1. Introduction
Le processus de fixation de substances (matières premières) à la surface des matériaux de substrat par des méthodes physiques ou chimiques est appelé croissance de couche mince.
Selon différents principes de fonctionnement, le dépôt de couches minces de circuits intégrés peut être divisé en :
-Dépôt physique en phase vapeur (PVD);
-Dépôt chimique en phase vapeur (CVD);
-Extension.
2. Processus de croissance de couches minces
2.1 Processus de dépôt physique en phase vapeur et de pulvérisation cathodique
Le procédé de dépôt physique en phase vapeur (PVD) fait référence à l'utilisation de méthodes physiques telles que l'évaporation sous vide, la pulvérisation cathodique, le revêtement plasma et l'épitaxie par jet moléculaire pour former un film mince sur la surface d'une tranche.
Dans l'industrie VLSI, la technologie PVD la plus utilisée est la pulvérisation cathodique, principalement utilisée pour les électrodes et les interconnexions métalliques des circuits intégrés. La pulvérisation cathodique est un processus dans lequel des gaz rares [tels que l'argon (Ar)] sont ionisés en ions (tels que Ar+) sous l'action d'un champ électrique externe dans des conditions de vide poussé et bombardent la source matérielle cible dans un environnement à haute tension. éliminer les atomes ou les molécules du matériau cible, puis arriver à la surface de la plaquette pour former un film mince après un processus de vol sans collision. Ar a des propriétés chimiques stables et ses ions ne réagiront pas chimiquement avec le matériau cible et le film. Alors que les puces de circuits intégrés entrent dans l’ère des interconnexions en cuivre de 0,13 μm, la couche de matériau barrière en cuivre utilise un film de nitrure de titane (TiN) ou de nitrure de tantale (TaN). La demande de technologie industrielle a favorisé la recherche et le développement de la technologie de pulvérisation par réaction chimique, c'est-à-dire que dans la chambre de pulvérisation, en plus de l'Ar, il y a également un gaz réactif, l'azote (N2), de sorte que le Ti ou le Ta bombardé du le matériau cible Ti ou Ta réagit avec N2 pour générer le film TiN ou TaN requis.
Il existe trois méthodes de pulvérisation couramment utilisées, à savoir la pulvérisation DC, la pulvérisation RF et la pulvérisation magnétron. À mesure que l'intégration des circuits intégrés continue d'augmenter, le nombre de couches de câblage métallique multicouche augmente et l'application de la technologie PVD devient de plus en plus étendue. Les matériaux PVD comprennent Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu, Ti, Ta, Co, TiN, TaN, Ni, WSi2, etc.
Les processus de PVD et de pulvérisation cathodique sont généralement réalisés dans une chambre de réaction hautement étanche avec un degré de vide de 1×10-7 à 9×10-9 Torr, ce qui peut garantir la pureté du gaz pendant la réaction ; dans le même temps, une haute tension externe est nécessaire pour ioniser le gaz rare afin de générer une tension suffisamment élevée pour bombarder la cible. Les principaux paramètres d'évaluation des processus PVD et de pulvérisation comprennent la quantité de poussière, ainsi que la valeur de résistance, l'uniformité, l'épaisseur de réflectivité et la contrainte du film formé.
2.2 Processus de dépôt chimique en phase vapeur et de pulvérisation cathodique
Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) fait référence à une technologie de processus dans laquelle une variété de réactifs gazeux avec différentes pressions partielles réagissent chimiquement à une certaine température et pression, et les substances solides générées sont déposées sur la surface du matériau du substrat pour obtenir la couche mince souhaitée. film. Dans le processus traditionnel de fabrication de circuits intégrés, les matériaux en couches minces obtenus sont généralement des composés tels que des oxydes, des nitrures, des carbures ou des matériaux tels que le silicium polycristallin et le silicium amorphe. La croissance épitaxiale sélective, qui est plus couramment utilisée après le nœud de 45 nm, comme la croissance épitaxiale sélective de source et de drain SiGe ou Si, est également une technologie CVD.
Cette technologie peut continuer à former des matériaux monocristallins du même type ou similaires au réseau d'origine sur un substrat monocristallin de silicium ou d'autres matériaux le long du réseau d'origine. Le CVD est largement utilisé dans la croissance de films diélectriques isolants (tels que SiO2, Si3N4 et SiON, etc.) et de films métalliques (tels que le tungstène, etc.).
Généralement, selon la classification de pression, le CVD peut être divisé en dépôt chimique en phase vapeur à pression atmosphérique (APCVD), dépôt chimique en phase vapeur sous pression atmosphérique (SAPCVD) et dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD).
Selon la classification de température, le CVD peut être divisé en dépôt chimique en phase vapeur de film d'oxyde à haute température/basse température (HTO/LTO CVD) et dépôt chimique thermique rapide en phase vapeur (Rapid Thermal CVD, RTCVD) ;
Selon la source de réaction, le CVD peut être divisé en CVD à base de silane, CVD à base de polyester (CVD à base de TEOS) et dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) ;
Selon la classification énergétique, le CVD peut être divisé en dépôt chimique en phase vapeur thermique (Thermal CVD), dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma (Plasma Enhanced CVD, PECVD) et dépôt chimique en phase vapeur par plasma haute densité (CVD plasma haute densité, HDPCVD). Récemment, un dépôt chimique en phase vapeur fluide (Flowable CVD, FCVD) avec une excellente capacité de remplissage des espaces a également été développé.
