Какие существуют методы осаждения в полупроводниках? Освоение CVD, PVD и ALD для изготовления чипов

В производстве полупроводников методы осаждения делятся на две основные категории: химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и физическое осаждение из газовой фазы (PVD). Эти процессы используются для нанесения тонких пленок различных материалов на кремниевую подложку, формируя сложные слои изолирующих, проводящих и полупроводниковых материалов, из которых состоит современная интегральная схема. Третий, высокоточный метод, называемый атомно-слоевым осаждением (ALD), также имеет решающее значение для передовых конструкций чипов.

Основная проблема заключается не просто в знании названий методов осаждения, а в понимании того, почему выбран конкретный метод. Решение зависит от фундаментального компромисса между скоростью осаждения, качеством пленки и ее способностью равномерно покрывать сложные, микроскопические 3D-структуры на подложке.

Два столпа осаждения: PVD и CVD

На самом высоком уровне методы осаждения различаются по тому, как они доставляют материал от источника к поверхности подложки. Один использует химическую реакцию, а другой — физический процесс.

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)

CVD является наиболее широко используемой технологией осаждения в отрасли. Она включает введение одного или нескольких реакционноспособных газов, известных как прекурсоры, в реакционную камеру.

Эти газы вступают в химическую реакцию вблизи или на горячей поверхности подложки, образуя новый твердый материал, который осаждается в виде тонкой пленки.

Физическое осаждение из газовой фазы (PVD)

PVD, напротив, не включает химическую реакцию для создания материала пленки. Вместо этого он переносит материал с твердого источника или мишени на подложку с помощью физических средств.

Обычно это делается в вакууме. Представьте, что вы физически перемещаете атомы из точки А (источник) в точку Б (подложка).

Глубокое погружение в химическое осаждение из газовой фазы (CVD)

Поскольку CVD основан на химических реакциях, он может создавать очень высококачественные, чистые и однородные пленки. Конкретные условия реакции приводят к нескольким вариантам CVD, каждый из которых имеет свое назначение.

Роль давления и плазмы

CVD при низком давлении (LPCVD): Работая при очень низком давлении, LPCVD позволяет молекулам газа свободно перемещаться, что приводит к получению высокооднородных пленок, которые могут равномерно покрывать сложные структуры. Его часто используют для высококачественных изоляционных слоев и слоев поликремния.

CVD при атмосферном давлении (APCVD): Этот метод работает при нормальном атмосферном давлении, что делает его более быстрым процессом с более высокой пропускной способностью. Однако качество пленки и ее однородность, как правило, ниже, чем у LPCVD.

CVD с плазменным усилением (PECVD): Эта технология использует электрическую плазму для придания энергии газам-прекурсорам. Эта дополнительная энергия позволяет химической реакции происходить при гораздо более низких температурах, что критически важно для предотвращения повреждения чувствительных структур, уже созданных на подложке.

Особый случай эпитаксии

Эпитаксиальное осаждение (Epi): Это высокоспециализированная форма CVD, используемая для выращивания монокристаллического кремниевого слоя поверх монокристаллической кремниевой подложки. Новый слой идеально имитирует кристаллическую структуру подложки, в результате чего получается безупречная пленка с превосходными электронными свойствами.

Понимание физического осаждения из газовой фазы (PVD)

PVD по своей сути является процессом прямой видимости, что делает его отличным для быстрого нанесения пленок на плоские поверхности. Самым распространенным методом PVD в производстве полупроводников является распыление (sputtering).

Объяснение распыления

При распылении мишень, изготовленная из желаемого осаждаемого материала, бомбардируется высокоэнергетическими ионами (обычно аргоном) внутри вакуумной камеры.

Эта бомбардировка физически выбивает атомы из мишени, которые затем перемещаются и осаждаются на подложке. Это очень универсальный метод, используемый для осаждения металлов, таких как алюминий, медь и титан, для создания проводки.

Другие методы PVD

Другой метод PVD — испарение, при котором исходный материал нагревается в вакууме до испарения. Затем атомы газа перемещаются к подложке и конденсируются, образуя пленку. Хотя он менее распространен для передовых логических чипов, он все еще используется в других областях производства электроники.

Рост атомно-слоевого осаждения (ALD)

Для самых передовых чипов с микроскопическими трехмерными транзисторами требуется метод с максимальной точностью. Здесь на помощь приходит атомно-слоевое осаждение (ALD).

