Vad är skillnaderna mellan epitaxi och CVD

I tunnfilmsavsättningsprocessen för chiptillverkning nämns ofta två tekniker tillsammans, men de är fundamentalt olika - epitaxi och kemisk ångavsättning. De är som kusiner, båda tillhörande familjen "vapor growth", men med distinkta egenskaper och styrkor. Ibland är de tydligt åtskilda; andra gånger kan de förvandlas till varandra och samexistera under specifika förhållanden.

I. Grundläggande skillnad: den ena är kopiering, den andra är graffiti

Chemical Vapor Deposition (CVD) är den vanligaste metoden för tunnfilmsavsättning. Dess princip är enkel: en gas som innehåller målelementet införs i en reaktionskammare, där en kemisk reaktion sker på den uppvärmda skivans yta, vilket genererar en solid tunn film. CVD-genererade filmer kan vara polykristallina, amorfa eller enkelkristallina, beroende på processbetingelserna. Det är som att måla en vägg – oavsett väggens kristallstruktur stelnar färgen helt enkelt till en film. CVD-avsatt kiseldioxid, kiselnitrid, polykristallint kisel etc. har inga strikta gittermatchningskrav med substratet.

Epitaphing, å andra sidan, är en "ädel gren" i CVD-familjen. Dess krav är mycket strängare: den avsatta filmen måste ha samma kristallstruktur och orientering som substratet, med atomer som "växer" lager för lager för att perfekt replikera substratets gitterarrangemang. Epitaxi är som att använda samma mall för att kopiera tegelstenar - den nybyggda väggen måste passa in tegelfogarna på den gamla väggen perfekt. Epitaxiella skikt är typiskt enkelkristallint kisel, germaniumkisel, kiselkarbid, etc., som används för att konstruera nyckelstrukturer såsom den aktiva regionen och heteroövergångar av transistorer.

Enkelt uttryckt är all epitaxi CVD, men inte all CVD är epitaxi. Epitaxi är en "enkristallreplikation"-mod av CVD som uppnås under specifika förhållanden.

II. Skillnader i processförhållanden

CVD har ett mycket brett processfönster. Temperaturer kan variera från rumstemperatur till tusentals grader Celsius, tryck från atmosfärstryck till några Pascal, och typerna av gaser är extremt olika. Varje process som gör att en gas kan reagera och bilda en fast tunn film kan kallas CVD. Plasmaförstärkt CVD kan avsätta kiselnitrid vid 300-400°C, lågtrycks-CVD vid 600-700°C och atmosfärstryck-CVD vid temperaturer över 900°C, vilket avsätter kiseldioxid. CVD har nästan inga krav på underlaget – kisel, glas, metaller och till och med plast (under låga temperaturer) kan alla avsättas.

Epitaphing, å andra sidan, har ett mycket smalare processfönster. För att odla ett perfekt enkristalllager måste tre stränga villkor uppfyllas.

Först måste substratet vara enkristall. Det epitaxiella skiktet är en fortsättning på substratets kristallgitter; om själva substratet är polykristallint eller amorft, kan ett epitaxiellt enkristallskikt inte odlas.

För det andra måste temperaturen vara tillräckligt hög. För kiselepitaxi är temperaturen typiskt 1000-1200°C; för kiselkarbidepitaxi kan temperaturen till och med nå 1500-1600°C. Den höga temperaturen ger tillräcklig ytrörlighet för de adsorberade atomerna, vilket gör att de kan hitta sina korrekta positioner i kristallgittret.

För det tredje måste tillväxttakten vara långsam. För hög hastighet skulle göra att atomerna inte har tillräckligt med tid att "ställa upp", vilket resulterar i polykristallina strukturer eller defekter. Typiska tillväxthastigheter för kiselepitaxi är 0,1-1 mikrometer per minut, medan CVD-avsättning av polykristallint kisel lätt kan nå 10 mikrometer per minut.

Dessutom kräver epitaxi extremt hög renhet av kammaren; vilken föroreningsatom som helst kan bli ett defektcentrum, vilket äventyrar enkristallens integritet.

