background image

1

Projekt współfinansowany przez Uni

ę

 Europejsk

ą

 

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

In

ż

ynieria wytwarzania

Dr in

ż

. Andrzej Kubiak

1.

Definicje mikro- i nanotechnologii

2.

Zagadnienia utrzymania czysto

ś

ci w procesach mikro- i 

nanotechnologii

3.

Materiały półprzewodnikowe – własno

ś

ci, wytwarzanie, obróbka 

mechaniczna

4.

Trawienie materiałów półprzewodnikowych

5.

Technologia procesów fotolitografii

6.

Domieszkowanie półprzewodników

7.

Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu

8.

Osadzanie pró

ż

niowe cienkich warstw

9.

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

10. Monta

ż

 i hermetyzacja struktur

11. Struktury mechatroniczne

In

ż

ynieria wytwarzania

Dr in

ż

. Andrzej Kubiak

1.

Definicje mikro- i nanotechnologii

2.

Zagadnienia utrzymania czysto

ś

ci w procesach mikro- i 

nanotechnologii

3.

Materiały półprzewodnikowe – własno

ś

ci, wytwarzanie, obróbka 

mechaniczna

4.

Trawienie materiałów półprzewodnikowych

5.

Technologia procesów fotolitografii

6.

Domieszkowanie półprzewodników

7.

Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu

8.

Osadzanie pró

ż

niowe cienkich warstw

9.

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

10. Monta

ż

 i hermetyzacja struktur

11. Struktury mechatroniczne

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

2

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Technologia osadzania chemicznego z fazy lotnej (CVD - Chemical Vapour
Deposition) 
- procesy, w których rozkład termiczny lotnych zwi

ą

zków wyj

ś

ciowych i

reakcje pomi

ę

dzy nimi powoduj

ą

osadzanie si

ę

produktów tych reakcji w postaci

cienkich warstw. W procesie tym podło

ż

e jest zazwyczaj tylko no

ś

nikiem

mechanicznym i nie bierze udziału w reakcji.
Zastosowanie metod osadzania chemicznego jest ograniczone do materiałów, dla
których istniej

ą

wła

ś

ciwe substancje wyj

ś

ciowe (prekursory)

Podczas osadzania mo

ż

liwe s

ą

dwa typy reakcji chemicznej (mog

ą

one

wyst

ę

powa

ć

równolegle):

- heterogeniczne – zachodz

ą

ce bezpo

ś

rednio na podło

ż

u lub w jego otoczeniu

(po

żą

dane)

- homogeniczne – zachodz

ą

ce w fazie gazowej (niepo

żą

dane)

Reakcje homogeniczne mog

ą

powodowa

ć

powstawanie klasterów, powoduj

ą

cych

porowato

ść

, niejednorodno

ść

, słab

ą

adhezj

ę

wytwarzanych warstw.

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

3

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Najwa

ż

niejsze procesy osadzania chemicznego (zachodz

ą

ce szeregowo):

- transport reagentów do powierzchni podło

ż

a (wskutek zachodzenia reakcji 

odbywa si

ę

 on w 

ś

rodowisku zuba

ż

anym w reagenty i wzbogacanym w jego 

produkty)
- reakcja chemiczna zachodz

ą

ca na podło

ż

u.

Szybko

ść

 osadzania warstwy zawsze jest uzale

ż

niona od wolniejszego z 

wymienionych procesów, przy czym w niskich temperaturach krytyczna jest 
zazwyczaj szybko

ść

 reakcji, za

ś

 w wysokich temperaturach – szybko

ść

 transportu 

reagentów. 
Konstruowanie urz

ą

dze

ń

 do prowadzenia procesów CVD musi uwzgl

ę

dnia

ć

, który z 

podanych czynników b

ę

dzie dominuj

ą

cy w przypadku danej reakcji, co przekłada 

si

ę

 na szczególny nacisk na jednorodno

ść

 dostarczania reagentów b

ą

d

ź

 wysok

ą

 

stabilizacj

ę

 temperatury procesu.

