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).

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

y

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
gł

ę

bokich uskoków

PECVD

HDPCVD

In

te

l

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)

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

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

4

=> 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

2

=> 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

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

O

[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

[

Ω

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

l

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