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Halbleitertechnologie SoSe 2019 Dr.-Ing. Remigius Poloczek / Dr.-Ing. Klaus Kallis Labor für Halbleiter-Bauelemente und Bussysteme 8. Depositionsverfahren – CVD Verfahren

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8. Depositionsverfahren – CVD Verfahren

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CVD = Chemical Vapor Deposition

Zersetzung von (siliziumhaltigen) Gasmolekülen durch Energiezufuhr

in einen festen, sich abscheidenden Anteil und einen gasförmigen,

abzupumpenden oder abzusaugenden Anteil.

Energiequelle zur Anregung/Zersetzung:

Temperatur

HF-Zufuhr

Depositionsverfahren – CVD-Verfahren

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Ziel:

Erzeugung homogener partikelfreier Schichten hoher elektrischer

Stabilität mit geringster Konzentration an Verunreinigungen und

möglichst auf allen anderen Schichten abscheidbar.

Verfahren:

APCVD = Atmospheric Pressure …

LPCVD = Low Pressure …

PECVD = Plasma Enhanced …

Depositionsverfahren – CVD-Verfahren

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Si

SiO2a)

Si

SiO2

b)

d2d1

d1 > d2

Si

c)

c2c1

c3

a) konforme Abscheidung mit γ = rv/rh = 1

b) Deposition mit γ = 0,5

c) Akzeptanzwinkel für die Abscheidung

CVD-Verfahren – Konformität I

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d) e)

typischeDepositionsprofile

Ziel:

konforme Abscheidung mit γ = 1

⇒ reaktionsbegrenzter Prozess mit geringem Druck währendder Abscheidung bei hoher Temperatur

⇒ nur spezielle Gase möglich

CVD-Verfahren – Konformität II

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Temperaturabhängigkeit der Abscheidung:

T klein ⇒ die Reaktion begrenzt die Abscheiderate r

T groß ⇒ die Zufuhr an Reaktionsprodukten begrenzt r

TransportbestimmteDeposition

ReaktionsbestimmteDeposition

1/Theiß kalt

log

r

CVD-Verfahren – Temperaturabhängigkeit

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Absaugung

Heizung

B2H6 PH3

N2

N2

O3

SiH4

Temperatur bei 400°C rel. schlechte Konformität (diffusionsbegrenzt) Einsatz von O3 (hohe Oberflächendiffusion) kann

Stufenabdeckung verbessern

CVD-Verfahren – APCVD-Reaktor

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APCVD Oxide weisen im Allgemeinen nur sehr schlechte mechanische, chemische und elektrische Eigenschaften auf

Prozess wird nur noch selten verwendet

Dotierung des Oxides:

Zugabe von Phosphin (PH3) und/oder Diboran (B2H6)⇒ Absenkung des Schmelzpunktes (< 900°C)

Alle Gase sind giftig und explosiv!!!!⇒ nur stark verdünnte Gase verwenden

z.B. 2 % Silan in Ar, 0,2 % PH3 in Ar

CVD-Verfahren – APCVD-Abscheidung

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APCVD Parameter

Einfluss auf die Oxidschicht

Aufwachsrate Phosphor-gehalt Stress

Flussrate

Phosphinanteil

Sauerstoffanteil

Temperatur

Flussrate

Pfeilrichtung gibt relative Zu- bzw. Abnahme an

stark schwach keine

↑+ 34 PHSiH

↑4

3

SiHPH

↑+ 34

2

PHSiHO

↑T

↑2N

H

N

APCVD – Parametereinflüsse auf die Oxidschicht

Sauerstoffanteil: H = hoch N = niedrig

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N2 N2 N2

N2

TEOS TEP (Triethylphosphat)

°C °C

Vac

CVD-Verfahren – LPCVD-Abscheidung

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675 695 715 735 755 775 7950

20

40

60

80

100

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5[Å

/min

]

Temperatur [°C]

TEOS-Partialdruck

Abscheiderate

[mba

r]

LPCVD-Abscheidung – Abscheiderate

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LPCVD-Verfahren:

Abscheidng im Unterdruckverfahren (Low Pressure CVD)

Reaktionsgaszersetzung durch thermische Energie

flüssige und gasförmige Quellen möglich

Abscheiderate bestimmt von:

Temperatur

Druck

Gasdurchfluss

LPCVD-Abscheidung – Übersicht

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LPCVD

APCVD

Kaltwand

Heißwand

Heißwand

Kaltwand

Poly SiSiO2

Kont. SystemSiO2

EpitaxieW-CVD

Poly SiO2Si3N4

A/LPCVD-Abscheidung – Reaktoren u. Verfahren

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Plasma

~~

Gasversorgung/Gasentsorgung (Pumpenstand)

Parallelplattenreaktor

CVD-Verfahren – PECVD-Anlagenaufbau I

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Quarzrohr vergleichbar zum LPCVD-System mit Spezialboot

Zersetzung:

thermische und HF-Anregung der Gase

Drucksensor

Gaseinlass

Heizwicklung

Pumpe

Graphitelektroden

Si-Substrate

HF

CVD-Verfahren – PECVD-Anlagenaufbau II

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0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Verhältnis N2O/SiH4

Auf

wac

hsra

te [n

m/m

in] 0 100 200 300 400 500 600 700

HF-Leistung [W]

Ätz

rate

(BO

E) [

nm/m

in]

60

80

100

120

140

160

180

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Verhältnis N2O/SiH4

0 100 200 300 400 500 600 700

HF-Leistung [W]

Typische Parameterabhängigkeiten für SiO2-Abscheidung (PECVD)

PECVD-Abscheidung – Beispiel SiO2 I

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1,450 20 40 60 80 100 120 140 160

Verhältnis N2O/SiH4

Bre

chun

gsin

dex

0 100 200 300 400 500 600 700

HF-Leistung [W]

1,50

1,55

1,60

1,65

1,70

1,75

siliziumreiches Oxid durch geringe N2O-Zufuhr

N2O spaltet erst bei höherer HF-Leistung auf als SiH4

geringe Abscheiderate durch schwache HF-Anregung

PECVD-Abscheidung – Beispiel SiO2 II

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Bei Atmosphärendruck (APCVD):

Siliziumdioxid SiH4 + O2 400°C

SiO4C8H20 (TEOS) + O3 375°C

Im Vakuum (LPCVD):

Polysilizium SiH4 620°C

Siliziumnitrid SiCl2H2 + NH3 750 - 800°C

Siliziumdioxid SiO4C8H20 (TEOS) 750°C

Siliziumdioxid SiCl2H2 + N2O 900°C

Wolfram WF6 + H2 350 - 550°C

CVD-Depositionsverfahren – Materialien I

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Flüssigquellen:

Si(C2H5O)4 TEOS 750°C

Si4O4C4H16 TOMCATS 600°C(Tetramethylcylotetrasiloxan TMCTS)

SiH2(C4H9)2 CONSI4000 450°C(Ditertiarybutylsilan)

SiC4H12 Dieethylsilan (DES) 380°C

Plasmaunterstützung (PECVD):

im Prinzip alle LPCVD-Verfahren

Temperatur bei 250 - 350°C

aber: SiCl2H2 wird durch SiH4 ersetzt

CVD-Depositionsverfahren – Materialien II

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CVD-Deposition – Kantenbedeckung PECVD

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CVD-Deposition – Einebnung durch BPSG – Absch.

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APCVD LPCVD PECVD

Kanten-bedeckung

schlecht, wächst nur auf waagerechten

Oberflächen,Verhältnis bei 0,5

gut, konformeAbscheidung,Verhältnis bei

0,8 - 0,95

gut, relativ konformeAbscheidung,Verhältnis bei

0,6 - 0,9

Schichtart porös dicht mittel dicht

Partikelanzahl Partikel möglich partikelfrei partikelarm

Geräteaufwand geringPumpensystem

erforderlichhoch

Abscheiderate hoch mittel hoch

Gasdurchsatz hoch gering hoch

Temperatur gering hoch sehr gering

CVD-Depositionsverfahren – Übersicht