Какви са разликите между епитаксия и CVD

В процеса на отлагане на тънък слой при производството на чипове две технологии често се споменават заедно, но те са фундаментално различни – епитаксия и химическо отлагане на пари. Те са като братовчеди, и двамата принадлежат към семейството на "парен растеж", но с различни характеристики и силни страни. Понякога те са ясно разделени; друг път те могат да се трансформират един в друг и да съществуват съвместно при определени условия.

I. Фундаментална разлика: Едното е копиране, другото е графити

Химичното отлагане на газове (CVD) е най-разпространеният метод за отлагане на тънък слой. Принципът му е прост: газ, съдържащ целевия елемент, се въвежда в реакционна камера, където протича химическа реакция върху нагрятата повърхност на пластината, генерирайки твърд тънък филм. Филмите, генерирани от CVD, могат да бъдат поликристални, аморфни или монокристални, в зависимост от условията на процеса. Това е като боядисване на стена – независимо от кристалната структура на стената, боята просто се втвърдява във филм. CVD отложен силициев диоксид, силициев нитрид, поликристален силиций и т.н. нямат строги изисквания за съвпадение на решетката със субстрата.

Епитафирането, от друга страна, е "благороден клон" в семейството на CVD. Изискванията му са много по-строги: отложеният филм трябва да има същата кристална структура и ориентация като субстрата, с атоми, които "растат" слой по слой, за да възпроизведат идеално подреждането на решетката на субстрата. Епитаксията е като да използвате един и същ шаблон за копиране на тухли - новоизградената стена трябва перфектно да подравни тухлените фуги на старата стена. Епитаксиалните слоеве обикновено са монокристален силиций, германиев силиций, силициев карбид и др., използвани за конструиране на ключови структури като активната област и хетеропреходите на транзисторите.

Просто казано, всяка епитаксия е CVD, но не всяка CVD е епитаксия. Епитаксията е режим на "монокристална репликация" на CVD, постигнат при специфични условия.

II. Разлики в условията на процеса

CVD има много широк прозорец на процеса. Температурите могат да варират от стайна температура до хиляди градуси по Целзий, налягането от атмосферно налягане до няколко паскала, а видовете газове са изключително разнообразни. Всеки процес, който позволява газ да реагира и да образува твърд тънък филм, може да се нарече CVD. Усиленото с плазма CVD може да отлага силициев нитрид при 300-400°C, CVD при ниско налягане при 600-700°C и CVD при атмосферно налягане при температури над 900°C, отлагайки силициев диоксид. CVD няма почти никакви изисквания към субстрата - силиций, стъкло, метали и дори пластмаси (при условия на ниска температура) могат да бъдат отложени.

Епитафирането, от друга страна, има много по-тесен прозорец на процеса. За да се създаде перфектен монокристален слой, трябва да бъдат изпълнени три строги условия.

Първо, субстратът трябва да е монокристален. Епитаксиалният слой е продължение на кристалната решетка на субстрата; ако самият субстрат е поликристален или аморфен, монокристален епитаксиален слой не може да бъде отгледан.

Второ, температурата трябва да е достатъчно висока. За силиконова епитаксия температурата обикновено е 1000-1200°C; за епитаксия със силициев карбид температурата може дори да достигне 1500-1600°C. Високата температура осигурява достатъчна подвижност на повърхността на адсорбираните атоми, което им позволява да намерят правилните си позиции в кристалната решетка.

Трето, темпът на растеж трябва да е бавен. Твърде бързата скорост би накарала атомите да нямат достатъчно време да се „подредят“, което води до поликристални структури или дефекти. Типичните скорости на растеж за силициева епитаксия са 0,1-1 микрометра в минута, докато CVD отлагането на поликристален силиций може лесно да достигне 10 микрометра в минута.

Освен това епитаксията изисква изключително висока чистота на камерата; всеки примесен атом може да се превърне в дефектен център, компрометирайки целостта на единичния кристал.