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

4

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Zastosowanie technologii osadzania chemicznego w mikroelektronice:
- warstwy dielektryczne (tlenek krzemu, azotek krzemu),
- niektóre metale (m.in. metale trudnotopliwe),
- półprzewodniki (krzem w ró

ż

nych formach, zwi

ą

zki pierwiastków grupy III-V).

Szczególnym

zastosowaniem

techniki osadzania

jest

wytwarzanie

warstwy

monokrystalicznej krzemu na podło

ż

u krzemowym, zwana epitaksj

ą

. Uzupełniona o

reakcje zapewniaj

ą

ce obecno

ść

domieszek donorowych b

ą

d

ź

akceptorowych,

epitaksja jest ch

ę

tnie stosowan

ą

technik

ą

otrzymywania warstw krzemu o bardzo

dobrej jako

ś

ci i wysokiej rezystywno

ś

ci.

W niektórych przypadkach osadzanie chemiczne jest jedyn

ą

metod

ą

otrzymywania

cienkich warstw dost

ę

pn

ą

w mikrotechnologii (np. krzem, polikrzem). Ogromn

ą

zalet

ą

tej techniki jest równie

ż

du

ż

a szybko

ść

wzrostu ró

ż

norodnych warstw

osi

ą

gana przy niskiej temperaturze procesu, co jest szczególnie istotne w

przypadku ko

ń

cowych etapów wytwarzania struktur (eliminacja mo

ż

liwo

ś

ci redyfuzji

domieszek w procesach wysokotemperaturowych)

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

5

Reaktory do osadzania chemicznego

Reaktory do osadzania chemicznego

Reaktory do osadzania chemicznego pracuj

ą

ce pod ci

ś

nieniem atmosferycznym 

(APCVD – Atmospheric Pressure CVD):
- konstrukcje wyposa

ż

one w ta

ś

moci

ą

g, na którym podło

ż

a układane s

ą

 r

ę

cznie 

b

ą

d

ź

 automatycznie. 

- podło

ż

a przesuwane s

ą

 przez obszar o podwy

ż

szonej temperaturze, a 

nast

ę

pnie przemieszczaj

ą

 si

ę

 pod dyszami doprowadzaj

ą

cymi gazy zapewniaj

ą

ce 

zachodzenie po

żą

danych reakcji

- obszar wylotu gazów roboczych jest otoczony obszarami o intensywnym 
nadmuchu azotu w celu zapewnienia bezpiecze

ń

stwa obsługi tego typu 

reaktorów.

h

tt

p

s

:/

/w

w

w

.d

o

w

c

o

rn

in

g

.c

o

.j

p

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

6

Reaktory do osadzania chemicznego

Reaktory do osadzania chemicznego

W reaktorach APCVD kluczowym parametrem procesu jest jednorodno

ść

 

szybko

ś

ci przesuwu ta

ś

moci

ą

gu oraz nadmuchu gazów roboczych. 

Jednorodno

ść

 temperatury podczas procesu jest znacznie mniej istotna. 

Zalety:
- prostota konstrukcji,
- du

ż

a szybko

ść

 osadzania,

- niska temperatura procesu,
- niskie koszty eksploatacji
Jest wykorzystywane we współczesnych procesach technologicznych, m.in. do 
wytwarzania pasywuj

ą

cej warstwy tlenku krzemu w ko

ń

cowym etapie produkcji.