Différents films cultivés par CVD ont des propriétés différentes (telles que la composition chimique, la constante diélectrique, la tension, la contrainte et la tension de claquage) et peuvent être utilisés séparément selon différentes exigences du processus (telles que la température, la couverture des étapes, les exigences de remplissage, etc.).
2.3 Processus de dépôt de couche atomique
Le dépôt de couche atomique (ALD) fait référence au dépôt d'atomes couche par couche sur un matériau de substrat en faisant croître un seul film atomique couche par couche. Un ALD typique adopte la méthode d’introduction de précurseurs gazeux dans le réacteur de manière pulsée alternée.
Par exemple, d'abord, le précurseur de réaction 1 est introduit dans la surface du substrat, et après adsorption chimique, une seule couche atomique est formée sur la surface du substrat ; puis le précurseur 1 restant à la surface du substrat et dans la chambre de réaction est pompé par une pompe à air ; puis le précurseur de réaction 2 est introduit dans la surface du substrat, et réagit chimiquement avec le précurseur 1 adsorbé sur la surface du substrat pour générer le matériau de film mince correspondant et les sous-produits correspondants sur la surface du substrat ; lorsque le précurseur 1 réagit complètement, la réaction se termine automatiquement, ce qui est la caractéristique auto-limitante de l'ALD, puis les réactifs et sous-produits restants sont extraits pour préparer la prochaine étape de croissance ; en répétant continuellement le processus ci-dessus, le dépôt de matériaux en film mince cultivés couche par couche avec des atomes uniques peut être obtenu.
L'ALD et le CVD sont tous deux des moyens d'introduire une source de réaction chimique gazeuse pour réagir chimiquement sur la surface du substrat, mais la différence est que la source de réaction gazeuse du CVD n'a pas la caractéristique de croissance auto-limitée. On peut voir que la clé du développement de la technologie ALD est de trouver des précurseurs dotés de propriétés de réaction auto-limitantes.
2.4 Processus d'épitaxie
Le processus épitaxial fait référence au processus de croissance d’une couche monocristalline complètement ordonnée sur un substrat. D'une manière générale, le processus épitaxial consiste à faire croître une couche cristalline avec la même orientation de réseau que le substrat d'origine sur un substrat monocristallin. Le processus épitaxial est largement utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs, comme les plaquettes de silicium épitaxiales dans l'industrie des circuits intégrés, la croissance épitaxiale de source et de drain intégrées de transistors MOS, la croissance épitaxiale sur des substrats LED, etc.
Selon les différents états de phase de la source de croissance, les méthodes de croissance épitaxiale peuvent être divisées en épitaxie en phase solide, épitaxie en phase liquide et épitaxie en phase vapeur. Dans la fabrication de circuits intégrés, les méthodes d'épitaxie couramment utilisées sont l'épitaxie en phase solide et l'épitaxie en phase vapeur.
Épitaxie en phase solide : fait référence à la croissance d'une couche monocristalline sur un substrat à l'aide d'une source solide. Par exemple, le recuit thermique après implantation ionique est en réalité un processus d’épitaxie en phase solide. Lors de l'implantation ionique, les atomes de silicium de la plaquette de silicium sont bombardés par des ions implantés à haute énergie, quittant leur position de réseau d'origine et devenant amorphes, formant une couche de silicium amorphe en surface. Après un recuit thermique à haute température, les atomes amorphes reviennent à leurs positions de réseau et restent cohérents avec l'orientation des cristaux atomiques à l'intérieur du substrat.
Les méthodes de croissance de l'épitaxie en phase vapeur comprennent l'épitaxie chimique en phase vapeur, l'épitaxie par jet moléculaire, l'épitaxie en couche atomique, etc. Dans la fabrication de circuits intégrés, l'épitaxie chimique en phase vapeur est la plus couramment utilisée. Le principe de l’épitaxie chimique en phase vapeur est fondamentalement le même que celui du dépôt chimique en phase vapeur. Les deux sont des procédés qui déposent des films minces par réaction chimique sur la surface des tranches après mélange gazeux.
La différence est que, étant donné que l'épitaxie chimique en phase vapeur produit une couche monocristalline, elle impose des exigences plus élevées en matière de teneur en impuretés dans l'équipement et de propreté de la surface de la tranche. Le premier procédé d'épitaxie chimique en phase vapeur du silicium doit être réalisé dans des conditions de température élevée (supérieures à 1 000 °C). Avec l'amélioration des équipements de traitement, en particulier l'adoption de la technologie des chambres d'échange sous vide, la propreté de la cavité de l'équipement et de la surface de la plaquette de silicium a été grandement améliorée et l'épitaxie du silicium peut être réalisée à une température plus basse (600-700°C). C). Le processus de plaquette de silicium épitaxiale consiste à faire croître une couche de silicium monocristallin sur la surface de la plaquette de silicium.
