Wat zijn de verschillen tussen epitaxie en CVD

Bij het dunnefilmdepositieproces bij de productie van chips worden twee technologieën vaak samen genoemd, maar toch zijn ze fundamenteel verschillend: epitaxie en chemische dampdepositie. Ze lijken op neven en nichten, beide behorend tot de ‘dampgroei’-familie, maar met verschillende kenmerken en sterke punten. Soms zijn ze duidelijk gescheiden; andere keren kunnen ze in elkaar veranderen en naast elkaar bestaan ​​onder specifieke omstandigheden.

I. Fundamenteel verschil: de ene is kopiëren, de andere is graffiti

Chemical Vapour Deposition (CVD) is de meest gebruikelijke depositiemethode voor dunne films. Het principe is eenvoudig: een gas dat het doelelement bevat, wordt in een reactiekamer gebracht, waar een chemische reactie plaatsvindt op het verwarmde waferoppervlak, waardoor een stevige dunne film ontstaat. Door CVD gegenereerde films kunnen polykristallijn, amorf of enkelkristallijn zijn, afhankelijk van de procesomstandigheden. Het is net als het schilderen van een muur: ongeacht de kristalstructuur van de muur stolt de verf eenvoudigweg tot een film. CVD-afgezet siliciumdioxide, siliciumnitride, polykristallijn silicium, enz., hebben geen strikte roosteraanpassingseisen met het substraat.

Epitaphing daarentegen is een "nobele tak" in de CVD-familie. De eisen zijn veel strenger: de afgezette film moet dezelfde kristalstructuur en oriëntatie hebben als het substraat, waarbij atomen laag voor laag "groeien" om de roosteropstelling van het substraat perfect te repliceren. Epitaxie is als het gebruik van dezelfde sjabloon om stenen te kopiëren: de nieuw gebouwde muur moet perfect uitgelijnd zijn met de bakstenen voegen van de oude muur. Epitaxiale lagen zijn doorgaans enkelkristallijn silicium, germaniumsilicium, siliciumcarbide, enz., Die worden gebruikt om sleutelstructuren te construeren, zoals het actieve gebied en heterojuncties van transistors.

Simpel gezegd: alle epitaxie is CVD, maar niet alle CVD is epitaxie. Epitaxie is een "single-crystal replication"-modus van CVD die onder specifieke omstandigheden wordt bereikt.

II. Verschillen in procesomstandigheden

CVD heeft een zeer breed procesvenster. Temperaturen kunnen variëren van kamertemperatuur tot duizenden graden Celsius, druk van atmosferische druk tot enkele Pascal, en de soorten gassen zijn zeer divers. Elk proces waarbij een gas kan reageren en een vaste dunne film kan vormen, kan CVD worden genoemd. Met plasma versterkte CVD kan siliciumnitride afzetten bij 300-400°C, CVD bij lage druk bij 600-700°C, en CVD bij atmosferische druk bij temperaturen boven 900°C, waarbij siliciumdioxide wordt afgezet. CVD stelt vrijwel geen eisen aan het substraat: silicium, glas, metalen en zelfs kunststoffen (onder lage temperaturen) kunnen allemaal worden afgezet.

Epitaphing daarentegen heeft een veel smaller procesvenster. Om een ​​perfecte monokristallijne laag te laten groeien, moet aan drie strenge voorwaarden worden voldaan.

Ten eerste moet het substraat uit één kristal bestaan. De epitaxiale laag is een voortzetting van het kristalrooster van het substraat; als het substraat zelf polykristallijn of amorf is, kan er geen epitaxiale laag met één kristal groeien.

Ten tweede moet de temperatuur hoog genoeg zijn. Voor siliciumepitaxie is de temperatuur typisch 1000-1200°C; voor siliciumcarbide-epitaxie kan de temperatuur zelfs 1500-1600°C bereiken. De hoge temperatuur zorgt voor voldoende oppervlaktemobiliteit voor de geadsorbeerde atomen, waardoor ze hun juiste positie in het kristalrooster kunnen vinden.

Ten derde moet het groeitempo laag zijn. Een te hoge snelheid zou ervoor zorgen dat de atomen niet genoeg tijd hebben om op één lijn te komen, wat resulteert in polykristallijne structuren of defecten. Typische groeisnelheden voor siliciumepitaxie zijn 0,1-1 micrometer per minuut, terwijl CVD-afzetting van polykristallijn silicium gemakkelijk 10 micrometer per minuut kan bereiken.

Bovendien vereist epitaxie een extreem hoge reinheid van de kamer; elk onzuiverheidsatoom kan een defectcentrum worden, waardoor de integriteit van het enkele kristal in gevaar komt.

