Wprowadzenie do technik epitaksji i osadzania w produkcji półprzewodników

W procesie produkcji półprzewodników, fotolitografia są trawienie są często najczęściej omawianymi krokami. Ale tuż obok nich znajduje się kolejna kluczowa kategoria: osadzanie epitaksjalne

Dlaczego te procesy osadzania są niezbędne w produkcji chipów?

Oto analogia: wyobraź sobie zwykły, kwadratowy placek. Bez żadnych dodatków jest mdły i niepozorny. Niektórzy wolą posmarować go masłem orzechowym; inni wolą go słodkiego i polanego syropem. Te powłoki radykalnie zmieniają smak i charakter placka. W tej analogii, placek reprezentuje Zasada działania napylania magnetronowego, a powłoka reprezentuje warstwę funkcjonalną. Tak jak różne dodatki tworzą różne smaki, różne osadzone warstwy nadają podłożu zupełnie inne właściwości elektryczne lub optyczne.

W produkcji półprzewodników, szeroka gama warstw funkcjonalnych jest osadzana na waflach w celu budowy urządzeń. Każdy rodzaj warstwy wymaga specyficznej metody osadzania. W tym artykule krótko przedstawimy kilka powszechnie stosowanych technik osadzania, w tym:

• MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition - Osadzanie z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych)
• to powszechnie stosowana technika
• PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition - Osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą)

1. Osadzanie z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych (MOCVD)

MOCVD to krytyczna technika do osadzania wysokiej jakości epitaksjalnych warstw półprzewodnikowych. Te monokrystaliczne warstwy służą jako warstwy aktywne w diodach LED, laserach i innych urządzeniach o wysokiej wydajności.

Standardowy system MOCVD składa się z pięciu głównych podsystemów, z których każdy odgrywa istotną i skoordynowaną rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa, precyzji i powtarzalności procesu wzrostu:

(1) System dostarczania gazu

Ten podsystem precyzyjnie kontroluje przepływ, czas i proporcje różnych gazów procesowych wprowadzanych do reaktora. Obejmuje on:

• Przewody gazu nośnego (zazwyczaj N₂ lub H₂)
• Przewody doprowadzające prekursory metaloorganiczne, często za pośrednictwem bubblerów lub parowników
• Źródła gazów hydrydowych (np. NH₃, AsH₃, PH₃)
• Rozdzielacze gazu do kontroli ścieżek wzrostu/oczyszczania

(2) System reaktora

Reaktor jest sercem systemu MOCVD, gdzie zachodzi rzeczywisty wzrost epitaksjalny. Zazwyczaj obejmuje on:

• jest przykładane w pobliżu powierzchni celu. To pole magnetyczne zatrzymuje elektrony blisko celu, zwiększając ich długość ścieżki i zwiększając wydajność jonizacji - prowadząc do Grafitowy susceptor pokryty SiC który utrzymuje podłoże
• jest przykładane w pobliżu powierzchni celu. To pole magnetyczne zatrzymuje elektrony blisko celu, zwiększając ich długość ścieżki i zwiększając wydajność jonizacji - prowadząc do (np. grzejniki RF lub rezystancyjne) do kontroli temperatury podłożaCzujniki temperatury
• (termopary lub pirometry IR)Optyczne okienka
• do diagnostyki in-situZautomatyzowane systemy obsługi wafli
• do wydajnego załadunku/rozładunku podłoża(3)

System kontroli procesuCały proces wzrostu jest zarządzany przez kombinację:

Programowalne kontrolery logiczne (PLC)

• Regulatory przepływu masy (MFC)
• Regulatory ciśnienia
• jest przykładane w pobliżu powierzchni celu. To pole magnetyczne zatrzymuje elektrony blisko celu, zwiększając ich długość ścieżki i zwiększając wydajność jonizacji - prowadząc do do zarządzania recepturami i monitorowania w czasie rzeczywistymSystemy te zapewniają precyzyjną kontrolę temperatury, natężenia przepływu i czasu na każdym etapie procesu.

(4) System monitorowania in-situ

Aby utrzymać jakość i spójność warstwy, zintegrowane są narzędzia monitorowania w czasie rzeczywistym, takie jak:

Systemy reflektometryczne

• do śledzenia grubości warstwy epitaksjalnejNapylanie magnetronoweCzujniki wygięcia wafla
• do wykrywania naprężeń lub krzywiznyPirometry na podczerwień
• z kompensacją odbicia dla dokładnego pomiaru temperaturyNarzędzia te umożliwiają natychmiastowe dostosowanie procesu, poprawiając jednorodność i jakość materiału.

(5) System usuwania spalin

Toksyczne i piroforyczne produkty uboczne generowane podczas procesu - takie jak arsenowodór lub fosfina - muszą być neutralizowane. System wydechowy zazwyczaj obejmuje:

Płuczki spalin

• Utleniacze termiczne
• Płuczki chemiczne
• Zapewniają one zgodność z normami bezpieczeństwa i ochrony środowiska.

