Chemische Abscheidung (CVD)
Die Gasphasenabscheidung, auch CVD genannt, gehört zu den wichtigsten Verfahrenprinzipien, die in der Siliziumtechnologie zur Anwendung kommen. Mit Hilfe des CVD-Verfahrens werden Siliziumepitaxieschichten, polykristalline Siliziumschichten, SiO2-Schichten, Bor- und Phosphorglasschichten, Siliziumnitridschichten und neuerdings auch Metall- bzw. Metallsilizidschichten erzeugt.
1.1 Grundprinzip des CVD-Verfahrens
Das Grundprinzip der CVD-Abscheidung besteht aus folgenden Schritten:
Am Beispiel der Silizium-Epitaxie werden im folgenden die drei wesentlichen chemisch-physikalischen Vorgänge der Gasphasenabscheidung schematisch Dargestellt:
1. Das Ausgangs - Raktionsgas (SiCl4-Dampf) zerfällt bei der erhöhten Temperatur im CVD-Reaktor in niedermolekulare Bestandteile.
2. Das SiCl2 und der Wasserstoff werden an den heißen Oberflächen (u. a. an den Substraten) im CVD-Reaktor absorbiert.
An den heißen Oberflächen reagiert das SiCl2 mit H2 zu Si und HCl. Das Si bleibt auf der Oberfläche zurück und nimmt die Kristallstruktur des monokristallinen Si-Substrats an. Das HCl-Gas wird aus dem Reaktor abgeführt.
Der Transport der Reaktionsgase zur Scheibenoberfläche erfolgt bis nahe an die Silizuimscheiben durch Konvektion (Strömung). Da aber der Gasfluß in unmittelbarer Nähe der Scheibenoberfläche parallel zur Oberfläche erfolgt und an der Oberfläche ganz verschwindet (v®0), muß der Gastransport in Oberflächenähe durch Diffusion erfolgen.
Unter Diffusion versteht man die Bewegung von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration. Die Teilchenstromdichte IT ist der Grenzwert der pro Zeiteinheit Dt durch ein Flächenelement DA fließenden Teilchen:
Nun soll der Teilchenstromdichte ein Vektor j zugeordnet werden, dessen Betrag die Teilchenstromdichte IT ist und der in Richtung des stärksten Abfalls der Teichendichte bzw. der Konzentation c orientiert wird. Da der Gradient eines Feldes in die Richtung des stärksten Anstiegs zeigt, setzt man an, daß der Teichenstrom ein Vielfaches der negativen Konzentrationgradienten ist.
Diese Gleichung wird als Ficksches Gesetz bezeichnet. D ist die Diffusionskonstante, die charakterisiert, wie stark das System dem Konzentrationsgefälle folgt.Für den eindimensionalen Fall ergibt sich aus dem Fickschen Gestetz folgende Diffusionsgleichung:
In diesem Fall ist j der für die Oberflächenreaktion erforderliche Gasfluß, D die Diffusionskonstante und dc/dz der Konzentrationsgradient. Im sationären Zustand ergibt sich eine zur Reaktionsrate proportionale Diffusionsstromdichte, d.h es kann nur soviel nachdiffundieren wie an der Oberfläche reagiert, anderenfalls ist dc/dz nicht konstant. Dadurch lassen sich zwei Fälle unterscheiden:
1.3 Reaktionsbestimmte Abscheidung
Wenn das Verhälnis j/D kein ist ( das ist bei kleiner Reaktionsrate und /oder großer Diffusionskonstante der Fall, dann genügt ein kleiner Konzentrationsgradient zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Gasflusses. Die Reaktionsgaskonzentration ist dann an der Scheibenoberfläche nur wenig kleiner als die Konzentration im Gasgemisch, das in den Reaktor geleitet wird. In diesem Fall spricht man von einem reaktionsbestimmten Prozeß.
Die Reaktionsrate bestimmt den Abscheideprozeß bzw. das Schichtwachstum an der Oberfläche. Die Diffusion ist so groß, daß sie kein bestimmender Faktor für das Schichtwachstum ist.