Par rapport au substrat de silicium d'origine, la couche de silicium épitaxiale présente une pureté plus élevée et moins de défauts de réseau, améliorant ainsi le rendement de fabrication de semi-conducteurs. De plus, l'épaisseur de croissance et la concentration de dopage de la couche de silicium épitaxiale développée sur la tranche de silicium peuvent être conçues de manière flexible, ce qui apporte de la flexibilité à la conception du dispositif, par exemple en réduisant la résistance du substrat et en améliorant l'isolation du substrat. Le processus épitaxial source-drain intégré est une technologie largement utilisée dans les nœuds de technologie logique avancée.
Il fait référence au processus de croissance épitaxiale de silicium ou de germanium dopé dans les régions de source et de drain des transistors MOS. Les principaux avantages de l'introduction du processus épitaxial source-drain intégré comprennent : la croissance d'une couche pseudocristalline contenant des contraintes dues à l'adaptation du réseau, améliorant ainsi la mobilité des porteurs de canal ; le dopage in situ de la source et du drain peut réduire la résistance parasite de la jonction source-drain et réduire les défauts d'implantation d'ions à haute énergie.
3. équipement de croissance de couches minces
3.1 Équipement d'évaporation sous vide
L'évaporation sous vide est une méthode de revêtement qui chauffe des matériaux solides dans une chambre à vide pour les faire s'évaporer, se vaporiser ou se sublimer, puis se condenser et se déposer sur la surface d'un matériau de substrat à une certaine température.
Il se compose généralement de trois parties, à savoir le système de vide, le système d'évaporation et le système de chauffage. Le système de vide se compose de tuyaux à vide et de pompes à vide, et sa fonction principale est de fournir un environnement de vide qualifié pour l'évaporation. Le système d'évaporation se compose d'une table d'évaporation, d'un élément chauffant et d'un élément de mesure de la température.
Le matériau cible à évaporer (tel que Ag, Al, etc.) est placé sur la table d'évaporation ; le composant de chauffage et de mesure de la température est un système en boucle fermée utilisé pour contrôler la température d'évaporation afin d'assurer une évaporation en douceur. Le système de chauffage se compose d'un étage de plaquette et d'un composant chauffant. L'étage de plaquette est utilisé pour placer le substrat sur lequel le film mince doit être évaporé, et le composant chauffant est utilisé pour réaliser le chauffage du substrat et le contrôle de rétroaction de la mesure de la température.
L'environnement sous vide est une condition très importante dans le processus d'évaporation sous vide, qui est liée au taux d'évaporation et à la qualité du film. Si le degré de vide ne répond pas aux exigences, les atomes ou molécules vaporisés entreront fréquemment en collision avec les molécules de gaz résiduelles, réduisant ainsi leur libre parcours moyen, et les atomes ou molécules se disperseront considérablement, changeant ainsi la direction du mouvement et réduisant le film. taux de formation.
De plus, en raison de la présence de molécules de gaz d'impuretés résiduelles, le film déposé est gravement contaminé et de mauvaise qualité, surtout lorsque le taux de montée en pression de la chambre ne répond pas à la norme et qu'il y a une fuite, de l'air s'infiltrera dans la chambre à vide. , ce qui aura un impact sérieux sur la qualité du film.
Les caractéristiques structurelles de l'équipement d'évaporation sous vide déterminent que l'uniformité du revêtement sur des substrats de grande taille est mauvaise. Afin d'améliorer son uniformité, la méthode consistant à augmenter la distance source-substrat et à faire tourner le substrat est généralement adoptée, mais l'augmentation de la distance source-substrat sacrifiera le taux de croissance et la pureté du film. Dans le même temps, en raison de l’augmentation de l’espace sous vide, le taux d’utilisation du matériau évaporé est réduit.
3.2 Équipement de dépôt physique en phase vapeur DC
Le dépôt physique en phase vapeur en courant continu (DCPVD) est également connu sous le nom de pulvérisation cathodique ou de pulvérisation cathodique en deux étapes sous vide. Le matériau cible de la pulvérisation CC sous vide est utilisé comme cathode et le substrat est utilisé comme anode. La pulvérisation sous vide consiste à former un plasma en ionisant le gaz de procédé.
Les particules chargées du plasma sont accélérées dans le champ électrique pour obtenir une certaine quantité d’énergie. Les particules dotées d'une énergie suffisante bombardent la surface du matériau cible, de sorte que les atomes cibles sont pulvérisés ; les atomes pulvérisés avec une certaine énergie cinétique se déplacent vers le substrat pour former un film mince à la surface du substrat. Le gaz utilisé pour la pulvérisation cathodique est généralement un gaz rare, tel que l'argon (Ar), donc le film formé par pulvérisation cathodique ne sera pas contaminé ; de plus, le rayon atomique de l'argon est plus adapté à la pulvérisation cathodique.
