Halbleiterprozesse und -ausrüstung: Prozesse und Ausrüstung für die Dünnschichtabscheidung

Bei der Dünnschichtabscheidung wird ein Film in Nanogröße auf dem Substrat abgeschieden. Anschließend werden durch wiederholte Prozesse wie Ätzen und Polieren viele gestapelte leitende oder isolierende Schichten hergestellt, und jede Schicht weist ein entworfenes Schaltkreismuster auf. Auf diese Weise werden Halbleiterbauteile und Schaltkreise in Chips mit komplexer Struktur integriert.

Es gibt drei Hauptkategorien der Dünnschichtabscheidung:

◈ CVD (Chemische Gasphasenabscheidung)

◈ PVD (Phicial Vapour Deposition)

◈ ALD (Atomic Layer Deposition)

Schauen wir uns die Dünnschicht-Abscheidungstechnologien aus diesen drei Kategorien genauer an.

 

Chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren

Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wird durch thermische Zersetzung und/oder Reaktion gasförmiger Verbindungen ein dünner Film auf der Oberfläche eines Substrats gebildet. Zu den Filmschichtmaterialien, die mit dem CVD-Verfahren hergestellt werden können, gehören Karbid, Nitrid, Borid, Oxid, Sulfid, Selenid, Tellurid sowie einige Metallverbindungen, Legierungen usw.

Die chemische Gasphasenabscheidung ist derzeit eine wichtige mikroskopische Fertigungsmethode, da sie folgende Eigenschaften aufweist:

1. Breites Spektrum an Abscheidungen: Es können metallische und nichtmetallische Schichten abgeschieden werden, außerdem Schichten mit Mehrkomponentenlegierungen, je nach Bedarf auch Keramik- oder Verbundschichten.

2. Die CVD-Reaktion wird bei Atmosphärendruck oder niedrigem Vakuum durchgeführt, und die Beugung der Beschichtung ist gut und es können tiefe Löcher und feine Löcher auf Oberflächen mit komplexen Formen oder Werkstücken gleichmäßig beschichtet werden.

3. Es kann eine dünne Filmbeschichtung mit hoher Reinheit, guter Kompaktheit, geringer Restspannung und guter Kristallisation erhalten werden. Durch die gegenseitige Diffusion von Reaktionsgasen, Reaktionsprodukten und Substraten kann ein gut haftender Film erhalten werden, der für Oberflächenverstärkungsfilme wie Oberflächenpassivierung, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit wichtig ist.

4. Da die Temperatur, bei der der Film wächst, viel niedriger ist als der Schmelzpunkt des Filmmaterials, ist es möglich, eine hochreine, vollständig kristallisierte Filmschicht zu erhalten, die für einige Halbleiterbeschichtungen erforderlich ist.

5. Durch die Anpassung der Abscheidungsparameter können die chemische Zusammensetzung, Morphologie, Kristallstruktur und Korngröße der Umhüllung effektiv gesteuert werden.

6. Die Ausrüstung ist einfach, leicht zu bedienen und zu warten.

7. Die Reaktionstemperatur ist zu hoch, im Allgemeinen 850–1100 Grad, und viele Matrixmaterialien können der hohen Temperatur der CVD nicht standhalten. Zur Reduzierung der Abscheidetemperatur kann eine plasma- oder lasergestützte Technologie eingesetzt werden.

Der Prozess der chemischen Gasphasenabscheidung ist in drei wichtige Phasen unterteilt:

1, Das Reaktionsgas diffundiert zur Oberfläche der Matrix

2, Das Reaktionsgas wird auf der Oberfläche der Matrix adsorbiert

3. Auf der Oberfläche der Matrix kommt es zu einer chemischen Reaktion, bei der sich feste Ablagerungen bilden und die entstehenden Nebenprodukte in der Gasphase von der Oberfläche der Matrix abgelöst werden

Die häufigsten chemischen Gasphasenabscheidungsreaktionen sind: thermische Zersetzungsreaktion, chemische Synthesereaktion und chemische Transportreaktion. Die Hauptreaktionsprozesse der CVD sind wie folgt:
i). Polysilizium

SiH4 ->Si + 2h2 (600 Grad)

Abscheidungsgeschwindigkeit 100 - 200 nm/min

Phosphor (Phosphin), Bor (Diboran) oder Arsengas können zugesetzt werden. Polysilizium kann nach der Abscheidung auch mit Diffusionsgas dotiert werden.

ii).SiliziumKohlendioxid

SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 Grad)