Wady
- trudno

ś

ci w otrzymywania warstw o wysokiej czysto

ś

ci (zapylenie reaktora)

- słabe pokrywanie podło

ż

y zawieraj

ą

cych powierzchnie pionowe (uskoki 

wynikaj

ą

ce z obecno

ś

ci innych warstw poddanych cz

ęś

ciowemu usuni

ę

ciu). 

background image

2

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

7

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Reaktory do osadzania chemicznego pod obni

ż

onym ci

ś

nieniem (LPCVD- Low 

Pressure CVD):
- reaktor jest elementem systemu pró

ż

niowego

- procesy osadzania prowadzone s

ą

 przy ci

ś

nieniu około 1mbara i w 

temperaturze od 300 do 900

o

C (w przypadku osadzania krzemu 

monokrystalicznego do 1400

o

C)

- wyst

ę

puj

ą

 konstrukcje o gor

ą

cych i zimnych 

ś

cianach

https://www.dowcorning.co.jp

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

8

Procesy w urz

ą

dzeniu LPCVD s

ą

 ograniczone reakcjami powierzchniowymi, czyli 

dla dobrej kontroli procesu najistotniejsza jest stabilizacja temperatury podło

ż

y

Zalety:
• du

ż

a wydajno

ść

 (mo

ż

liwo

ść

 załadunku du

ż

ej partii podło

ż

y)

• wysoka czysto

ść

 i jednorodno

ść

 otrzymywanych warstw

• dobre pokrycie uskoków

Wady:
• wysoka temperatura procesu
• mała szybko

ść

 osadzania. 

Reaktory LPCVD s

ą

 stosowane do wytwarzania tlenku krzemu, azotku krzemu, 

warstw krzemu poli- i monokrystalicznego

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

9

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Reaktory do osadzania wspomaganego plazm

ą

 (PECVD – Plasma Enchanced 

CVD):
- wyst

ę

puj

ą

ce w formie reaktorów rurowych oraz planarnych 

- wprowadzenie plazmy pozwala na prowadzenie wybranych reakcji chemicznych 
przy znacznie ni

ż

szych temperaturach (rz

ę

du 400

o

C) ni

ż

 w przypadku 

konwencjonalnego ogrzewania. 
- jest to bardzo korzystne w mikroelektronice, poniewa

ż

 pozwala na bezpieczne 

prowadzenie procesów wytwarzania warstw bez niepo

żą

danego efektu 

redystrybucji domieszek.
- rozwi

ą

zanie to komplikuje jednak proces

osadzania, poniewa

ż

 oprócz parametrów

typowych dla osadzania (temperatura,
ci

ś

nienie, skład gazów roboczych) nale

ż

jeszcze kontrolowa

ć

 parametry plazmy, 

takie jak moc elektryczna, cz

ę

stotliwo

ść

pobudzania, rodzaj i geometria elektrod. 

https://www.dowcorning.co.jp

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

10

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

- odmian

ą

 metody PECVD jest 

system HDP CVD (High Density 
Plasma CVD
)

- zastosowanie plazmy o 
wysokiej g

ę

sto

ś

ci powoduje. i

ż

 

wraz z procesami osadzania 
warstw zachodz

ą

 procesy jej 

trawienia w miejscach, w których 
narasta ona najszybciej

- HDP CVD pozwala na znacznie 
skuteczniejsze wypełnienie 

ę

bokich uskoków

PECVD

HDPCVD

In

te

C

o

rp

o

ra

ti

o

n

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

11

Epitaksja

Epitaksja

Epitaksja jest procesem tworzenia pojedynczych warstw monokryształu na 
monokrystalicznym podło

ż

u.

.
W przypadku osadzania warstw z materiału identycznego z podło

ż

em mówimy o 

homoepitaksji, za

ś

 w przypadku materiałów ró

ż

ni

ą

cych si

ę

 w jakikolwiek sposób –

heteroepitaksji (pojawia si

ę

 wówczas niedopasowanie sieci krystalicznej)

Homoepitaksja

Heteroepitaksja

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

12

Epitaksja 

Epitaksja 

Zalety:
- zwi

ę

ksza zakres mo

ż

liwo

ś

ci projektowania i optymalizacji charakterystyk urz

ą

dze

ń

 

- pozwala na łatwiejsz

ą

 kontrol

ę

 grubo

ś

ci warstw, poziomu i profilu domieszkowania 

ni

ż

 w przypadku dyfuzji czy implantacji domieszek

- umo

ż

liwia tworzenie warstw zagrzebanych i warstw słabo domieszkowanych na 

silnie domieszkowanym podło

ż

u (szczególnie istotne dla technologii bipolarnych)