Konfiguracja reaktora Close-Coupled Showerhead (CCS)

Wiele zaawansowanych systemów MOCVD przyjmuje konstrukcję

Close-Coupled Showerhead (CCS), szczególnie dla epitaksji na bazie GaN. W tej konfiguracji płyta z głowicą natryskową wtryskuje gazy grupy III i grupy V oddzielnie, ale w bliskiej odległości od obracającego się podłoża.Minimalizuje to

reakcje pasożytnicze w fazie gazowej i zwiększa wydajność wykorzystania prekursorów. Krótka odległość między głowicą natryskową a wafelem zapewnia równomierny rozkład gazu na powierzchni wafla. Jednocześnie, obrót susceptora zmniejsza zmienność warstwy granicznej, dodatkowo poprawiając jednorodność grubości warstwy epitaksjalnej.Napylanie magnetronoweNapylanie magnetronowe

to powszechnie stosowana technika

fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) do wytwarzania warstw funkcjonalnych i powłok powierzchniowych. Wykorzystuje pole magnetyczne do wzmocnienia wyrzutu atomów lub cząsteczek z materiału docelowego, które następnie są osadzane na podłożu w celu utworzenia cienkiej warstwy. Metoda ta jest szeroko stosowana w produkcji urządzeń półprzewodnikowych, powłok optycznych, warstw ceramicznych i innych.Zasada działania napylania magnetronowegoWybór materiału docelowego

Cel

jest materiałem źródłowym, który ma być osadzony na podłożu. Może to być metal, stop i tlenek i azotek i katoda magnetronowa.Środowisko próżniowe

wysokiej próżni

w celu zminimalizowania niepożądanych interakcji między gazami procesowymi a zanieczyszczeniami otoczenia. Zapewnia to czystość i jednorodność są produkcji półprzewodników

Gaz obojętny

, zazwyczaj argon (Ar), jest wprowadzany do komory i jonizowany w celu utworzenia plazmy. Plazma ta składa się z dodatnio naładowanych jonów Ar⁺ i wolnych elektronów są Zastosowanie pola magnetycznego

Pole magnetyczne

jest przykładane w pobliżu powierzchni celu. To pole magnetyczne zatrzymuje elektrony blisko celu, zwiększając ich długość ścieżki i zwiększając wydajność jonizacji - prowadząc do gęstego obszaru plazmy znanego jako plazma magnetronowa.Proces napylania

przeniesienie pędu

. Te wyrzucone atomy lub klastry następnie przemieszczają się przez komorę i kondensują na podłożu, tworząc warstwę funkcjonalną.Osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą (PECVD)

krzem (Si)

krzem (Si), azotek krzemu (SiNx) i dwutlenek krzemu (SiO₂).Zasada działaniaW PECVD, prekursory gazowe zawierające pożądane elementy warstwy są wprowadzane do komory osadzania próżniowego.
 

Wyładowanie jarzeniowe

jest generowane za pomocą zewnętrznego źródła zasilania, które wzbudza gazy do stanu plazmy. Reaktywne cząstki w plazmie ulegają reakcjom chemicznym, prowadząc do powstania stałej warstwy na powierzchni podłoża.Wzbudzenie plazmy można osiągnąć za pomocą różnych źródeł energii, w tym:

,

• Wzbudzenie wysokim napięciem prądu stałego (DC)Wzbudzenie impulsowe
• Wzbudzenie mikrofalowe
• PECVD umożliwia wzrost warstw o
• doskonałej jednorodności

zarówno pod względem grubości, jak i składu. Dodatkowo, technika ta zapewnia silną adhezję warstwy i obsługuje wysokie szybkości osadzania przy stosunkowo niskich temperaturach podłoża, co czyni ją odpowiednią do zastosowań wrażliwych na temperaturę.Mechanizm osadzaniaProces formowania warstwy PECVD zazwyczaj obejmuje trzy kluczowe kroki:

Krok 1: Generowanie plazmy

Pod wpływem pola elektromagnetycznego inicjowane jest wyładowanie jarzeniowe, tworząc plazmę. Wysokoenergetyczne

elektrony
zderzają się z cząsteczkami gazu prekursora, inicjując reakcje pierwotne, które rozkładają gazy na jony, rodniki i aktywne cząstki.Krok 2: Transport i reakcje wtórne

reakcje wtórne
pomiędzy aktywnymi cząstkami, generując dodatkowe produkty pośrednie lub związki tworzące warstwę.Krok 3: Reakcja powierzchniowa i wzrost warstwy Po dotarciu do powierzchni podłoża, zarówno

cząstki pierwotne
jak i wtórne są adsorbowane i reagują chemicznie z powierzchnią, tworząc stałą warstwę. Jednocześnie, lotne produkty uboczne reakcji są uwalniane do fazy gazowej i wypompowywane z komory.Ten wieloetapowy proces umożliwia precyzyjną kontrolę nad właściwościami warstwy, takimi jak grubość

, gęstość i skład chemiczny i jednorodność.produkcji półprzewodników, fotowoltaice i MEMS i powłokach optycznych.