SiO2 wird als Isolator- oder Passivierungsschicht verwendet. Um bessere Elektronenflusseigenschaften zu erzielen, wird üblicherweise Phosphor zugesetzt. Wenn Silizium in Sauerstoff vorhanden ist, wächst SiO2 thermisch. Sauerstoff entsteht aus Sauerstoff oder Wasserdampf. Die erforderliche Umgebungstemperatur beträgt 900 bis 1200 Grad. Die Oberfläche des Siliziumwafers nach der selektiven Oxidation ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Sowohl Sauerstoff als auch Wasser diffundieren durch das vorhandene SiO2 und verbinden sich mit Si zu zusätzlichem SiO2. Wasser (Dampf) diffundiert leichter als Sauerstoff und wächst daher mit Dampf viel schneller. Oxide werden verwendet, um eine Isolier- und Passivierungsschicht für die Bildung des Transistor-Gates bereitzustellen. Zur Bildung von Gates und dünnen Oxidschichten wird trockener Sauerstoff verwendet. Mithilfe von Dampf wird eine dicke Oxidschicht gebildet. Die isolierende Oxidschicht ist normalerweise etwa 1500 nm dick und die Gate-Schicht liegt normalerweise zwischen 200 nm und 500 nm.

iii). Siliziumnitrid

3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2

CVD-Ausrüstung für chemische Gasphasenabscheidung

Es gibt drei Grundtypen von CVD-Reaktoren:

◈ APCVD: Atmosphärendruck-CVD

◈ LPCVD: Niederdruck-CVD, LPCVD

◈ UHVCVD: Ultrahochvakuum-CVD

◈ LCVD: Laser-CVD

◈ MOCVD: Metallorganisches CVD

◈ CVD (PECVD

Das schematische Diagramm der Ausrüstung für den Niederdruck-CVD-Prozess ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Das folgende Diagramm zeigt den Aufbau einer ionenverstärkten CVD-Anlage, mit der Kohlenstoff abgeschieden und eine diamantähnliche Beschichtung hergestellt wird.

PVDVerfahren

Unter Vakuumbedingungen wird das Material auf der Oberfläche der Materialquelle (fest oder flüssig) durch physikalische Methoden in gasförmige Atome, Moleküle oder Teile verdampft, die zu Ionen ionisiert werden, und auf der Oberfläche der Matrix wird ein dünner Film mit einer besonderen Funktion abgeschieden durch einen Niederdruck-Gas- (oder Plasma-) Prozess. Mit der physikalischen Gasphasenabscheidung können nicht nur Metallfilme und Legierungsfilme, sondern auch Verbindungen, Keramiken, Halbleiter, Polymerfilme usw. abgeschieden werden. Das Grundprinzip der physikalischen Gasphasenabscheidungstechnologie kann in drei Prozessschritte unterteilt werden: (1) Verdampfung der Beschichtungsmaterial: Auch wenn das Beschichtungsmaterial verdampft, sublimiert oder zerstäubt wird, d. h. durch die Verdampfungsquelle des Beschichtungsmaterials. (2) Migration von Atomen, Molekülen oder Ionen des Beschichtungsmaterials: Nachdem die von der Vergasungsquelle gelieferten Atome, Moleküle oder Ionen kollidieren, werden verschiedene Reaktionen ausgelöst. (3) Abscheidung von plattierenden Atomen, Molekülen oder Ionen auf dem Substrat. Der Prozess der physikalischen Gasphasenabscheidungstechnologie ist schadstofffrei und erfordert nur wenige Verbrauchsmaterialien. Der Film ist gleichmäßig und dicht und die Bindungskraft mit dem Substrat ist stark. Die Technologie wird häufig in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Optik, Maschinenbau, Bauwesen, Leichtindustrie, Metallurgie, Materialien und anderen Bereichen eingesetzt und kann Beschichtungen mit verschleißfesten, korrosionsbeständigen, dekorativen, leitfähigen, isolierenden, lichtleitenden und piezoelektrischen Eigenschaften herstellen. Magnetismus, Schmierung, Supraleitung und andere Eigenschaften. Auch für die physikalische Gasphasenabscheidung gibt es eine Vielzahl von Verfahren:

◈ Dünnschicht-Vakuumbeschichtung

◈ PVD-Sputtern

◈ Ionenbeschichtung

Im Folgenden beschreiben wir die Prozesstechnologien für jede dieser drei Methodenarten.

