Осаждение из газовой фазы

Химическое осаждение из газовой фазы можно определить как конденсацию газообразных (парообразных) элементов или соедине­ний с образованием твердых осадков. Отличие от методов физического осаждения заключается в том, что состав газовой фазы и состав осадка существенно различаются. Летучее соединение осаждаемого элемента подается к подложке, где подвергается термическому разложению (пиролизу) или вступает в восстановительные химические реакции с другими газами (или парами); при этом нелетучие продукты реакций осаждаются на поверхность подложки. Осадки образуются в результате большого количества химических реакций, протекающих в газовой фазе вблизи от поверхности подложки и на самой поверхности подложки, что в значительной мере усложняет процесс осаждения, но делает его гораздо более универсальным и гибким.

Классификация процессов ХОГФ функциональных слоев ИС

На современном этапе развития процессы ХОГФ можно классифицировать следующим образом (рис. 9). По давлению во время процесса: процессы при атмосферном давлении (760 торр), при субатмосферном давлении (20-700 торр), низкого давления (10^-2-10 торр) и сверхнизкого давления (10^-3-10^-6 торр).

Процессы ХОГФ можно классифицировать по виду активации, способу подачи реагентов, виду группы материалов, к которой относится осаждаемый слой, и по хи­мическому составу газовой фазы

Рис. 9. Классификация процессов ХОГФ

Так, процессы ХОГФ только с термической активацией подразде­ляются на низкотемпературные процессы (LT —low temperature processes) до 500°С, которые выдерживает алюминиевая металлиза­ция и высокотемпературные процессы (НТ - high temperature processes) свыше 500°С, которые могут быть использованы только на транзисторной части изготовления ИС. Кроме того, обе группы процессов ХОГФ могут разделяться по ско­рости нагрева подложки:

— на обычные равновесные термические процессы, в которых подложка нагревается до рабочей температуры в течение минут, при­ходя в тепловое равновесие с нагретым подложкодержателем или на­гретой реакционной зоной;

— на быстрые термические процессы, в которых подложка достигает стационарной рабо­чей температуры (не приходя в термическое равновесие с подложко­держателем или реакционной зоной) с помощью лампового нагрева со скоростями 25— 150°С/сек.

Существуют чисто плазмохимические и чисто фотоннохимические процессы ХОГФ, в которых нет специального активирующего воздействия температуры на пластины.

Процессы ХОГФ с дополнительной активацией (дополнитель­ной к термической активации) подразделяются по виду активации:

— на плазмоактивируемые процессы — (plasma enhanced CVD or plasma assisted CVD - PE CVD or PACVD);

— на фотонноактивируемые процессым — (процессы ХОГФ, активируемые излучением (photon enhanced CVD - PhE CVD);

— на радикальноактивируемые процессы — (процес­сы ХОГФ, активируемые химически активными частицами (радика­лами)) (radical enhanced CVD - RE CVD);

— на катализаторноактивируемые процессы — (про­цессы ХОГФ, активируемые адсорбированными на поверхности га­зовыми частицами, играющими роль катализатора реакции осажде­ния) (catalyst enhanced CVD - СЕ CVD).

Плазмоактивируемые процессы ХОГФ могут разделяться по виду плазмы, используемой для активации на процессы, активируемые:

— импульсной плазмой;

— плазмой высокой плотности;

— плазмой разной частоты: низкочастотной, меньше 1 МГц, высокочастотной, обычно 13,56 МГц и 27,12 МГц, и сверхвысокочастотной (СВЧ), обычно 2,45 ГГц;

—   двухчастотной плазмой.

Процессы, активируемые плазмой высокой плотности (ПВП), могут классифицироваться по виду разряда, создающего плазму вы­сокой плотности:

— на СВЧ ЭЦР (электронно-циклотронный резонанс) ПВП;

— на ВЧ резонансную индукционно связанную ПВП;

— и на ВЧ трансформаторно связанную ПВП.

Фотонноактивируемые процессы ХОГФ по виду и спектрально­му диапазону используемого излучения могут классифицироваться на процессы, активируемые:

— лазерным когерентным излучением (laser enhanced CVD — LE CVD);

— инфракрасным излучением;

— излучением видимого света;

— ультрафиолетовым излучением;    

— глубоким ультрафиолетовым излучением.

Радикальноактивируемые процессы ХОГФ могут классифициро­ваться по виду используемых химически активных частиц (радика­лов) на процессы с использованием:

—   озона;

—   атомарного азота);

—   атомарного водорода.

Катализаторноактивируемые процессы ХОГФ могут класси­фицироваться по виду газа (или пара), частицы которого, адсорбиро­ванные на поверхности подложки, играют роль катализатора.

По способу подачи реагентов процессы ХОГФ подразделяются на процессы:

— с непрерывной подачей всех реагентов, участвующих в реак­ции осаждения функционального слоя;

— с дискретной разнесенной во времени подачей каждого из ре­агентов, участвующих в реакции осаждения функционального слоя.

Процессы ХОГФ с непрерывной подачей реагентов классифици­руются на процессы:

— с подачей реагентов с помощью газа-носителя;

— с прямой (непосредственной) подачей реагентов.