®
Wachstum ist durch die Reaktionsrate beschränkt
Ein reaktionsbestimmter Prozeß weist folgende wesentliche Vorteile auf:
Der entscheidende Parameter, der eine Verschiebung der Gaspahsenreaktion in Richtung eines reraktionsbestimmten Prozesses ermöglicht ist der Gasdruck im CVD- Reaktor. Nach der Diffusionsgleichung wird dann der Konzentrationsgradient dc/dz (j/D) um den Faktor 1/a² kleiner. Im Extremfall geht dc/dz gegen 0, d. h. es sind beinahe gleiche Gaskonzentrationen auf der Waferoberfläche und um Reaktionsraum.
Werte aus der Praxis:
LPCVD : p = 20 - 100 Pa » 0,2 - 1 mbar
1.4 Diffusionsbestimmte Abscheidung
Beim diffusionsbestimmten Prozeß ist die Oberflächenreaktionsrate so groß, daß die Reaktionsgaskonzentration nahe der Oberfläche stark abnimmt. Durch die Verarmung wird auch die Reaktionsrate geringer, und es stellt sich diejenige Reaktionsrate ein, die dem maximal möglichen Diffusionsfluß entspricht .
Die Diffusion bestimmt das Schichtwachstum. Die Reaktionsrate ist so hoch, daß sie für das Schichtwachstum nicht bestimmend ist.
®
Wachstum ist durch die Diffusion beschränkt.Ein diffusionsbestimmter Prozeß weist folgenden Vorteile auf:
Wird mehr Gas angeboten kommt es zur polykristallinen Abscheidung. Die Si-Atome haben nicht genügend Zeit sich geordnet anzulagern.
Der entscheidende Parameter, der eine Verschiebung der Gaspahsenreaktion in Richtung eines diffusionsbestimmten Prozesses ermöglicht ist die Reaktionsgasmenge im CVD- Reaktor. Ein diffusionsbedingter Prozeß wird durch eine geringe Reaktionsgasmenge (starke Verdünnung des Reaktionsgases) erreicht. Die geringe Gasmenge an der Scheibenoberfläche reagiert schnell verbraucht, während die Diffusionskonstante durch relativ hohen Druck (Atmosphärendruck) gering ist. Der Konzentrationsgradient dc/dz (j/D) ist bei dieser Art der Abscheidung hoch, somit wird das Wachstum durch die Diffusion gesteuert.
Werte aus der Praxis:
Epitaxieprozeß
z. B. SiCl4 + H2 im Verhältnis 1:100 Mol statt stöchiometrisch 1:2 Mol
(bei höheren SiCl4-Konzentrationen kommt es bereits zu Reaktionen im Gas Þ submikroskopische Keime Þ polykristallines Wachstum)
Die CVD-Reaktoren unterscheiden sich in der Art der Heizung, die Art der Gaszuführung und die Anordnung der Siliziumscheiben (vertikal oder horizontal). Alle im folgenden dargestellten Reaktoren sind Mehrscheibenanlagen. Bei großen Scheibendurchmessern dürften in Zukunft aber auch Einzelscheibenanlagen an Bedeutung gewinnen.
Die Wafer liegen auf einer beheizten Suszeptorplatte. Diese Heizung der Suszeptorplatte erfolgt durch:
- induktive Heizung über Wirbelströme
- Widerstandsheizelemente
- Infrarotstrahlung
Die Temperatur beträgt in allen Fällen über 1000°C. Da nur der Wafer und der Suszeptor erhitzt werden findet die Abscheidung nur auf der heißen Waferoberfläche und dem Suszeptor statt, aber nicht auf den unbeheizten ("kalten") Reaktorwänden. Die Abscheidung hoher Schichtdicken ist möglich (keine Abscheidung an den Wänden ® kein Partikel).
