Jaké jsou rozdíly mezi epitaxí a CVD

V procesu nanášení tenkých vrstev při výrobě čipů se často zmiňují dvě technologie společně, přesto se zásadně liší – epitaxe a chemické nanášení par. Jsou jako bratranci, oba patří do rodiny „růstu páry“, ale s odlišnými vlastnostmi a přednostmi. Někdy jsou jasně oddělené; jindy se mohou přeměnit jedna v druhou a koexistovat za specifických podmínek.

I. Základní rozdíl: Jedním je kopírování, druhým je graffiti

Chemická depozice z plynné fáze (CVD) je nejběžnější metodou depozice tenkých vrstev. Jeho princip je jednoduchý: plyn obsahující cílový prvek se zavede do reakční komory, kde na zahřátém povrchu destičky dojde k chemické reakci, která vytvoří pevný tenký film. Filmy generované CVD mohou být polykrystalické, amorfní nebo monokrystalické v závislosti na podmínkách procesu. Je to jako malování stěny – bez ohledu na krystalickou strukturu stěny barva jednoduše ztuhne do filmu. CVD-deponovaný oxid křemičitý, nitrid křemíku, polykrystalický křemík atd. nemají přísné požadavky na přizpůsobení mřížky se substrátem.

Epitaphing je na druhé straně „ušlechtilou větví“ v rodině CVD. Jeho požadavky jsou mnohem přísnější: nanesený film musí mít stejnou krystalovou strukturu a orientaci jako substrát, přičemž atomy „rostou“ vrstvu po vrstvě, aby dokonale replikovaly mřížkové uspořádání substrátu. Epitaxe je jako používat stejnou šablonu ke kopírování cihel – nově postavená zeď musí dokonale zarovnat spoje cihel staré zdi. Epitaxní vrstvy jsou typicky monokrystalický křemík, germaniový křemík, karbid křemíku atd., používané ke konstrukci klíčových struktur, jako je aktivní oblast a heteropřechody tranzistorů.

Jednoduše řečeno, každá epitaxe je CVD, ale ne všechna CVD je epitaxe. Epitaxe je způsob "replikace jednoho krystalu" CVD dosažený za specifických podmínek.

II. Rozdíly v podmínkách procesu

CVD má velmi široké procesní okno. Teploty se mohou pohybovat od pokojové teploty po tisíce stupňů Celsia, tlaky od atmosférického tlaku po několik Pascalů a druhy plynů jsou extrémně rozmanité. Jakýkoli proces, který umožňuje plynu reagovat a vytvářet pevný tenký film, lze nazvat CVD. Plazmou vylepšené CVD může ukládat nitrid křemíku při 300-400 °C, nízkotlaké CVD při 600-700 °C a CVD při atmosférickém tlaku při teplotách nad 900 °C a ukládat oxid křemičitý. CVD nemá téměř žádné požadavky na substrát – lze nanášet křemík, sklo, kovy a dokonce i plasty (za nízkých teplot).

Epitaphing má na druhou stranu mnohem užší procesní okno. Pro vypěstování dokonalé monokrystalické vrstvy musí být splněny tři přísné podmínky.

Za prvé, substrát musí být monokrystalický. Epitaxní vrstva je pokračováním krystalové mřížky substrátu; pokud je samotný substrát polykrystalický nebo amorfní, nemůže narůst monokrystalická epitaxní vrstva.

Za druhé, teplota musí být dostatečně vysoká. Pro křemíkovou epitaxi je teplota typicky 1000-1200 °C; pro epitaxi karbidu křemíku může teplota dosáhnout i 1500-1600°C. Vysoká teplota zajišťuje dostatečnou povrchovou pohyblivost pro adsorbované atomy, což jim umožňuje najít jejich správné polohy v krystalové mřížce.

Za třetí, tempo růstu musí být pomalé. Příliš vysoká rychlost by způsobila, že by atomy neměly dostatek času na „seřazení“, což by mělo za následek polykrystalické struktury nebo defekty. Typické rychlosti růstu pro křemíkovou epitaxi jsou 0,1 až 1 mikrometr za minutu, zatímco CVD depozice polykrystalického křemíku může snadno dosáhnout 10 mikrometrů za minutu.