III. Interconversie

Onder bepaalde omstandigheden kunnen epitaxie en CVD onderling worden omgezet.

Van CVD naar epitaxie: Als het substraat monokristallijn silicium is en de afzettingstemperatuur hoog genoeg is en de groeisnelheid langzaam genoeg is, kan het CVD-proces, dat normaal gesproken polykristallijn silicium zou produceren, worden omgezet in monokristallijne epitaxie. Depositie met silaan beneden 900°C levert bijvoorbeeld polykristallijn silicium op; het verhogen van de temperatuur tot 1050°C terwijl het verlagen van de partiële silaandruk de groei mogelijk maakt van een monokristallijne epitaxiale laag op een monokristallijn siliciumsubstraat. Dit is het fundamentele principe van epitaxiale groei: door de diffusiesnelheid aan het oppervlak te vergroten, hebben atomen de mogelijkheid om roosterposities te 'vinden'.

Van epitaxie naar CVD: Als de temperatuur niet hoog genoeg is, of de groeisnelheid te snel is, zal het epitaxiale proces "degenereren" tot polykristallijne of amorfe afzetting. Pogingen om silicium epitaxiaal te laten groeien bij lage temperaturen kunnen bijvoorbeeld resulteren in amorf silicium; epitaxie bij hoge snelheden kan polykristallijne componenten introduceren. In de industrie wordt deze "degradatie" soms opzettelijk gebruikt om dunne films van polykristallijn silicium te laten groeien. Bij het vullen van sleuven wordt bijvoorbeeld eerst een laag amorf silicium als buffer bij een lage temperatuur afgezet en vervolgens bij een hoge temperatuur uitgegloeid om het te kristalliseren.

IV. Coëxistentie en symbiose

In geavanceerde productieprocessen bestaan ​​epitaxie en CVD vaak naast elkaar in dezelfde apparatuur, en werken ze zelfs samen in dezelfde processtap.

Selectieve epitaxie is een typisch voorbeeld. Bij source-drain-liftprocessen moet epitaxiaal silicium selectief worden gegroeid in blootgestelde monokristallijne siliciumgebieden, terwijl er niets groeit in siliciumdioxide- of siliciumnitride-isolatiegebieden. Dit proces is eigenlijk een "competitie" tussen epitaxie en CVD: op het oppervlak van monokristallijn silicium kunnen atomen snel migreren en roosterposities vinden om een ​​epitaxiale laag te vormen; op isolerende oppervlakken is de atomaire kiemvorming langzaam en kan het uiteindelijk afgezette polykristallijne of amorfe materiaal selectief worden weggeëtst.

Continue afzetting van epitaxie en polykristallijn: Bij 3D NAND-productie is het soms nodig om eerst monokristallijn silicium als kiemlaag epitaxiaal te laten groeien en vervolgens over te schakelen naar de CVD-modus om polykristallijn silicium af te zetten om sleuven te vullen. Dezelfde epitaxiale apparatuur kan vrijelijk schakelen tussen monokristallijne en polykristallijne modi door de temperatuur en gasverhouding aan te passen.

Epitaxie + afzetting in gespannen siliciumtechnologie: Germanium-silicium wordt epitaxiaal gegroeid in de bron- en afvoergebieden van PMOS, en tegelijkertijd wordt er een siliciumnitride-spanningskussen op afgezet. De twee werken samen om kanaaldrukspanning te introduceren en de gatmobiliteit te verbeteren.

V. Conclusie

Epitaxie en CVD vertegenwoordigen twee verschillende benaderingen: de ene, het streven naar 'perfecte replicatie op atomair niveau', en de andere, het pragmatisme van 'efficiënte filmvorming'. Ze delen de fundamentele principes van chemische reacties in de gasfase, maar lopen aanzienlijk uiteen in termen van kristalkwaliteit, temperatuurbereik en groeisnelheid. Door de temperatuur en snelheid aan te passen, kunnen ze onderling worden omgezet; Dankzij een ingenieus procesontwerp kunnen ze naast elkaar op één apparaat bestaan ​​en in hetzelfde proces werken. Het is deze harmonieuze samenwerking tussen deze twee neven die ervoor zorgt dat chips zowel perfecte monokristallijne kanalen als dichte polykristallijne poorten en isolerende diëlektrische lagen kunnen bezitten, die het prachtige gebouw van miljarden samenwerkende transistors ondersteunen.

Semicorex biedt hoogwaardige kwaliteitCVD-coatingproducten. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Neem contact op met telefoonnummer +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com