◈ Dünnschicht-Vakuumbeschichtung

Prinzip:Dünnschicht-Vakuumbeschichtungist eine Technologie, die das Plattierungsziel unter Vakuumbedingungen erhitzt und verdampft, so dass eine große Anzahl von Atomen und Molekülen verdampft und das flüssige Plattierungsmaterial oder die feste Plattierungsoberfläche (oder Sublimation) verlässt und sich schließlich auf der Oberfläche des Plattierungsmaterials ablagert Substrat. Während des gesamten Prozesses wandern die gasförmigen Atome und Moleküle im Vakuum mit wenigen Kollisionen direkt zur Matrix und lagern sich auf der Oberfläche der Matrix ab, um einen dünnen Film zu bilden. Zu den Verdampfungsmethoden gehören Widerstandserwärmung, Hochfrequenz-Induktionserwärmung, Elektronenstrahl, Laserstrahl, hochenergetisches Beschussplattierungsmaterial mit Ionenstrahl usw.

Die Dünnschicht-Vakuumbeschichtung ist eine der ältesten PVD-Technologien.

Verdampfungsquelle:Das Beschichtungsmaterial wird auf die Verdampfungstemperatur erhitzt und verdampft. Diese Heizvorrichtung wird als Verdampfungsquelle bezeichnet. Die am häufigsten verwendeten Verdampfungsquellen sind Widerstandsverdampfungsquellen und Elektronenstrahl-Verdampfungsquellen. Zu den Verdampfungsquellen für spezielle Zwecke gehören Hochfrequenz-Induktionsheizung, Lichtbogenheizung, Strahlungsheizung, Laserheizungs-Verdampfungsquellen usw. Prozess: Der grundlegende Prozess des Vakuums Die Verdunstung ist wie folgt:

Vorbeschichtungsbehandlung: einschließlich Reinigung der Beschichtungsteile und Vorbehandlung. Zu den spezifischen Reinigungsmethoden gehören die Reinigung mit Reinigungsmitteln, die Reinigung mit chemischen Lösungsmitteln, die Ultraschallreinigung und die Reinigung durch Ionenbeschuss. Zu den spezifischen Vorbehandlungen gehören die Entfernung statischer Elektrizität, die Grundierung usw.

Ofenbeschickung: einschließlich Vakuumkammerreinigung, Reinigung von Galvanisierungsbügeln, Installation und Fehlerbehebung von Verdampfungsquellen und Beschichtung von Mänteln.

Vakuumieren: Im Allgemeinen wird beim ersten Grobpumpen auf mehr als 6,6 Pa die Vorstufen-Wartungsvakuumpumpe der Diffusionspumpe früher geöffnet und die Diffusionspumpe erwärmt. Nachdem die Vorwärmung ausreichend ist, öffnen Sie das Hochventil und pumpen es mit einer Diffusionspumpe auf ein Hintergrundvakuum von 6×10-3Pa.

Backen: Die plattierten Teile auf die gewünschte Temperatur backen.

Ionenbeschuss: Der Vakuumgrad beträgt im Allgemeinen 10Pa~10-1Pa, die Ionenbeschussspannung beträgt 200V~1kV negative Hochspannung und die Abflugzeit beträgt 5min~30min,

Vorschmelzen: Passen Sie den Strom an, um das Beschichtungsmaterial vorzuschmelzen und 1 bis 2 Minuten lang zu entgasen.

Verdampfungsabscheidung: Passen Sie den Verdampfungsstrom entsprechend den Anforderungen bis zum Ende der gewünschten Abscheidungszeit an. 8. Abkühlung: Die plattierten Teile werden in der Vakuumkammer auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt.

9. Ofen: Schließen Sie nach dem Entnehmen die Vakuumkammer, stellen Sie ein Vakuum auf 1×10-1Pa her und kühlen Sie die Diffusionspumpe auf die zulässige Temperatur ab, bevor Sie die Wartungspumpe und das Kühlwasser ausschalten.

◈ PVD-Sputtern

Unter Sputterbeschichtung versteht man die Verwendung von energieerhaltenen Partikeln (z. B. Argonionen), um die Oberfläche des Zielmaterials unter Vakuumbedingungen zu bombardieren, sodass die Atome auf der Oberfläche des Zielmaterials genügend Energie erhalten können, um zu entkommen. Dieser Prozess ist Sputtern genannt. Das gesputterte Target wird auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden, was als Sputterbeschichtung bezeichnet wird.

Argon (Ar)-Atome können zu Argonionen (Ar+) ionisiert werden, indem man Argon (Ar) in eine Vakuumumgebung einfüllt und Argon bei hoher Spannung entlädt. Unter der Wirkung der elektrischen Feldkraft beschleunigen die Argonionen den Beschuss des Kathodentargets aus Plattierungsmaterial, und das Target wird herausgesputtert und auf der Oberfläche des Werkstücks abgeschieden.