La taille des particules pulvérisées doit être proche de la taille des atomes cibles à pulvériser. Si les particules sont trop grosses ou trop petites, une pulvérisation efficace ne peut pas être formée. En plus du facteur de taille de l’atome, le facteur de masse de l’atome affectera également la qualité de la pulvérisation. Si la source de particules pulvérisées est trop légère, les atomes cibles ne seront pas pulvérisés ; si les particules pulvérisées sont trop lourdes, la cible sera « courbée » et la cible ne sera pas pulvérisée.
Le matériau cible utilisé dans le DCPVD doit être un conducteur. En effet, lorsque les ions argon contenus dans le gaz de traitement bombardent le matériau cible, ils se recombinent avec les électrons à la surface du matériau cible. Lorsque le matériau cible est un conducteur tel qu'un métal, les électrons consommés par cette recombinaison sont plus facilement reconstitués par l'alimentation électrique et les électrons libres dans d'autres parties du matériau cible par conduction électrique, de sorte que la surface du matériau cible en tant que l'ensemble reste chargé négativement et la pulvérisation est maintenue.
Au contraire, si le matériau cible est un isolant, une fois les électrons à la surface du matériau cible recombinés, les électrons libres dans d'autres parties du matériau cible ne peuvent pas être reconstitués par conduction électrique, et même des charges positives s'accumuleront sur le matériau cible. surface du matériau cible, provoquant une augmentation du potentiel du matériau cible, et la charge négative du matériau cible est affaiblie jusqu'à ce qu'elle disparaisse, conduisant finalement à l'arrêt de la pulvérisation.
Par conséquent, afin de rendre les matériaux isolants également utilisables pour la pulvérisation cathodique, il est nécessaire de trouver un autre procédé de pulvérisation cathodique. La pulvérisation radiofréquence est une méthode de pulvérisation qui convient aussi bien aux cibles conductrices que non conductrices.
Un autre inconvénient du DCPVD est que la tension d’amorçage est élevée et que le bombardement électronique sur le substrat est fort. Un moyen efficace de résoudre ce problème consiste à utiliser la pulvérisation magnétron. La pulvérisation magnétron est donc vraiment utile dans le domaine des circuits intégrés.
3.3 Équipement de dépôt physique en phase vapeur RF
Le dépôt physique en phase vapeur par radiofréquence (RFPVD) utilise la puissance radiofréquence comme source d'excitation et constitue une méthode PVD adaptée à une variété de matériaux métalliques et non métalliques.
Les fréquences communes de l'alimentation RF utilisées dans RFPVD sont 13,56 MHz, 20 MHz et 60 MHz. Les cycles positifs et négatifs de l'alimentation RF apparaissent alternativement. Lorsque la cible PVD est dans le demi-cycle positif, parce que la surface cible est à un potentiel positif, les électrons dans l'atmosphère du processus circuleront vers la surface cible pour neutraliser la charge positive accumulée sur sa surface, et même continuer à accumuler des électrons, rendre sa surface polarisée négativement ; lorsque la cible de pulvérisation est dans le demi-cycle négatif, les ions positifs se déplacent vers la cible et sont partiellement neutralisés sur la surface cible.
La chose la plus critique est que la vitesse de déplacement des électrons dans le champ électrique RF est beaucoup plus rapide que celle des ions positifs, tandis que le temps des demi-cycles positifs et négatifs est le même, donc après un cycle complet, la surface cible sera « net » chargé négativement. Par conséquent, au cours des premiers cycles, la charge négative de la surface cible montre une tendance à la hausse ; ensuite, la surface cible atteint un potentiel négatif stable ; par la suite, étant donné que la charge négative de la cible a un effet répulsif sur les électrons, la quantité de charges positives et négatives reçues par l'électrode cible tend à s'équilibrer et la cible présente une charge négative stable.
Du processus ci-dessus, on peut voir que le processus de formation de tension négative n'a rien à voir avec les propriétés du matériau cible lui-même, de sorte que la méthode RFPVD peut non seulement résoudre le problème de la pulvérisation des cibles isolantes, mais est également bien compatible. avec des cibles conductrices métalliques conventionnelles.
3.4 Équipement de pulvérisation magnétron
La pulvérisation magnétron est une méthode PVD qui ajoute des aimants à l’arrière de la cible. Les aimants ajoutés et le système d'alimentation CC (ou alimentation CA) forment une source de pulvérisation magnétron. La source de pulvérisation est utilisée pour former un champ électromagnétique interactif dans la chambre, capturer et limiter la plage de mouvement des électrons dans le plasma à l'intérieur de la chambre, étendre la trajectoire de mouvement des électrons, et ainsi augmenter la concentration du plasma, et finalement obtenir plus déposition.
De plus, comme davantage d'électrons sont liés près de la surface de la cible, le bombardement du substrat par des électrons est réduit et la température du substrat est réduite. Par rapport à la technologie DCPVD à plaque plate, l'une des caractéristiques les plus évidentes de la technologie de dépôt physique en phase vapeur par magnétron est que la tension de décharge d'allumage est plus faible et plus stable.