Kromě toho epitaxe vyžaduje extrémně vysokou čistotu komory; jakýkoli atom nečistoty se může stát centrem defektu, což narušuje integritu monokrystalu.

III. Vzájemná konverze

Za určitých podmínek mohou být epitaxe a CVD vzájemně přeměněny.

Od CVD k epitaxi: Pokud je substrátem monokrystalický křemík a teplota depozice je dostatečně vysoká a rychlost růstu je dostatečně pomalá, lze proces CVD, který by normálně produkoval polykrystalický křemík, přeměnit na monokrystalickou epitaxi. Například depozice se silanem pod 900 °C poskytuje polykrystalický křemík; zvýšení teploty na 1050 °C při současném snížení parciálního tlaku silanu umožňuje růst monokrystalické epitaxní vrstvy na monokrystalickém křemíkovém substrátu. To je základní princip epitaxního růstu – zvýšením rychlosti povrchové difúze mají atomy příležitost „najít“ pozice mřížky.

Od epitaxe k CVD: Pokud teplota není dostatečně vysoká nebo je rychlost růstu příliš rychlá, epitaxní proces „degeneruje“ do polykrystalické nebo amorfní depozice. Například pokus o epitaxní růst křemíku při nízkých teplotách může vést k amorfnímu křemíku; epitaxe při vysokých rychlostech může zavést polykrystalické složky. V průmyslu se tato „degradace“ někdy záměrně využívá k pěstování tenkých vrstev polykrystalického křemíku. Například při plnění příkopů se vrstva amorfního křemíku nejprve nanese při nízké teplotě jako pufr a poté se žíhá při vysoké teplotě, aby došlo ke krystalizaci.

IV. Soužití a symbióza

V pokročilých výrobních procesech epitaxe a CVD často koexistují ve stejném zařízení a dokonce spolupracují ve stejném kroku procesu.

Typickým příkladem je selektivní epitaxe. V procesech zdroje-drain lift musí být epitaxní křemík selektivně pěstován v exponovaných oblastech monokrystalického křemíku, zatímco v oblastech izolace oxidu křemičitého nebo nitridu křemíku nic neroste. Tento proces je ve skutečnosti „soutěží“ mezi epitaxí a CVD – na povrchu monokrystalického křemíku mohou atomy rychle migrovat a najít pozice mřížky, aby vytvořily epitaxní vrstvu; na izolačních površích je atomová nukleace pomalá a finální nanesený polykrystalický nebo amorfní materiál může být selektivně odleptán.

Kontinuální depozice epitaxe a polykrystaliky: Při výrobě 3D NAND je někdy nutné nejprve epitaxně narůst monokrystalický křemík jako zárodečnou vrstvu a poté přepnout do režimu CVD pro uložení polykrystalického křemíku k vyplnění příkopů. Stejné epitaxní zařízení může libovolně přepínat mezi monokrystalickým a polykrystalickým režimem úpravou poměru teploty a plynu.

Epitaxe + depozice v technologii napjatého křemíku: Germániový křemík je epitaxně pěstován ve zdrojové a odtokové oblasti PMOS a současně je na něj nanášena zátěžová podložka z nitridu křemíku. Oba spolupracují na zavedení tlakového napětí kanálu a zlepšení mobility otvoru.

V. Závěr

Epitaxe a CVD představují dva odlišné přístupy: jeden, snaha o „dokonalou replikaci na atomové úrovni“, a druhý, pragmatismus „účinné tvorby filmu“. Sdílejí základní principy chemických reakcí v plynné fázi, přesto se výrazně liší, pokud jde o kvalitu krystalů, teplotní okno a rychlost růstu. Úpravou teploty a rychlosti je lze vzájemně převádět; díky důmyslnému návrhu procesu mohou koexistovat na jediném zařízení a pracovat ve stejném procesu. Právě tato harmonická spolupráce mezi těmito dvěma bratranci umožňuje čipům vlastnit dokonalé monokrystalické kanály a hustá polykrystalická hradla a izolační dielektrické vrstvy, které podporují velkolepou stavbu miliard tranzistorů spolupracujících společně.

Semicorex nabízí vysokou kvalituProdukty CVD povlaků. Pokud máte nějaké dotazy nebo potřebujete další podrobnosti, neváhejte nás kontaktovat.

Kontaktní telefon +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com