Die Sputterbeschichtung kann in Gleichstromsputtern, Hochfrequenzsputtern und Magnetronsputtern unterteilt werden, und die entsprechende Glimmentladungsspannungsquelle und das Steuerfeld sind Hochspannungsgleichstrom, Hochfrequenz-Wechselstrom (RF) bzw. Magnetronfeld (M).

Sputterbeschichtung, hohe Abscheidungsgeschwindigkeit, gute Prozesswiederholbarkeit, einfache Automatisierung, geeignet für großflächige architektonische Dekorationsbeschichtungen und funktionelle Beschichtungen von Industriematerialien. Sputterbeschichtungen spielen auch bei der Herstellung integrierter Schaltkreise und Halbleiterbauelemente eine wichtige Rolle.

Mit der Entwicklung von High-Tech- und aufstrebenden Industrien gibt es viele neue und fortschrittliche Highlights in der physikalischen Gasphasenabscheidungstechnologie, wie z. B. Multi-Arc-Ionenplattierung und Magnetron-Sputter-Kompatibilitätstechnologie, große rechteckige Langbogen-Targets und Sputter-Targets, Nichtgleichgewicht Magnetron-Sputtertargets, Twin-Target-Technologie, Bandschaum-Mehrlichtbogen-Abscheidungswickelbeschichtungstechnologie, Streifenfasergewebewickelbeschichtungstechnologie usw., der Einsatz kompletter Sätze von Beschichtungsgeräten bis hin zur computerautomatisierten Großchemie Entwicklung im Industriemaßstab.

◈ Ionenbeschichtung

Das Grundprinzip der Ionenbeschichtung besteht darin, die Plasmaionisationstechnologie unter Vakuumbedingungen zu nutzen, um die Atome des Beschichtungsmaterials teilweise in Ionen zu ionisieren und gleichzeitig viele hochenergetische neutrale Atome zu erzeugen. An das zu plattierende Substrat wird eine negative Vorspannung angelegt, so dass unter der Wirkung einer tiefen negativen Vorspannung Ionen auf der Oberfläche des Substrats abgelagert werden, um einen dünnen Film zu bilden.

Mit Hilfe der Inertgas-Glimmentladung sorgt die Ionenbeschichtung dafür, dass das Beschichtungsmaterial (z. B. metallisches Titan) vergast, verdampft und ionisiert, und die Ionen werden durch das elektrische Feld beschleunigt, um die Oberfläche des Werkstücks dabei mit höherer Energie zu bombardieren Wenn Kohlendioxid, Stickstoff und andere Reaktionsgase eingeleitet werden, können mit der Zeit TiC- und TiN-Deckschichten auf der Oberfläche des Werkstücks erhalten werden, und die Härte beträgt bis zu 2000 HV.

Die Ionenbeschichtung ist eines der am weitesten verbreiteten Beschichtungsverfahren im physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahren.

Seine Vorteile sind wie folgt:

①Die Haftung zwischen der Filmschicht und der Matrix ist stark und die Reaktionstemperatur ist niedrig.

②Die Filmschicht ist gleichmäßig und dicht.

③Gute Wicklungsplattierung unter negativem Vorspannungsdruck.

④Keine Kontamination.

⑤Eine Vielzahl von Substratmaterialien ist für die Ionenplattierung geeignet.

Mit der Entwicklung der Ionenbeschichtungstechnologie sind viele verschiedene Arten der Ionenbeschichtungstechnologie entstanden, wie zum Beispiel: reaktive Ionenbeschichtung, Plasmabeschichtung, Multi-Arc-Ionenbeschichtung usw. Ich werde sie hier nicht alle durchgehen.

PVDAusrüstung

Zu den Geräten für die physikalische Gasphasenabscheidung gehören Vakuum-Aufdampf-Beschichter, Vakuum-Sputter-Beschichter und Vakuum-Ionen-Beschichter. Die folgende Abbildung zeigt das Strukturprinzip des Vakuum-Aufdampf-Beschichters

Die folgende Abbildung zeigt das schematische Diagramm des Geräteaufbaus der Sputterbeschichtung

Die folgende Abbildung zeigt das schematische Strukturdiagramm der Ionenbeschichtungsanlage

ALDVerfahren

ALD: Atomic Layers Deposition ist eine hochpräzise Dünnschichtabscheidungstechnologie, die auf der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) basiert. Dabei handelt es sich um eine Technologie, bei der Materialmaterialien Schicht für Schicht auf der Oberfläche eines Substrats in Form eines einzelnen Atomfilms abgeschieden werden chemische Dampfphase. Im Gegensatz zur herkömmlichen CVD ist ALD eine Abscheidung, bei der die Reaktionsvorläufer abwechselnd abgeschieden werden und die chemische Reaktion des neuen Atomfilms direkt mit der vorherigen Schicht zusammenhängt, sodass nur eine Atomschicht entsteht wird bei jeder Reaktion abgeschieden.