- pozwala na otrzymywanie heterozł

ą

czy (GaAs, InP, AlGaAs, InGaAsP, CdSe, 

HgCdTe) pozwalaj

ą

cych na konstrukcj

ę

 takich przyrz

ą

dów jak czujniki 

podczerwieni, LED, lasery półprzewodnikowe, HBT (Heterojunction Bipolar 
Transistor
)

background image

3

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

13

CVD - epitaksjalne warstwy krzemowe

CVD - epitaksjalne warstwy krzemowe

Dyfuzja i implantacja jonowa pozwala tylko zmniejsza

ć

 rezystywno

ść

 

krzemu (zwi

ę

ksza

ć

 koncentracj

ę

 domieszek) – epitaksja umo

ż

liwia 

zarówno zmniejszanie, jak i zwi

ę

kszanie rezystywno

ś

ci

h

tt

p

:/

/w

w

w

.t

f.

u

n

i-

k

ie

l.

d

e

/m

a

tw

is

/a

m

a

t/

e

lm

a

t_

e

n

/i

n

d

e

x.

h

tm

l

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

14

Epitaksja krzemu

Epitaksja krzemu

Homoepitaksja - proces wytwarzania monokrystalicznej warstwy krzemu 
na podło

ż

u krzemowym. Najcz

ęś

ciej stosowanym gazem jest silan (SiCl

4

), 

który podczas procesu mo

ż

e powodowa

ć

 zachodzeniu kilku kolejnych 

reakcji:

SiCl

4

+ 2H

2

(1200

o

C)

Si + 4HCl

SiCl

4

+ H

2

 SiHCl

3

+ HCl

SiHCl

3

+ H2 

 SiH

2

Cl

2

+ HCl

SiH

2

Cl

2

 SiCl

2

+ H

2

SiHCl

3

 SiCl

2

+ HCl

SiCl

2

+ H

2

 Si + 2HCl

Wymienione reakcje mog

ą

 przebiega

ć

 w obu kierunkach, zatem w pewnych 

warunkach zamiast osadzania krzemu mo

ż

e nast

ę

powa

ć

 jego trawienie.

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

15

Epitaksja krzemu

Epitaksja krzemu

Domieszki s

ą

 wprowadzane do warstwy epitaksjalnej równolegle lub naprzemiennie 

z jej tworzeniem.

Typowymi zwi

ą

zkami u

ż

ywanymi do domieszkowania s

ą

:

B

2

H

6

– u

ż

ywany do wprowadzania domieszek typu p (B)

PH

3

, AsH

3

- u

ż

ywany do wprowadzania domieszek typu n (P, As)

Substancje te s

ą

silnie toksyczne i niestabilne w wy

ż

szych temperaturach. Stosuje

si

ę

wi

ę

c

mieszanin

ę

tych

gazów

z

wodorem

o

niewielkim

st

ęż

eniu.

Na ko

ń

cowy poziom domieszkowania maj

ą

wpływ temperatura, szybko

ść

wzrostu

warstwy, st

ęż

enie domieszek w gazie, geometria reaktora. Zało

ż

ony poziom

domieszkowania uzyskuje si

ę

na bazie wcze

ś

niejszych eksperymentów.