III. Interkonvertering

Under vissa förhållanden kan epitaxi och CVD interkonverteras.

Från CVD till epitaxi: Om substratet är monokristallint kisel, och avsättningstemperaturen är tillräckligt hög och tillväxthastigheten är tillräckligt långsam, kan CVD-processen, som normalt skulle producera polykristallint kisel, omvandlas till monokristallin epitaxi. Till exempel ger avsättning med silan under 900°C polykristallint kisel; höjning av temperaturen till 1050°C samtidigt som silanpartialtrycket sänks möjliggör tillväxt av ett monokristallint epitaxiellt skikt på ett monokristallint kiselsubstrat. Detta är den grundläggande principen för epitaxiell tillväxt - genom att öka ytdiffusionshastigheten har atomer möjlighet att "hitta" gitterpositioner.

Från epitaxi till CVD: Om temperaturen inte är tillräckligt hög, eller tillväxthastigheten är för snabb, kommer den epitaxiella processen att "degenerera" till polykristallin eller amorf avsättning. Till exempel kan försök att epitaxiellt odla kisel vid låga temperaturer resultera i amorft kisel; epitaxi vid höga hastigheter kan introducera polykristallina komponenter. Inom industrin används denna "nedbrytning" ibland medvetet för att odla tunna polykristallina kiselfilmer. Till exempel, vid dikesfyllning, avsätts ett skikt av amorft kisel först vid en låg temperatur som en buffert och glödgas sedan vid en hög temperatur för att kristallisera det.

IV. Samlevnad och symbios

I avancerade tillverkningsprocesser samexisterar ofta epitaxi och CVD i samma utrustning, och samarbetar till och med i samma processsteg.

Selektiv epitaxi är ett typiskt exempel. I käll-avloppslyftprocesser måste epitaxiellt kisel selektivt odlas i exponerade monokristallina kiselregioner, medan ingenting växer i kiseldioxid- eller kiselnitridisoleringsområden. Denna process är faktiskt en "konkurrens" mellan epitaxi och CVD - på ytan av monokristallint kisel kan atomer migrera snabbt och hitta gitterpositioner för att bilda ett epitaxiellt lager; på isolerande ytor är atomkärnbildningen långsam och det slutliga avsatta polykristallina eller amorfa materialet kan selektivt etsas bort.

Kontinuerlig avsättning av epitaxi och polykristallint: Vid 3D NAND-tillverkning är det ibland nödvändigt att först epitaxiellt odla monokristallint kisel som ett frölager och sedan byta till CVD-läge för att deponera polykristallint kisel för att fylla diken. Samma epitaxiella utrustning kan fritt växla mellan monokristallina och polykristallina lägen genom att justera temperaturen och gasförhållandet.

Epitaxi + Deposition i Strained Silicon Technology: Germaniumkisel odlas epitaxiellt i käll- och dräneringsregionerna av PMOS, och en kiselnitrid-spänningsdyna avsätts samtidigt CVD på den. De två arbetar tillsammans för att introducera kanalkompressionsspänning och förbättra hålrörligheten.

V. Slutsats

Epitaxi och CVD representerar två distinkta tillvägagångssätt: en, strävan efter "perfekt replikering på atomnivå" och den andra, pragmatismen med "effektiv filmbildning". De delar de grundläggande principerna för kemiska reaktioner i gasfas, men skiljer sig markant när det gäller kristallkvalitet, temperaturfönster och tillväxthastighet. Genom att justera temperatur och hastighet kan de omvandlas; genom genialisk processdesign kan de samexistera på en enda enhet och arbeta i samma process. Det är detta harmoniska samarbete mellan dessa två kusiner som tillåter chips att ha både perfekta enkristallkanaler och täta polykristallina grindar och isolerande dielektriska skikt, vilket stöder den magnifika byggnaden av miljarder transistorer som arbetar tillsammans.

Semicorex erbjuder hög kvalitetCVD-beläggningsprodukter. Om du har några frågor eller behöver ytterligare information, tveka inte att kontakta oss.

Kontakta telefonnummer +86-13567891907

E-post: sales@semicorex.com