Þ
Einsatz bei Epitaxie (Schichtdicken d > 1µm)
Die Wafer stehen frei in Booten (carrier) im beheizten Reaktorraum. Die Heizung der Reaktorwand erfolgt durch:
- Widerstandsheizung
- Infrarotstrahlung
Die Temperatur liegt zwischen 400 und 1000°C. Die Abscheidung erfolgt auf den Wafer Vorder- und Rückseiten und auf den Reaktorwänden. Wegen der Partikel, die durch die Abscheidung an den Reaktorwänden entstehen, sind nur geringe Schichtdicken möglich (Schichtdicken d < 1µm).
Einsatz bei LPCVD-Abscheidungen von Poly Si, SiO2, Si3N4
Bei LPCVD Verfahren wird häufig Reaktortyp 5 (Abbildung 4.4) verwendet. Hier findet eine Gasverarmung entlang des Rohres vom Gaseinlaß (Door) bis zum Gasaustritt (Exhaust) statt. Dies wird durch einen Temperaturgradienten kompensiert. Die Temperatur steigt von Door zu Exhaust innerhalb des Rohres. Dadurch wird eine homogene Schichtdiche auf allen Wafern erreicht.
Die Energie für die chemische Reaktion kann statt nur durch Wärme teilweise durch ein Plasma (PECVD) bzw. durch IR-Strahlung (RECVD) aufgebracht werden. Dabei ist für die Reaktion eine geringere Temperatur nötig.
Prozeßparameter: p = 20 ... 100 Pa, T » 300 °C
HF: einige kHz ... 100 MHz (13,56 MHZ)
einige GHz (Mikrowellen; T < 100 °C möglich)
Anwendungen:
- Plasmaoxid / Plasmanitrid (vor allem nach Al-Ebene; Tmax = 450 °C)
- Siliziumcarbid (SiC-Schichten)
Prozeßparameter: Druck und Temperatur ungefähr wie bei PECVD. Die Oberfläche der Siliziumscheiben werden durch Laserlicht (z. B.Excimer Laser; Wellenlänge ca. 250 nm) gezielt bestrahlt. Dadurch wird die CVD-Schicht nur auf den Siliziumscheiben selbst und nirgendwo sonst abgeschieden. Damit ist eine selektive Abscheidung möglich und es erfolgt keine Abscheidung an den Reaktorwänden (Partikelreduzierung).
Nähere Ausführungen zum Thema APCVD und TEOS befinden sich im Abschnitt Oxidabscheidung.
Unter Epitaxie versteht man das monokristallines Aufwachsen einer Schicht auf einen monokristallinen Substrat (speziell in der Mikroelektronik auf Si-Substrat). Außerdem ist auch die SOS-Technik, bei der eine monokristalline Siliziumschicht auf einem isolierenden monokristallinen Saphiersubstat aufwächt, möglich.
In der CMOS-Technik ist die Epitaxie eine seltene Prozeßvariante.
Die niedrig dotierte Epitaxieschicht dient als eigentliche aktive Schicht zur Definition der Bauelemente.Vorteile eines hochdotierten Substrats gleichen Typs:
Bei Bipolar-Schaltungen wird die Epitaxie als grundlegender Prozeß gererell verwendet.
Durch den Schichtaufbau beim Bipolartransistor ergeben sich folgende Eigenschaften:
2.2 Reaktionen der Gasphasenepitaxie
Erzeugung des Siliziums durch Wasserstoffreduktion von siliziumhaltigen Reaktionsgasen
Erzeugung des Siliziums durch thermische Zersetzung (Pyrolyse) des Reaktionsgases
Alle 4 Reaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen. Durch Zugabe vom HCL wird zunächst das Gleichgewicht nach links verschoben. Dadurch wird Silizium abgetragen und ein Reinigungseffekt tritt auf. Alle aufgefühten Reaktionen laufen bei Atmosphärendruck ab. Zur Dotierung der Epitaxieschicht können entsprechende Dotiergase (PH3, AsH3, B2H6 (Hybride)) in den Rezipienen gegeben werden. SiCl4 und SiHCl3 sind flüssig, darum ist ein Bubbler nötig um sie als Gas zu nutzen.
karl@vlsi.bu.edu, 17.09.98