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

16

CVD - epitaksjalne warstwy krzemowe

CVD - epitaksjalne warstwy krzemowe

Parametry  procesu epitaksji:

• perfekcyjnie czysta powierzchnia (tzn. brak nawet 

naturalnego tlenku, który musi by

ć

 usuni

ę

ty tu

ż

 

przed procesem epitaksji)

• bardzo dokładna stabilizacja temperatury na 

poziomie 1-2

o

C, 

• grzanie realizowane  np. poprzez intensywne 

o

ś

wietlenie lampami o mocy do 150kW

• bardzo dokładnie kontrolowane przepływy 

gazów, (rz

ę

du 200 l/min H

2

, 5 l/min SiCl

4

)

• niezb

ę

dne jest stosowanie kosztownych 

systemów oczyszczania  gazów wylotowych

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

17

CVD - epitaksjalne warstwy krzemowe

CVD - epitaksjalne warstwy krzemowe

h

tt

p

:/

/w

w

w

.t

f.

u

n

i-

k

ie

l.

d

e

/m

a

tw

is

/a

m

a

t/

e

lm

a

t_

e

n

/i

n

d

e

x.

h

tm

l

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

18

W przypadku du

ż

ych szybko

ś

ci osadzania powstaj

ą

ca warstwa ma charakter 

polikrystaliczny (osadzanie zachodzi szybciej ni

ż

 porz

ą

dkowanie materiału)

CVD - epitaksjalne warstwy krzemowe

CVD - epitaksjalne warstwy krzemowe

1

1

100

10000

1400 ºC

1200 ºC

1000 ºC

polikryształ

monokryształ

Sz

y

b

k

o

ś

ć

 w

z

ro

s

tu

 (

µ

m

/m

in

)

Temperatura

background image

4

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

19

CVD - polikrzem

CVD - polikrzem

Wytwarzanie polikrzemu: wykorzystywana jest reakcja pirolizy silanu w temp. 
580-650

o

C w reaktorach typu LPCVD

Podło

ż

em mo

ż

e by

ć

 nie tylko monokrystaliczny krzem, lecz np. tlenek krzemu, 

azotek krzemu, metal.

Cechy krzemu polikrystalicznego:
• dobra przewodno

ść

 elektryczna 

• kompatybilno

ść

 z krzemem (m.in. wsp. rozszerzalno

ś

ci cieplnej)

• łatwo

ść

 trawienia, domieszkowania, utleniania

SiH

=> Si + 2H

2

Zastosowanie:

ś

cie

ż

ki przewodz

ą

ce

• rezystory o du

ż

ej warto

ś

ci

• elektrody bramkowe w przyrz

ą

dach MOS

• kontakty omowe do krzemu

ź

ródła dyfuzji do wytwarzania płytkich zł

ą

czy

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

20

CVD - polikrzem

CVD - polikrzem

Warstwy polikrzemowe mog

ą

 by

ć

 domieszkowane w trakcie wzrostu lub pó

ź

niej, 

klasycznymi metodami dyfuzji termicznej lub implantacji jonowej

W zale

ż

no

ś

ci od temperatury procesu osadzania mo

ż

na otrzymywa

ć

 polikrzem 

o zró

ż

nicowanej 

ś

rednicy ziaren: 

- w temp. < 580

o

C powstaje struktura amorficzna

- w temp 580 – 650

o

C powstaje warstw struktura drobno – i 

ś

rednioziarnista

- w temp >650

o

C powstaje struktura gruboziarnista 

W mikroelektronice najcz

ęś

ciej po

żą

dana jest struktura polikrystaliczna o   

mo

ż

liwie drobnych ziarnach (dobre pokrywanie powierzchni, jednorodno

ść

), 

lecz nie amorficzna (charakteryzuj

ą

ca si

ę

 wysok

ą

 rezystywno

ś

ci

ą

)

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

21

CVD – tlenek krzemu

CVD – tlenek krzemu

Tlenek krzemu jest wytwarzany metod

ą

 CVD wtedy, gdy nie mo

ż

na uzyska

ć

 go 

metod

ą

 utleniania termicznego, np. na powierzchniach gotowych struktur 

półprzewodnikowych

Zastosowanie:

- izolacja mi

ę

dzy poziomami metalizacji

- maskowanie podczas implantacji i dyfuzji

- warstwa pasywuj

ą

ca

- warstwa zabezpieczaj

ą

ca przed redyfuzj

ą

 domieszki do atmosfery podczas 

procesów termicznych

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

22

CVD – tlenek krzemu

CVD – tlenek krzemu

Stosowane s

ą

 równie

ż

 tlenki zawieraj

ą

ce dodatki w postaci fosforu (szkliwo 

fosforowe, Phosphorus Silicon Glass, PSG) ora fosforu i boru (szkliwo fosforowe-
borowe, Boron-Phosphorus Silicon Glass, BPSG), które w podwy

ż

szonych 

temperaturach rozpływaj

ą

 si

ę

 na powierzchni i s

ą

 stosowane do:

- izolacji warstw metalicznych
- ostatecznej pasywacji gotowego przyrz

ą

du

- warstwa getteruj

ą

ca („wyci

ą

gaj

ą

ca” zanieczyszczenia z obszaru na którym si

ę

 

znajduje w wyniku ich b. wysokiej rozpuszczalno

ś

ci w szkliwe) 

SiO

2

h

tt

p

:/

/w

w

w

.t

f.

u

n

i-

k

ie

l.

d

e

/m

a

tw

is

/a

m

a

t/

e

lm

a

t_

e

n

/i

n

d

e

x.

h

tm

l

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

23

Osadzanie w niskiej temperaturze (300 - 450

o

C) mo

ż

e by

ć

 prowadzone w 

reaktorach APCVD, LPCVD oraz PECVD za pomoc

ą

 reakcji:

SiH

4

+ O

=> SiO

2

+ 2H

2

W celu otrzymania szkliwa PSG reakcja uzupełniaj

ą

ca ma posta

ć

:

4PH

3

+ 5O

2

=> 2P

2

O

5

+ 6 H

2

W obecno

ś

ci plazmy (reaktory PECVD) mo

ż

liwa jest równie

ż

 reakcja prowadzona w 

temperaturach 200 – 400

o

C:

SiH

4

+ 2N

2

O => SiO

2

+ 2N

2

+ 2H

2

Osadzanie w 

ś

redniej temperaturze (650 - 750

o

C) mo

ż

e by

ć

 prowadzone w 

reaktorach LPCVD za pomoc

ą

 rozkładu tetraetylosilanu (TEOS) :

Si(C

2

H

5

O)

4

SiO

2

+ 2H

2

O + C

2

H

4

Osadzanie w wysokiej temperaturze (900

o

C) mo

ż

e by

ć

 prowadzone w reaktorach 

LPCVD za pomoc

ą

 reakcji dwuchlorosilanu z tlenkiem azotu:

SiH

2

Cl

2

+ 2NO

2

SiO

2

+ 2HCl + 2N

2

CVD – tlenek krzemu

CVD – tlenek krzemu

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

24

CVD – tlenek krzemu

CVD – tlenek krzemu

Szkliwo BPSG zastosowane na module pami

ę

ci: wyra

ź

ne wyrównanie 

powierzchni, jednak dalekie od całkowitej planaryzacji

h

tt

p

:/

/w

w

w

.t

f.

u

n

i-

k

ie

l.

d

e

/m

a

tw

is

/a

m

a

t/

e

lm

a

t_

e

n

/i

n

d

e

x.

h

tm

l

background image

5

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

25

CVD - epitaksjalne warstwy krzemowe

CVD - epitaksjalne warstwy krzemowe

Metoda osadzania SiO

2

PECVD

LPCVD/APCVD

(SiH

4

+O

2

)

LPCVD

(TEOS)

LPCVD

SiH

2

Cl

2

+2NO

2

Temperatura [

o

C]

350

400 - 450

700

900

Pokrywanie 

uskoków

nierównomierne

nierównomierne

równomierne

równomierne

Stabilno

ść

 

termiczna

traci H

g

ę

stnieje

stabilny

traci Cl

G

ę

sto

ść

 [g/cm

3

]

2,3

2,1

2,2

2,2

Wsp. załamania 

ś

wiatła

1,47

1,44

1,46

1,46

wytrzymało

ść

  na 

przebicie [Mv/cm

3-6

8

10

10

Szybko

ść

 trawienia 

1%HF w H

2

[nm/min]