Bei jeder Reaktion wird nur eine Atomschicht abgeschieden, was selbstlimitierend ist, sodass der Film konform und lochfrei auf dem Substrat abgeschieden werden kann. Dadurch kann die Dicke des Films durch Steuerung der Anzahl der Abscheidungszyklen präzise gesteuert werden.

Zu den ALD-abscheidbaren Materialien gehören Metalle, Oxide, Kohlenstoff (Stickstoff, Schwefel, Silizium), verschiedene Halbleitermaterialien und supraleitende Materialien. Da die integrierten Schaltkreise immer integrierter und kleiner werden, ersetzen Gate-Dielektrika mit hoher Dielektrizitätskonstante (High k) nach und nach herkömmliche Siliziumoxid-Gates, und das Seitenverhältnis wird immer größer, was höhere Anforderungen an die Stufenabdeckungsfähigkeit stellt Daher wird ALD zunehmend als neues Abscheidungsverfahren eingesetzt, das die oben genannten Anforderungen erfüllen kann.

Ein ALD-Zyklus kann in vier Schritte unterteilt werden:

Das erste Vorläufergas wird in das Substrat eingeleitet und es kommt zu einer Adsorption oder chemischen Reaktion an der Oberfläche des Substrats.

Restliches Gas mit Inertgas spülen;

Einführen des zweiten Vorläufergases; chemische Reaktion mit dem ersten Vorläufergas, das auf der Oberfläche der Matrix adsorbiert ist, um eine Beschichtung zu bilden, oder das Produkt reagiert mit dem ersten Vorläufer und der Matrix weiter, um eine Beschichtung zu bilden;

Waschen Sie das überschüssige Gas erneut mit Inertgas ab.

Merkmale und Vorteile der ALD-Technologie:

Hervorragende dreidimensionale Konformität: ALD erzeugt einen Film, der der Form des ursprünglichen Substrats entspricht, dh der Film kann gleichmäßig auf einer konkaven Oberfläche abgeschieden werden. Daher ist es für Substrate unterschiedlicher Form geeignet; Einheitlicher dreidimensionaler Film, konsistente Form und Konformität sind die einzigartigen Vorteile der ALD-Technologie.

Hohe Ebenheit: Die Oberfläche ist lochfrei und der Wachstumsmechanismus von unten nach oben bestimmt die lochfreie Beschaffenheit des Films, was für Blockierungs- und Passivierungsanwendungen wertvoll ist.

Hervorragende Haftung: Die chemische Adsorption des Vorläufers an der Substratoberfläche sorgt für eine hervorragende Haftung

Geringes Wärmebudget (niedrige Abscheidungstemperatur): Das Wachstum dünner Filme kann bei niedrigen Temperaturen (Raumtemperatur bis 400 Grad) durchgeführt werden, was für temperaturbeschränkte Polymergeräte und Biomaterialbeschichtungen sehr attraktiv ist

Hohe Genauigkeit: Die Dicke des Substratfilms kann einfach und präzise durch Steuerung des Reaktionszyklus gesteuert werden, und die Dickengenauigkeit des Films kann die Dicke eines Atoms erreichen.

ALD-Ausrüstung

Die Prozesstemperatur von ALD-Geräten beträgt 50~500 Grad, was unter Normaldruck möglich ist, tendenziell jedoch unter Niederdruckbedingungen (0,1–10 Torr) funktioniert. ALD kann je nach Energieversorgungsmethode in heiße Atomabscheidung und plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung (PEALD) unterteilt werden. Bei der thermischen ALD wird Wärmeenergie genutzt, um zwei oder mehr Vorläufer zur chemischen Reaktion anzuregen. Um eine ausreichende Reaktionsaktivierungsenergie bereitzustellen, arbeiten Geräte zur thermischen Atomlagenabscheidung im Allgemeinen im Bereich von 200 bis 500 Grad.

Das Bild unten zeigt ein Single-Wafer-ALD-Gerät

0020-24896 ABDECKRING 6" SST 101 AL

 

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