En raison de sa concentration en plasma plus élevée et de son rendement de pulvérisation plus important, il peut atteindre une excellente efficacité de dépôt, un contrôle de l'épaisseur du dépôt dans une large plage de tailles, un contrôle précis de la composition et une tension d'allumage plus faible. Par conséquent, la pulvérisation magnétron occupe une position dominante dans le PVD actuel sur film métallique. La conception de source de pulvérisation magnétron la plus simple consiste à placer un groupe d'aimants à l'arrière de la cible plate (en dehors du système de vide) pour générer un champ magnétique parallèle à la surface cible dans une zone locale de la surface cible.
Si un aimant permanent est placé, son champ magnétique est relativement fixe, ce qui entraîne une distribution du champ magnétique relativement fixe sur la surface cible dans la chambre. Seuls les matériaux situés dans des zones spécifiques de la cible sont pulvérisés, le taux d'utilisation de la cible est faible et l'uniformité du film préparé est médiocre.
Il existe une certaine probabilité que les particules de métal ou d'autres matériaux pulvérisées soient déposées sur la surface cible, s'agrégeant ainsi en particules et formant une contamination par défaut. Par conséquent, les sources commerciales de pulvérisation magnétron utilisent principalement une conception à aimant rotatif pour améliorer l’uniformité du film, le taux d’utilisation de la cible et la pulvérisation complète de la cible.
Il est crucial d’équilibrer ces trois facteurs. Si la balance n'est pas bien gérée, cela peut entraîner une bonne uniformité du film tout en réduisant considérablement le taux d'utilisation de la cible (raccourcissant la durée de vie de la cible), ou en ne parvenant pas à atteindre une pulvérisation complète de la cible ou une corrosion complète de la cible, ce qui entraînera des problèmes de particules pendant la pulvérisation. processus.
Dans la technologie PVD magnétron, il est nécessaire de prendre en compte le mécanisme de mouvement de l'aimant rotatif, la forme de la cible, le système de refroidissement de la cible et la source de pulvérisation magnétron, ainsi que la configuration fonctionnelle de la base qui porte la tranche, telle que l'adsorption de la tranche et le contrôle de la température. Dans le processus PVD, la température de la plaquette est contrôlée pour obtenir la structure cristalline, la taille et l'orientation des grains requises, ainsi que la stabilité des performances.
Étant donné que la conduction thermique entre l'arrière de la plaquette et la surface de la base nécessite une certaine pression, généralement de l'ordre de plusieurs Torr, et que la pression de fonctionnement de la chambre est généralement de l'ordre de plusieurs mTorr, la pression exercée sur l'arrière de la plaquette est généralement de l'ordre de plusieurs Torr. de la tranche est bien supérieure à la pression exercée sur la surface supérieure de la tranche, un mandrin mécanique ou un mandrin électrostatique est donc nécessaire pour positionner et limiter la tranche.
Le mandrin mécanique s'appuie sur son propre poids et sur le bord de la plaquette pour remplir cette fonction. Bien qu'elle présente les avantages d'une structure simple et d'une insensibilité au matériau de la plaquette, l'effet de bord de la plaquette est évident, ce qui n'est pas propice au contrôle strict des particules. Par conséquent, il a été progressivement remplacé par un mandrin électrostatique dans le processus de fabrication des circuits intégrés.
Pour les processus qui ne sont pas particulièrement sensibles à la température, une méthode de tabletterie sans adsorption et sans contact avec les bords (pas de différence de pression entre les surfaces supérieure et inférieure de la plaquette) peut également être utilisée. Lors du processus PVD, le revêtement de la chambre et la surface des pièces en contact avec le plasma seront déposés et recouverts. Lorsque l’épaisseur du film déposé dépasse la limite, le film se fissure et se décolle, provoquant des problèmes de particules.
Le traitement de surface des pièces telles que le revêtement est donc la clé pour repousser cette limite. Le sablage de surface et la pulvérisation d'aluminium sont deux méthodes couramment utilisées, dont le but est d'augmenter la rugosité de la surface afin de renforcer la liaison entre le film et la surface du revêtement.
3.5 Équipement de dépôt physique en phase vapeur par ionisation
Avec le développement continu de la technologie microélectronique, la taille des fonctionnalités devient de plus en plus petite. Étant donné que la technologie PVD ne peut pas contrôler la direction de dépôt des particules, la capacité du PVD à pénétrer par des trous et des canaux étroits avec des rapports d'aspect élevés est limitée, ce qui rend l'application élargie de la technologie PVD traditionnelle de plus en plus remise en question. Dans le processus PVD, à mesure que le rapport d'aspect de la rainure des pores augmente, la couverture en bas diminue, formant une structure en surplomb semblable à un avant-toit au coin supérieur et formant la couverture la plus faible au coin inférieur.
La technologie de dépôt physique en phase vapeur ionisée a été développée pour résoudre ce problème. Il plasmatise d'abord les atomes métalliques pulvérisés depuis la cible de différentes manières, puis ajuste la tension de polarisation chargée sur la tranche pour contrôler la direction et l'énergie des ions métalliques afin d'obtenir un flux d'ions métalliques directionnel stable pour préparer un film mince, améliorant ainsi la couverture du bas des marches à allongement élevé à travers des trous et des canaux étroits.