40

6

3

3

R

Be

c

k

 T

e

c

h

n

o

lo

g

ia

 k

rz

e

m

o

w

a

P

W

N

 1

9

9

1

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

26

CVD – azotek krzemu

CVD – azotek krzemu

Azotek krzemu (Si

3

N

4

) - CVD to praktycznie jedyna metoda wytwarzania 

(azotkowanie termiczne daje warstwy o grubo

ś

ci najwy

ż

ej kilku nm)

• stanowi skuteczn

ą

 barier

ę

 dla wody, pary wodnej, tlenu, wszelkich domieszek, 

sodu i innych metali ziem alkalicznych

• stosowany jako bariera dla procesów dyfuzji, izolator, warstwa pasywuj

ą

ca 

gotowe struktury, warstwa pmaskuj

ą

ca w procesach utleniania termicznego

• wymaga zastosowania tlenku buforowego ze wzgl

ę

du na ró

ż

nic

ę

 

współczynnika rozszerzalno

ś

ci cieplnej

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

27

CVD – azotek krzemu

CVD – azotek krzemu

Osadzanie w niskiej temperaturze (200 - 400

o

C) mo

ż

e by

ć

 prowadzone w 

reaktorach PECVD za pomoc

ą

 reakcji:

SiH

4

+ NH

3

(lub N

2

) => Si

x

N

y

H

z

+ H

2

W wyniku tego procesu powstaj

ą

ca warstw azotku krzemu jest silnie 

niestechiometryczna, ze wzgl

ę

du na nisk

ą

 temperatur

ę

 procesu mo

ż

e by

ć

 

nakładana na warstw

ę

 glinu

Osadzanie w wysokiej temperaturze (700-800

o

C) mo

ż

e by

ć

 prowadzone w 

reaktorach LPCVD za pomoc

ą

 reakcji :

SiH

2

Cl

2

+ 4NH

3

Si

3

N

4

+ 6H

2

+ 6HCl

Powstaj

ą

ca warstwa azotku krzemu jest stechimetryczna, mo

ż

e by

ć

nakładana

np. na tlenek krzemu w procesie LOCOS

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

28

CVD – azotek krzemu

CVD – azotek krzemu

Metoda osadzania Si

3

N

4

PECVD

LPCVD

Temperatura [

o

C]

250 -350

700-900

Skład

Si

x

N

y

H

z

Si

3

N

4

(H)

stosunek  krzem/azot

0,8 – 1,2

0,75

Ilo

ść

wodoru  (%)

20-25

4-8

G

ę

sto

ść

 [g/cm

3

]

2,5-2,8

2,8-3,1

Wsp. załamania 

ś

wiatła

1,8-2,5

2,0-2,1

Stała dielektryczna

6-9

6-7

Rezystywno

ść

  [

cm]

10

5

-10

21

10

16

Wytrzymało

ść

 na przebicie 

[MV/cm]

6

10

pokrywanie uskoków

nierównomierne

równomierne

stabilno

ść

 chemiczna

niestabilny dla T>400

o

C

bardzo stabilny

Szybko

ść

 trawienia 

49% HF w H

2

O [nm/min]

150 - 300

8

R

Be

c

k

 T

e

c

h

n

o

lo

g

ia

 k

rz

e

m

o

w

a

P

W

N

 1

9

9

1

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

29

CVD – wolfram

CVD – wolfram

Osadzanie wolframu w poł

ą

czeniu z technik

ą

 polerowania jest stosowane w 

celu osi

ą

gni

ę

cia pierwszej płaskiej warstwy metalizacji 

Osadzanie wolframu musi zosta

ć

 poprzedzone osadzeniem cienkiej warstwy 

tytanu metod

ą

 PVD lub CVD w celu wytworzenia centrów nukleacji dla 

wolframu.