Процессы ХОГФ с дискретной подачей реагентов классифицируются:

— на процессы, в которых в промежутке между подачей каж­дого из реагентов, участвующих в реакции осаждения функциональ­ного слоя, происходит откачка системы или ее продувка инертным газом при том же давлении, что и при подаче реагентов, так что ре­агенты не встречаются в газовой фазе у поверхности подложки, а происходит периодическая самоостанавливающаяся реакция одного подаваемого реагента с адсорбируемым на поверхности подложки слоем другого реагента. Такие процессы послойного ХОГФ, контро­лируемые поверхностной химией, называются процессами атомно слоевого химического осаждения из газовой фазы (atomic layer CVD — или сокращенно atomic layer deposition — ALD);

— на процессы, в которых в промежутке между подачей каж­дого из реагентов, участвующих в реакции осаждения функцио­нального слоя, происходит очень быстрая продувка системы инерт­ным газом при повышенном давлении. Очевидно, что в этом случае реагенты имеют возможность более длительного взаимодействия на поверхности подложки, так как скорости осаждения слоев в несколько раз выше, чем при атомно-слоевом осаждении. Такие процессы ХОГФ называются процессами импульсного химическо­го осаждения слоев из газовой фазы (pulsed layer CVD — PL CVD). Естественно, что термоактивируемые процессы ХОГФ с диск­ретной подачей реагентов также могут быть дополнительно активированы плазмой (ПА АСО - РЕ ALD), фотонами (ФА ИОС - PhE PDL) и радикалами (PA AGO - RE ALD).

По группе материалов, к которой относится осаждаемый слой, процессы ХОГФ подразделяются на процессы осаждения полупровод­ников, диэлектриков, металлов, силицидов и нитридов металлов.

В случае если на поверхности подложки располагаются слои раз­ных материалов, то процессы ХОГФ могут подразделяться на селек­тивные и неселективные процессы.

При селективных процессах ХОГФ пленка осаждается толь­ко на участки подложки, где находится определенный материал. Например, осаждение пленки вольфрама или эпитаксиальной пленки Si_1-xGe_x на поверхность подложки со слоем двуокиси кремния, в котором вскрыты участки к монокремнию, происходит только на учас­тках монокремния.

В неселективных процессах ХОГФ осаждение пленок происхо­дит на всю поверхность подложки независимо от вида материалов на ее поверхности.

И, наконец, процессы ХОГФ пленок материалов могут классифи­цироваться по химическому составу газовой фазы, т.е. по виду груп­пы химических реагентов или конкретных химических реагентов, используемых для осаждения пленки материала.

 Функциональные слои ИС, осаждаемые в процессах ХОГФ

Процессы химического осаждения из газовой фазы можно исполь­зовать для получения следующих функциональных слоев ИС: 1. Эпитаксиальных монокристаллических пленок кремния, германия и кремний - германиевых гетероструктур. 2. Пленок поликремния нелегированного и легированного, аморфного кремния, аморфного гидрогенизированного кремния и поликремния с полусферическими зернами. 3. Пленок оксида кремния, пленок силикатных стекол не­легированных, легированных фосфором, легированных бором, легированных бором и фосфором. 4. Пленок нитрида кремния, гидрогенизирован­ного нитрида кремния и оксинитрида кремния. 5. Пленок диэлектриков с низкой диэлектрической постоянной. 6. Пленок диэлектриков с высокой диэлектрической постоян­ной. 7. Металлических, силицидных, нитридных и карбидных пленок. 8. Пленок алюминия и его сплавов. 9. Пленок меди. 10. Пленок кремнийорганических фоторезистов для глубокого ультрафиолета.

Для осаждения эпитаксиальных пленок кремния, германия и гетероструктур кремний—германий обычно используются высокотемпературные (Т>700^оС) термоактивированные хлоридные (с при­менением хлорсодержащих соединений кремния и германия) и гидридные (с применением водородосодержащих соединений кремния и германия) процессы ХОГФ.

При ХОГФ эпитаксиальных пленок кремния применяются следу­ющие реагенты: тетрахлорид кремния (SiCl₄), трихлорсилан (SiHCl₃), дихлорсилан (SiH₂Cl₂) и силан (SiH₄); а при ХОГФ эпитаксиальных пленок германия — тетрахлорид германия (GeCl₄) и герман (GeH₄).

Преимуществами гидридных процессов эпитаксии слоев крем­ния и германия по сравнению с хлоридными процессами являются сравнительно низкие температуры осаждения и отсутствие хими­ческого воздействия хлорсодержащих соединений на подложку и растущий слой. Это позволяет уменьшить автолегирование осаж­даемых слоев, получать более резкие концентрационные профили подложка—слой, улучшить качество эпитаксиальных слоев кремния и германия при гетероэпитаксии на диэлектрические и инородные полупроводниковые подложки, например кремний на сапфире, снизить искажения топологического рельефа слоев при осаждении на подложки со скрытым слоем. Однако моносилан и герман имеют более высокую стоимость по сравнению с тетрахлоридами кремния и германия, а также гидридные процессы более чувствительны к содержанию следов влаги и кислорода в реакторах и газовых системах.

Напряженные монокристаллические слои можно получить с по­мощью ХОГФ, только меньше критической толщины, так как далее происходит релаксация напряжения за счет образования дислокаций.