La caractéristique typique de la technologie des plasmas de métaux ionisés est l’ajout d’une bobine radiofréquence dans la chambre. Pendant le processus, la pression de service de la chambre est maintenue à un état relativement élevé (5 à 10 fois la pression de service normale). Pendant le PVD, la bobine radiofréquence est utilisée pour générer la deuxième région de plasma, dans laquelle la concentration du plasma d'argon augmente avec l'augmentation de la puissance radiofréquence et de la pression du gaz. Lorsque les atomes métalliques pulvérisés par la cible traversent cette région, ils interagissent avec le plasma d'argon à haute densité pour former des ions métalliques.
L'application d'une source RF sur le support de tranche (comme un mandrin électrostatique) peut augmenter la polarisation négative sur la tranche pour attirer les ions métalliques positifs vers le fond de la rainure des pores. Ce flux d'ions métalliques directionnel perpendiculaire à la surface de la plaquette améliore la couverture du fond des marches des pores à rapport d'aspect élevé et des canaux étroits.
La polarisation négative appliquée à la tranche amène également des ions à bombarder la surface de la tranche (pulvérisation inverse), ce qui affaiblit la structure en surplomb de l'embouchure de la rainure des pores et pulvérise le film déposé au fond sur les parois latérales aux coins du fond des pores. rainure, améliorant ainsi la couverture des marches dans les coins.
3.6 Équipement de dépôt chimique en phase vapeur à pression atmosphérique
L'équipement de dépôt chimique en phase vapeur à pression atmosphérique (APCVD) fait référence à un dispositif qui pulvérise une source de réaction gazeuse à une vitesse constante sur la surface d'un substrat solide chauffé dans un environnement avec une pression proche de la pression atmosphérique, provoquant une réaction chimique de la source de réaction sur la surface du substrat, et le produit de réaction est déposé sur la surface du substrat pour former un film mince.
L'équipement APCVD est le premier équipement CVD et est encore largement utilisé dans la production industrielle et la recherche scientifique. L'équipement APCVD peut être utilisé pour préparer des films minces tels que du silicium monocristallin, du silicium polycristallin, du dioxyde de silicium, de l'oxyde de zinc, du dioxyde de titane, du verre phosphosilicate et du verre borophosphosilicate.
3.7 Équipement de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression
L'équipement de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD) fait référence à un équipement qui utilise des matières premières gazeuses pour réagir chimiquement à la surface d'un substrat solide dans un environnement chauffé (350-1100°C) et basse pression (10-100 mTorr), et les réactifs sont déposés sur la surface du substrat pour former un film mince. L'équipement LPCVD est développé sur la base de l'APCVD pour améliorer la qualité des films minces, améliorer l'uniformité de distribution des paramètres caractéristiques tels que l'épaisseur et la résistivité du film et améliorer l'efficacité de la production.
Sa principale caractéristique est que dans un environnement de champ thermique à basse pression, le gaz de traitement réagit chimiquement sur la surface du substrat de la tranche et les produits de réaction se déposent sur la surface du substrat pour former un film mince. L'équipement LPCVD présente des avantages dans la préparation de films minces de haute qualité et peut être utilisé pour préparer des films minces tels que l'oxyde de silicium, le nitrure de silicium, le polysilicium, le carbure de silicium, le nitrure de gallium et le graphène.
Par rapport à l'APCVD, l'environnement de réaction à basse pression de l'équipement LPCVD augmente le libre parcours moyen et le coefficient de diffusion du gaz dans la chambre de réaction.
Les molécules de gaz de réaction et de gaz porteur dans la chambre de réaction peuvent être distribuées uniformément en peu de temps, améliorant ainsi considérablement l'uniformité de l'épaisseur du film, l'uniformité de la résistivité et la couverture des marches du film, et la consommation de gaz de réaction est également faible. De plus, l’environnement à basse pression accélère également la vitesse de transmission des substances gazeuses. Les impuretés et les sous-produits de réaction diffusés à partir du substrat peuvent être rapidement éliminés de la zone de réaction à travers la couche limite, et le gaz de réaction passe rapidement à travers la couche limite pour atteindre la surface du substrat pour la réaction, supprimant ainsi efficacement l'auto-dopage, préparant des films de haute qualité avec des zones de transition abruptes, tout en améliorant également l'efficacité de la production.
3.8 Équipement de dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma
Le dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma (PECVD) est un t largement utilisétechnologie de dépôt de film hin. Au cours du processus plasma, le précurseur gazeux est ionisé sous l'action du plasma pour former des groupes actifs excités, qui diffusent vers la surface du substrat puis subissent des réactions chimiques pour achever la croissance du film.
Selon la fréquence de génération du plasma, le plasma utilisé dans le PECVD peut être divisé en deux types : le plasma radiofréquence (plasma RF) et le plasma micro-ondes (plasma micro-ondes). À l'heure actuelle, la fréquence radio utilisée dans l'industrie est généralement de 13,56 MHz.
