym”, a drugie, pragmatyzm „efektywnego tworzenia filmu”. Mają wspólne podstawowe zasady reakcji chemicznych w fazie gazowej, ale różnią się znacznie pod względem jakości kryształów, okna temperaturowego i szybkości wzrostu. Dostosowując temperaturę i szybkość, można je wzajemnie konwertować; dzięki pomysłowemu projektowaniu procesów mogą współistnieć na jednym urządzeniu i pracować w tym samym procesie. To właśnie harmonijna współpraca pomiędzy tymi dwoma kuzynami pozwala chipom posiadać zarówno doskonałe kanały monokrystaliczne, jak i gęste bramki polikrystaliczne oraz izolujące warstwy dielektryczne, wspierając wspaniałą konstrukcję miliardów współpracujących ze sobą tranzystorów.

Semicorex oferuje wysoką jakośćProdukty z powłoką CVD. Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub potrzebujesz dodatkowych szczegółów, nie wahaj się z nami skontaktować.

Numer telefonu kontaktowego +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com