M-MT_CVD V4 Vakuumtechnik

Praktikum Mikrotechnologien
Versuch 4: CVD
Übersicht Schichterzeugung
In der HL-Technik sind für die Schichterzeugung folgende Verfahren gebräuchlich:
- Thermische Oxidation: unter Verbrauch der zu oxidierenden Schicht (Substrat) wächst deren Oxid
(meist Siliziumdioxid), Schichten sind qualitativ sehr hochwertig, allerdings sind zur Erzeugung sehr
hohe Temperaturen (T > 750°C) notwendig
- Physikalische Abscheideverfahren (PVD) – Dampfen, Stäuben: benötigen für die Schichterzeugung
wesentlich geringere Temp. (20°C…300°C), zur Herstellung leitfähiger Schichten (v. Metallen)
- Chemische Abscheideverfahren aus der Gas- bzw. Dampfphase (CVD): herstellbare Schichten:
- Isolatorschichten (typisch: undotiertes und dotiertes Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Oxinitrid)
- Halbleiter (amorphes, polykristallines, einkristallines Silizium)
- (leitfähige) Metallschichten (Wolfram, Aluminium, Molybdän)
Bei Temperaturen zwischen 200°C und 1200°C, je nach Abscheideverfahren und Schichtart
CVD… chemical vapour deposition – chemische Gasphasenabscheidung
ist eine Gruppe von Beschichtungsverfahren, welche v.a. in der HL-Technik zur Herstellung von
mikroelektronischen Bauelementen eingesetzt werden
- technologisches Grundverfahren in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik
Anwendung: Oftmals werden in der HL-Technologie Schichten benötigt, die nicht aus dem Siliciumsubstrat erzeugt werden können
- Bei Siliciumnitrid und Siliciumoxinitrid muss die Schicht z.B. durch thermische Zersetzung von
Gasen erzeugt werden, die alle benötigten Materialien, wie Silicium, enthalten.
Grundprinzip: Umsetzung einer oder mehrerer gasförmiger Verbindungen durch äußere
Energiezufuhr zu einem festen Stoff sowie gasförmigen Nebenprodukten - der Wafer dient dabei nur
als Grundfläche und reagiert nicht mit den Gasen.
⇄ Bsp.: ⟶ 2 (LP-CVD)
- Die Reaktionsgase, die zur Abscheidung einer bestimmten Schicht notwendig sind, werden in
einen Reaktor geleitet, in dem sich der zu beschichtende Wafer befindet
- Die zum Ablauf der chemischen Reaktion notwendigen Energie wird von außen entweder als
thermische Energie, als elektromagnetische Energie (induktiv-gleichmäßiger Wendelabstand!)
oder als Licht zugeführt
- Erfolgt Chemische Reaktion der Gaskomponente: entweder als Homogenreaktion in der Gasphase
(unerwünscht-bei hohen Temperaturen Partikelbildung) oder als Heterogenreaktion auf der
Waferoberfläche (erwünscht)
Deposition: Übergang gasförmig
gasförmigen Zustand
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Einzelschritte (für thermische Anregung):
1. Antransport der Reaktanten (Reaktionsgase, z.B. Silan ) in die Abscheideregion (Reaktor
mit Wafer) durch erzwungene Konvektion (Konvektionsströmung/-geschwindigkeit an
Reaktorwand 0, in Mitte maximal)
2. Durch Diffusion gelangen die Reaktanten von der Konvektionszone an die Grenzschicht
(Konzentrationsunterschiede: an Grenzschicht geringere Konzentration, als in der
Konvektionszone)
3. Adsorption (Anlagerung) der Reaktanten an der Wafer-Oberfläche
4. Ablauf Oberflächenreaktionen unter Energiezufuhr
- Dissoziation (zerteilen) der Reaktantenmoleküle (
) Entstehung von Radikalen
(=neutrale Bruchstücke der Gasmoleküle z.B. Si)
- Diffusion der Radikale entlang der Oberfläche (für gleichmäßige Verteilung auf Oberfläche)
- Einbau der Radikale in den Festkörperverband
- Bildung der flüchtigen Reaktionsprodukte (z.B. )
5. Desorption der flüchtigen Reaktionsprodukte
6. Diffusion der flüchtigen Reaktionsprodukte von der Wafer-Oberfläche in die Konvektionszone
7. Abtransport der flüchtigen Reaktionsprodukte (durch erzwungene Konvektion)
transport- oder reaktionsbegrenztes Schichtwachstum
Abscheiderate beim reaktionsbegrenzten Schichtwachstum und thermischer Anregung kann durch
ARRHENIUS-Beziehung beschrieben werden:
~
-
-
-
∙
…Aktivierungsenergie , …Boltzmannkonstante , !…Temperatur
Mit steigender Temperatur (Reaktionsgeschwindigkeit) wird die
Geschwindigkeit des Schichtwachstums begrenzt, durch die
Transportprozesse der Ausgangsstoffe und Nebenprodukte
transportbegrenztes Schichtwachstum
Bei noch weiter steigender Temperatur, kann es passieren, dass
chemische Reaktionen nicht nur auf der Substratoberfläche, sondern auch in deren
Umgebung (innerhalb der Gasphase) stattfinden Homogenreaktion/Gasphasenreaktion
Günstigste Arbeitsbereich für die Schichtherstellung ist der des reaktionsbegrenzten
Schichtwachstums, da hier über die äußere Energiezufuhr eine verhältnismäßig gute
Steuerung der Abscheidung möglich ist
Beurteilung des Schichtabscheidungsprozesses nach folgenden Kenngrößen:
-
Homogenität der Schichtdicke (mittels Konformitäts-Faktor = Quotient aus Schichtwachstum
auf vertikalen Flächen und dem Wachstum auf horizontalen Flächen, ideal konform=1)
Abscheiderate
Schichthaftung
Porengehalt der Schicht (pin holes)
Elektrische (", $, %&' ), chemische (Löslichkeit in Medien) und mechanische (Spannungen in
den Schichten, Härte) Schichteigenschaften
Kontrollierte Stächiometrie und Reinheit der Schicht
Stufenüberdeckung
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Diese Größen können über die Parameter des jeweiligen Abscheideprozesses beeinflusst
werden
Das CVD-Verfahren wird je nach Druck und Temperatur in drei Verfahren unterteilt, deren Schichten
sich durch Dichte und Kantenbedeckung unterscheiden.