Послойный подход

ALD — это подтип CVD, который разбивает процесс осаждения на последовательные, самоограничивающиеся этапы. Он подвергает подложку воздействию одного газа-прекурсора, который образует ровно один атомный слой, а затем продувает камеру. Затем он вводит второй прекурсор для реакции с первым слоем, завершая пленку по одному атомному слою за раз.

Почему ALD критически важен

Хотя ALD чрезвычайно медленный, он обеспечивает беспрецедентный контроль над толщиной пленки и конформностью — способностью наносить идеально однородную пленку на невероятно сложные и глубокие траншейные структуры. Это не подлежит обсуждению для современных транзисторов FinFET и передовых запоминающих устройств.

Понимание компромиссов

Выбор технологии осаждения требует баланса конкурирующих приоритетов.

Конформность против скорости

CVD и особенно ALD превосходны в конформности. Поскольку газы-прекурсоры могут достигать всех частей сложной поверхности, результирующая пленка очень однородна.

PVD — это метод прямой видимости. Как и аэрозольный баллончик, он покрывает то, что может «видеть», что затрудняет равномерное покрытие дна и боковых стенок глубоких траншей. Однако PVD, как правило, намного быстрее, чем ALD.

Температура против качества пленки

Высокотемпературные процессы, такие как LPCVD, часто дают очень высокое качество пленок. Однако высокие температуры могут повредить или изменить ранее нанесенные слои.

PECVD — это решение этой проблемы, использующее плазму для обеспечения высококачественного осаждения при более низких температурах. PVD также может быть низкотемпературным процессом.

Стоимость против точности

Более простые, быстрые процессы, такие как APCVD или PVD, менее затратны в эксплуатации. ALD, с его медленным, многоступенчатым характером и сложным оборудованием, является самым дорогим, но предлагает уровень точности, который просто недостижим другими методами.

Выбор правильной стратегии осаждения

Выбор технологии полностью определяется требованиями конкретного слоя пленки, который вы создаете.

• Если ваш основной акцент — массовая металлическая проводка на относительно плоской поверхности: PVD (распыление) является эффективным и экономически выгодным выбором.
• Если ваш основной акцент — высококачественная изолирующая пленка поверх небольшой топографии: Стандартный метод CVD, такой как LPCVD или PECVD, обеспечивает правильный баланс качества и пропускной способности.
• Если ваш основной акцент — создание безупречной пленки на затворе передового 3D-транзистора: ALD — единственный вариант, обеспечивающий требуемую точность и конформность, несмотря на его стоимость и низкую скорость.

В конечном счете, понимание основных принципов каждой техники дает вам возможность выбрать правильный инструмент для правильной работы в сложном мире производства полупроводников.

Сводная таблица:

Техника	Основной метод	Ключевые характеристики	Общие области применения
CVD (Химическое осаждение из газовой фазы)	Химическая реакция газов-прекурсоров	Высокое качество пленки, отличная конформность, различные варианты давления/температуры	Изолирующие слои, поликремний, эпитаксиальный рост
PVD (Физическое осаждение из газовой фазы)	Физический перенос с твердой мишени	Прямая видимость, быстрое осаждение, более низкая температура	Металлическая проводка (Al, Cu, Ti), контакты
ALD (Атомно-слоевое осаждение)	Последовательные, самоограничивающиеся химические реакции	Максимальная точность, идеальная конформность, очень медленно	Передовые 3D-транзисторы, высокопроницаемые затворные диэлектрики

Оптимизируйте свой процесс производства полупроводников с KINTEK

Выбор правильной технологии осаждения имеет решающее значение для достижения идеального баланса качества пленки, конформности и пропускной способности в вашем полупроводниковом производстве. Независимо от того, требуются ли вам высокоскоростные возможности PVD, превосходная конформность CVD или точность на атомном уровне ALD, KINTEK обладает опытом и оборудованием для удовлетворения уникальных потребностей вашей лаборатории.

Как специалист по передовому лабораторному оборудованию и расходным материалам, KINTEK предлагает:

• Современные системы осаждения, адаптированные к вашим исследовательским и производственным требованиям
• Экспертное руководство по выбору оптимальной техники для ваших конкретных применений
• Комплексная поддержка лабораторий по производству полупроводников, разрабатывающих чипы следующего поколения

Готовы улучшить свои возможности осаждения? Свяжитесь с нашими экспертами сегодня, чтобы обсудить, как решения KINTEK могут продвинуть ваши проекты по производству полупроводников.

Визуальное руководство