L'introduction du plasma radiofréquence est généralement divisée en deux types : le couplage capacitif (CCP) et le couplage inductif (ICP). La méthode de couplage capacitif est généralement une méthode de réaction directe au plasma ; tandis que le procédé de couplage inductif peut être un procédé à plasma direct ou un procédé à plasma distant.
Dans les processus de fabrication de semi-conducteurs, le PECVD est souvent utilisé pour faire croître des films minces sur des substrats contenant des métaux ou d'autres structures sensibles à la température. Par exemple, dans le domaine de l'interconnexion métallique back-end de circuits intégrés, étant donné que les structures de source, de grille et de drain du dispositif ont été formées au cours du processus frontal, la croissance de films minces dans le domaine de l'interconnexion métallique est soumise à à des contraintes de budget thermique très strictes, il est donc généralement complété par une assistance plasma. En ajustant les paramètres du processus plasma, la densité, la composition chimique, la teneur en impuretés, la ténacité mécanique et les paramètres de contrainte du film mince développé par PECVD peuvent être ajustés et optimisés dans une certaine plage.
3.9 Équipement de dépôt de couche atomique
Le dépôt de couche atomique (ALD) est une technologie de dépôt de couches minces qui se développe périodiquement sous la forme d'une couche quasi-monoatomique. Sa particularité est que l'épaisseur du film déposé peut être ajustée avec précision en contrôlant le nombre de cycles de croissance. Contrairement au procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), les deux (ou plus) précurseurs du procédé ALD traversent alternativement la surface du substrat et sont efficacement isolés par la purge de gaz rares.
Les deux précurseurs ne se mélangeront pas et ne se rencontreront pas en phase gazeuse pour réagir chimiquement, mais réagiront uniquement par adsorption chimique sur la surface du substrat. Dans chaque cycle ALD, la quantité de précurseur adsorbée sur la surface du substrat est liée à la densité des groupes actifs sur la surface du substrat. Lorsque les groupes réactifs sur la surface du substrat sont épuisés, même si un excès de précurseur est introduit, l'adsorption chimique ne se produira pas sur la surface du substrat.
Ce processus réactionnel est appelé réaction autolimitante de surface. Ce mécanisme de processus rend constante l'épaisseur du film développé à chaque cycle du processus ALD, de sorte que le processus ALD présente les avantages d'un contrôle précis de l'épaisseur et d'une bonne couverture des étapes du film.
3.10 Équipement d’épitaxie par faisceau moléculaire
Le système d'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) fait référence à un dispositif épitaxial qui utilise un ou plusieurs faisceaux atomiques ou moléculaires d'énergie thermique pour pulvériser sur la surface du substrat chauffée à une certaine vitesse dans des conditions d'ultra-vide, et adsorber et migrer sur la surface du substrat. pour faire croître par épitaxie des films minces monocristallins le long de la direction de l'axe cristallin du matériau de substrat. Généralement, dans des conditions de chauffage par un four à jet doté d'un écran thermique, la source de faisceau forme un faisceau atomique ou un faisceau moléculaire, et le film se développe couche par couche le long de la direction de l'axe cristallin du matériau de substrat.
Ses caractéristiques sont une faible température de croissance épitaxiale et l'épaisseur, l'interface, la composition chimique et la concentration d'impuretés peuvent être contrôlées avec précision au niveau atomique. Bien que le MBE soit issu de la préparation de films monocristallins ultra-minces semi-conducteurs, son application s'est maintenant étendue à une variété de systèmes de matériaux tels que les métaux et les diélectriques isolants, et peut préparer III-V, II-VI, silicium, silicium germanium (SiGe ), le graphène, les oxydes et les films organiques.
Le système d'épitaxie par jet moléculaire (MBE) est principalement composé d'un système à ultra-vide, d'une source de faisceau moléculaire, d'un système de fixation et de chauffage du substrat, d'un système de transfert d'échantillons, d'un système de surveillance in situ, d'un système de contrôle et d'un test. système.
Le système de vide comprend des pompes à vide (pompes mécaniques, pompes moléculaires, pompes ioniques et pompes à condensation, etc.) et diverses vannes, qui peuvent créer un environnement de croissance sous vide ultra poussé. Le degré de vide généralement réalisable est de 10-8 à 10-11 Torr. Le système de vide comprend principalement trois chambres de travail sous vide, à savoir la chambre d'injection d'échantillon, la chambre de prétraitement et d'analyse de surface et la chambre de croissance.
La chambre d'injection d'échantillons est utilisée pour transférer des échantillons vers le monde extérieur afin de garantir les conditions de vide poussé des autres chambres ; la chambre de prétraitement et d'analyse de surface relie la chambre d'injection d'échantillon et la chambre de croissance, et sa fonction principale est de prétraiter l'échantillon (dégazage à haute température pour assurer la propreté complète de la surface du substrat) et d'effectuer une analyse de surface préliminaire sur le échantillon nettoyé ; la chambre de croissance est la partie centrale du système MBE, principalement composée d'un four source et de son ensemble obturateur correspondant, d'une console de contrôle des échantillons, d'un système de refroidissement, d'un système de diffraction électronique à haute énergie par réflexion (RHEED) et d'un système de surveillance in situ . Certains équipements MBE de production ont plusieurs configurations de chambres de croissance. Le diagramme schématique de la structure de l'équipement MBE est présenté ci-dessous :
Le MBE du matériau silicium utilise du silicium de haute pureté comme matière première, se développe dans des conditions d'ultra-vide (10-10～10-11Torr) et la température de croissance est de 600～900℃, avec Ga (type P) et Sb ( type N) comme sources de dopage. Les sources de dopage couramment utilisées telles que P, As et B sont rarement utilisées comme sources de faisceau car elles sont difficiles à évaporer.