Abscheideverfahren
Normaldruck-CVD (AP-CVD …atmospheric pressure) () 2 2( → 2( 4(,
Die Reaktionsgase werden verdünnt mit einem Trägergas in den Reaktor geleitet, da ihre Dichte bei
Normaldruck sehr groß ist und somit die Gefahr der Homogenreaktion (Partikelbildung) besteht.
Prozessparameter:
- Prozessgaszusammensetzung (Silan + , Siliciumtetrachlorid () + )
- Gesamtgasfluss(menge)
- Wafertemperatur (Wafer liegt auf einer geheizten Unterlage)
1 bar
Die Homogenität der Schichtdicke kann über den Gasstrom und über das Temperaturprofil des
Heizers beeinflusst werden
Das Schichtwachstum wird hauptsächlich von Transportprozessen (Gasströmung) begrenzt.
Abscheidetemperaturen: 900°C…1200°C
Niederdruck-CVD (LP-CVD …low pressure) 3
4./ ⟶ / . 12
Durch die Senkung des Abscheidedrucks wird die ‘mittlere freie Weglänge‘ der Reaktanten erhöht,
sodass diese jeden Ort auf der Wafer-Oberfläche erreichen können
Zusätzliche Einrichtung für Vakuumerzeugung notwendig
Prozessparameter: - Prozessgaszusammensetzung, Gesamtgasfluss, Wafertemperatur und
- Abscheidedruck
10-10-2 mbar
Das Schichtwachstum wird nun durch Geschwindigkeit der Schichtbildungsreaktion bestimmt (ist
sehr stark temperaturabhängig – Wafertemperatur muss stabil sein)
Vorteil: - keine Chargeninhomogenität und Stufenbedeckung
- Absenkung der Abscheidetemperatur auf 600°C…800°C
Plasmagestützte-CVD (PE-CVD …plasma enhanced)
Zur Herstellung qualitativ hochwertiger Schichten bei Temperaturen kleiner 400°C (gefordert bei
Verwendung niedrigschmelzender Materialen, wie z.B. Aluminium)
Einordnung: PE-CVD Abscheidung, allerdings mit Anregung durch HF-Plasmaentladung (nicht
thermisch)
>1 mbar
- Reaktor enthält mind. 2 Elektroden zwischen denen das Plasme gezündet wird
- In diesem entstandenem elektrischen Feld werden die Ladungsträger (Elektronen, Ionen)
beschleunigt und stoßen elastisch/unelastisch mit den Atomen/Molekülen des Reaktions- und
Inertgases zusammen Gase werden angeregt, ionisiert oder sie dissoziieren
Primäre Zersetzungsreaktion: Folge der Kollision der Elektronen mit den Gasmolekülen Bildung Ionen, angeregte Atome+Moleküle, Reaktanten
Sekundäre Zersetzungsreaktion: Folge der Kollision der Ionen und angeregten
Neutralteilchen mit Gasmolekülen ( Gasmolküle werden aufgespalten, Konzentration der
Ionen und freien Radikale steigt)
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Bilanz der Zersetzungsprodukte: Anzahl der Radikale (neutrale Bruchstücke der Gasmoleküle)
überwiegt Anzahl an Ionen Radikale (ladungsneutral) können Plasma nur über Diffusion verlassen
Ionen werden im elektrischen Feld (der Dunkelräume) beschleunigt – ob und mit welcher Energie
sie die Elektroden erreichen, ist abhängig von der Frequenz und Leistung des angelegten HF-Feldes
und dem Flächenverhältnis der HF-Elektroden (unsymmetrische Systeme)
-
Die entstandenen reaktionsfähigen ‚Spezies‘ erreichen die Waferoberfläche und werden
adsorbiert
Sie benötigen so viel Beweglichkeit, um in energetisch stabile Orte der Waferoberfläche zu
gelangen und dort zu reagieren (für möglichst perfekte Schichten)
unterstützt durch: Aufheizen der Elektrode (=Waferauflage) und Beschuss der Waferoberfläche
mit Ionen
Oberflächenbeweglichkeit der reaktionsfähigen Spezies ist am wichtigsten
Prozessparameter: - Prozessgaszusammensetzung, Gesamtgasfluss, Wafertemp. und Abscheidedruck
- Frequenz des HF-Feldes und die im Plasma umgesetzte HF-Leistung
- typisch an PE-CVD Schichten ist der hohe Gehalt an Wasserstoff
Heizung:
induktiv: HF-Feld erzeugt Wirbelströme T↑
Strahlungsheizung: Licht (Halogenlampe) T↑ (hoher Absorptionskoeffizient)
Depositionsrate:
3
1 2 4∙5 ∙ 6
7… Molekulargewicht, ,… Konstante (Loschmidt-Zahl)
8… Dichte abgeschiedener Substanz, 6… Reaktionsrate
Der langsamste Prozess bestimmt die 1 (Gasphasenprozess: Transport Moleküle
Oberflächenprozess: Reaktion, Oberflächendiff.)
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