Warstwa wolframu pokrywaj

ą

ca tytan otrzymywana jest poprzez redukcj

ę

 

silanu zgodnie z reakcj

ą

:

WF

6

+ SiH

4

+ H

2

-> W + SiH

x

+ HF

Warstwa ta bardzo słabo pokrywa uskoki, dlatego jest szybko przerywana, a 
dalszy osadzanie wolframu jest realizowane za pomoc

ą

 reakcji redukcji 

wodorem:

WF

6

+ 3H

2

-> W + 6HF

Ten ostatni proces jest stosunkowo powolny, jednak zapewnia dobre 
pokrywanie uskoków

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

30

CVD – wolfram

CVD – wolfram

Po zako

ń

czeniu osadzania wolframu wykonywane jest polerowanie chmieczno-

mechaniczne (CMP), dzi

ę

ki któremu przywracana jest płaska powierzchnia 

struktury. Umo

ż

liwia to wykonywanie kolejnych warstw metalizacji za pomoc

ą

 

miedzi (pokrywanie galwaniczne) lub glinu (PVD) izolowanych szkliwem PSG 
lub BPSG.
Mo

ż

liwe wady po procesie polerowania: kału

ż

e wolframu, wydarcia, wypełnione 

i niewypełnione rysy i wydr

ąż

enia, zwarcia kontaktów, resztki pasty 

ś

ciernej.

w

w

w

.m

ic

ro

m

a

g

a

z

in

e

.c

o

m

/a

rc

h

iv

e

/9

8

/0

2

/d

e

n

n

is

o

n

.h

tm

background image

6

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

31

- Mied

ź

 jest osadzana metodami 

galwanicznymi lub za pomoc

ą

 CVD 

- ze wzgl

ę

du na wysok

ą

 dyfuzyjno

ść

 

miedzi oraz słab

ą

 adhezj

ę

 do SiO

2

stosuje si

ę

 dodatkow

ą

 warstw

ę

 TaN 

(azotku tantalu) 

- warstwy metalizacji s

ą

 

wykonywane za pomoc

ą

 tzw. 

podwójnego procesu 
damasce

ń

skiego, obejmuj

ą

cego 1 

proces fotolitografii dla przej

ść

 

pomi

ę

dzy poziomami (via) oraz 1 

proces fotolitografii dla danego 
poziomu matelizacji

- podobnie jak w przypadku 
metalizacji wolframem do ka

ż

dej 

warstwy stosowane jest polerowanie 
chemiczno -mechaniczn

ą

CVD – mied

ź

CVD – mied

ź

h

tt

p

:/

/w

w

w

.i

u

e

.t

u

w

ie

n

.a

c

.a

t/

p

h

d

/s

a

b

e

lk

a

/i

m

g

2

0

.p

n

g

pasywacja

mied

ź

SiO

2

półprzewodnik

bariera trawienia

bariera dyfuzji

wolfram

polisilikon

9. Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

32

Porównanie zastosowa

ń

 metod osadzania

Porównanie zastosowa

ń

 metod osadzania

Metoda osadzania

PECVD

APCVD

LPCVD

LPCVD

Temp. procesu 

[

o

C]

100 - 350

300 - 500

300 - 500

500 - 900

Materiały

Si

3

N

4

SiO

2

BPSG

SiO

2

PSG

BPSG

SiO

2

PSG

poli-Si, W,

SiO

2

PSG/BPSG

SiN

4

Zastosowanie

pasywacja 

izolacja

pasywacja 

izolacja

pasywacja 

izolacja

metal bramki 

pasywacja 

izolacja

Wydajno

ść

mała

du

ż

a

du

ż

a

du

ż

a

Pokrycie uskoków

słabe

słabe

słabe

równomierne

Wtr

ą

cenia

liczne

liczne

nieliczne

nieliczne

Jako

ść

 warstw

słaba

dobra

dobra

b. dobra

R

Be

c

k

 T

e

c

h

n

o

lo

g

ia

 k

rz

e

m

o

w

a

P

W

N

 1

9

9

1