La chambre de réaction du MBE dispose d’un environnement ultra-vide, ce qui augmente le libre parcours moyen des molécules et réduit la contamination et l’oxydation à la surface du matériau en croissance. Le matériau épitaxial préparé présente une bonne morphologie et uniformité de surface, et peut être transformé en une structure multicouche avec différents dopages ou différents composants de matériau.
La technologie MBE permet la croissance répétée de couches épitaxiales ultra-minces avec une épaisseur d'une seule couche atomique, et l'interface entre les couches épitaxiales est raide. Il favorise la croissance des semi-conducteurs III-V et d’autres matériaux hétérogènes multi-composants. À l'heure actuelle, le système MBE est devenu un équipement de processus avancé pour la production d'une nouvelle génération de dispositifs micro-ondes et de dispositifs optoélectroniques. Les inconvénients de la technologie MBE sont un taux de croissance lent du film, des exigences de vide élevées et des coûts élevés d'équipement et d'utilisation de l'équipement.
3.11 Système d'épitaxie en phase vapeur
Le système d'épitaxie en phase vapeur (VPE) fait référence à un dispositif de croissance épitaxiale qui transporte des composés gazeux vers un substrat et obtient une couche de matériau monocristallin avec le même agencement de réseau que le substrat par le biais de réactions chimiques. La couche épitaxiale peut être une couche homoépitaxiale (Si/Si) ou une couche hétéroépitaxiale (SiGe/Si, SiC/Si, GaN/Al2O3...). Actuellement, la technologie VPE est largement utilisée dans les domaines de la préparation de nanomatériaux, des dispositifs électriques, des dispositifs optoélectroniques à semi-conducteurs, de l'énergie solaire photovoltaïque et des circuits intégrés.
Le VPE typique comprend l'épitaxie à pression atmosphérique et l'épitaxie à pression réduite, le dépôt chimique en phase vapeur sous vide ultra poussé, le dépôt chimique en phase vapeur organométallique, etc. Les points clés de la technologie VPE sont la conception de la chambre de réaction, le mode et l'uniformité du débit de gaz, l'uniformité de la température et le contrôle de précision, contrôle et stabilité de la pression, contrôle des particules et des défauts, etc.
À l'heure actuelle, l'orientation du développement des systèmes VPE commerciaux grand public est le chargement de grandes tranches, le contrôle entièrement automatique et la surveillance en temps réel de la température et du processus de croissance. Les systèmes VPE ont trois structures : verticale, horizontale et cylindrique. Les méthodes de chauffage comprennent le chauffage par résistance, le chauffage par induction à haute fréquence et le chauffage par rayonnement infrarouge.
À l'heure actuelle, les systèmes VPE utilisent principalement des structures de disques horizontaux, qui présentent les caractéristiques d'une bonne uniformité de croissance du film épitaxial et d'un chargement important des tranches. Les systèmes VPE se composent généralement de quatre parties : le réacteur, le système de chauffage, le système de circulation des gaz et le système de contrôle. Le temps de croissance des films épitaxiaux GaAs et GaN étant relativement long, le chauffage par induction et le chauffage par résistance sont principalement utilisés. Dans le silicium VPE, la croissance d'un film épitaxial épais utilise principalement le chauffage par induction ; La croissance d'un film épitaxial mince utilise principalement le chauffage infrarouge pour atteindre l'objectif d'une augmentation/descente rapide de la température.
3.12 Système d'épitaxie en phase liquide
Le système d'épitaxie en phase liquide (LPE) fait référence à l'équipement de croissance épitaxiale qui dissout le matériau à cultiver (tel que Si, Ga, As, Al, etc.) et les dopants (tels que Zn, Te, Sn, etc.) dans un métal avec un point de fusion inférieur (tel que Ga, In, etc.), de sorte que le soluté soit saturé ou sursaturé dans le solvant, puis le substrat monocristallin est mis en contact avec la solution, et le soluté est précipité du solvant par refroidit progressivement, et une couche de matériau cristallin ayant une structure cristalline et une constante de réseau similaires à celles du substrat se développe sur la surface du substrat.
La méthode LPE a été proposée par Nelson et al. en 1963. Il est utilisé pour faire croître des films minces de Si et des matériaux monocristallins, ainsi que des matériaux semi-conducteurs tels que les groupes III-IV et le tellurure de mercure-cadmium, et peut être utilisé pour fabriquer divers dispositifs optoélectroniques, dispositifs micro-ondes, dispositifs semi-conducteurs et cellules solaires. .
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Heure de publication : 31 août 2024