III. Взаимопреобразуване

При определени условия епитаксията и CVD могат да се преобразуват взаимно.

От CVD до епитаксия: Ако субстратът е монокристален силиций и температурата на отлагане е достатъчно висока и скоростта на растеж е достатъчно бавна, процесът CVD, който обикновено произвежда поликристален силиций, може да се трансформира в монокристален епитаксия. Например отлагане със силан под 900°C дава поликристален силиций; повишаване на температурата до 1050°C при понижаване на парциалното налягане на силана позволява растеж на монокристален епитаксиален слой върху монокристален силициев субстрат. Това е основният принцип на епитаксиалния растеж - чрез увеличаване на скоростта на повърхностна дифузия, атомите имат възможност да "намерят" позиции на решетката.

От епитаксия до CVD: Ако температурата не е достатъчно висока или скоростта на растеж е твърде бърза, епитаксиалният процес ще се "изроди" в поликристално или аморфно отлагане. Например опитът за епитаксиално отглеждане на силиций при ниски температури може да доведе до аморфен силиций; епитаксия при високи скорости може да въведе поликристални компоненти. В промишлеността това "разграждане" понякога се използва умишлено за отглеждане на тънки филми от поликристален силиций. Например, при запълване на изкопи, слой от аморфен силиций първо се отлага при ниска температура като буфер и след това се отгрява при висока температура, за да кристализира.

IV. Съжителство и симбиоза

В усъвършенстваните производствени процеси епитаксията и CVD често съществуват едновременно в едно и също оборудване и дори си сътрудничат в една и съща стъпка на процеса.

Селективната епитаксия е типичен пример. При процесите на повдигане източник-оттичане, епитаксиалният силиций трябва да се отглежда селективно в открити монокристални силициеви региони, докато нищо не расте в изолирани региони от силициев диоксид или силициев нитрид. Този процес всъщност е "конкуренция" между епитаксия и CVD - на повърхността на монокристален силиций, атомите могат да мигрират бързо и да намерят позиции на решетката, за да образуват епитаксиален слой; върху изолиращи повърхности атомното зараждане е бавно и крайният отложен поликристален или аморфен материал може да бъде селективно гравиран.

Непрекъснато отлагане на епитаксия и поликристален: При производството на 3D NAND понякога е необходимо първо да се отгледа епитаксиално монокристален силиций като зародишен слой и след това да се превключи към режим CVD, за да се отложи поликристален силиций за запълване на канали. Същото епитаксиално оборудване може свободно да превключва между монокристален и поликристален режим чрез регулиране на съотношението температура и газ.

Епитаксия + отлагане в технология на напрегнат силиций: Германиевият силиций се отглежда епитаксиално в областите на източника и дренажа на PMOS и върху него едновременно се отлага CVD подложка от силициев нитрид. Двамата работят заедно, за да въведат напрежение на натиск в канала и да подобрят подвижността на отворите.

V. Заключение

Епитаксията и CVD представляват два различни подхода: единият, стремежът към "перфектна репликация на атомно ниво", а другият, прагматизмът на "ефективното образуване на филми". Те споделят основните принципи на химичните реакции в газовата фаза, но се различават значително по отношение на качеството на кристалите, температурния прозорец и скоростта на растеж. Чрез регулиране на температурата и скоростта те могат да се преобразуват; чрез гениален дизайн на процеса, те могат да съществуват съвместно на едно устройство и да работят в един и същи процес. Именно това хармонично сътрудничество между тези двама братовчеди позволява на чиповете да притежават както перфектни монокристални канали, така и плътни поликристални портове и изолиращи диелектрични слоеве, поддържащи великолепната сграда от милиарди транзистори, работещи заедно.

Semicorex предлага високо качествоПродукти за CVD покритие. Ако имате запитвания или се нуждаете от допълнителни подробности, моля не се колебайте да се свържете с нас.

Телефон за връзка +86-13567891907

Имейл: sales@semicorex.com