Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est un procédé de revêtement qui utilise des réactions chimiques induites thermiquement ou électriquement à la surface d'un substrat chauffé, avec des réactifs fournis sous forme gazeuse. Le CVD est une méthode de dépôt utilisée pour produire des matériaux solides de haute qualité et hautes performances, généralement sous vide. Les films ou revêtements minces sont produits par la dissociation ou des réactions chimiques de réactifs gazeux dans un environnement activé (chaleur, lumière, plasma).
Epitaxie signifie"en haut" ou"attribué à", et représente un processus dans lequel une couche est créée au-dessus d'une autre couche et hérite de sa structure cristalline. Si la couche déposée est du même matériau que le substrat on parle d'homéoépitaxie, si c'est un autre matériau c'est ce qu'on appelle l'hétéroépitaxie. Le processus le plus important dans l'homépitaxie est le dépôt de silicium sur silicium, en hétéroépitaxie généralement une couche de silicium est déposée sur un isolant tel que l'oxyde (Silicon On Insulator : SOI). Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est un procédé de revêtement qui utilise thermiquement ou des réactions chimiques induites électriquement à la surface d'un substrat chauffé, avec des réactifs fournis sous forme gazeuse. Le CVD est une méthode de dépôt utilisée pour produire des matériaux solides de haute qualité et hautes performances, généralement sous vide. Les films ou revêtements minces sont produits par la dissociation ou des réactions chimiques de réactifs gazeux dans un environnement activé (chaleur, lumière, plasma).
Homoépitaxie
Selon le procédé, les plaquettes peuvent être livrées par le fabricant de plaquettes avec une couche épitaxiale (par exemple pour la technologie CMOS), ou le fabricant de puces doit la fabriquer lui-même (par exemple en technologie bipolaire).
En tant que gaz pour générer la couche épitactique, l'hydrogène pur est utilisé en conjonction avec le silane (SiH4), dichlorosilane (SiH2Cl2) ou tétrachlorure de silicium (SiCl4). A environ 1000°C, les gaz clivent le silicium qui se dépose à la surface de la plaquette. Le silicium hérite de la structure du substrat et croît, pour des raisons énergétiques, couche par couche successivement. Pour ne pas faire grandir un silicium polycristallin, il faut toujours prévaloir une pénurie d'atomes de silicium, par exemple il y a toujours un peu moins de silicium disponible car le matériau pourrait effectivement grandir. Lorsqu'on utilise du tétrachlorure de silicium, la réaction se déroule en deux étapes :
SiCl4+ H2→SiCl22HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Afin d'hériter de l'orientation du substrat's la surface doit être absolument claire. On peut donc utiliser la réaction d'équilibre. Les deux réactions peuvent se produire dans l'autre sens, selon le rapport des gaz. S'il n'y a que peu d'hydrogène dans l'atmosphère, comme dans le procédé au trichlorosilane pour la purification du silicium brut, de la matière est retirée de la surface de la plaquette de silicium en raison de la concentration élevée en chlore. Ce n'est qu'avec une concentration croissante d'hydrogène que la croissance est obtenue.
Avec SiCl4la vitesse de dépôt est d'environ 1 à 2 microns par minute. Comme le silicium monocristallin ne croît que sur la surface nue, certaines zones peuvent être masquées avec de l'oxyde où le silicium croît sous forme de silicium polycristallin. Ce polysilicium, cependant, est gravé très facilement par rapport au silicium monocristallin par la réaction en marche arrière. Diborane (B2H6) ou la phosphine (PH3) sont ajoutés aux gaz de traitement, pour créer des couches dopées, car les gaz dopants se décomposent à haute température et les dopants sont incorporés dans le réseau cristallin.
Le processus de création de couches home-épitaxiques est réalisé sous atmosphère sous vide. Par conséquent, la chambre de traitement est chauffée à 1200°C pour éliminer l'oxyde natif, qui est toujours présent à la surface du silicium. Comme mentionné ci-dessus, en raison d'une faible concentration en hydrogène, il se produit une gravure en arrière sur la surface du silicium. Cela peut être utilisé pour nettoyer la surface avant que le processus réel ne commence. Si la concentration de gaz est modifiée après ce nettoyage, le dépôt commence.
Illustration d'un réacteur baril pour des procédés épitactiques
En raison des températures élevées du processus, une diffusion'sa de dopants dans le substrat ou d'impuretés, qui ont été utilisées dans des processus antérieurs, peut se déplacer vers le substrat. Si SiH2Cl2ou SiH4y sont utilisés's pas besoin de températures aussi élevées, donc ces gaz sont principalement utilisés. Pour réaliser le processus de gravure en arrière pour nettoyer la surface, HCl doit être ajouté séparément. L'inconvénient de ces silanes est qu'ils forment des germes dans l'atmosphère juste avant le dépôt, et donc la qualité de la couche n'est pas aussi bonne qu'avec SiCl4.
Il existe souvent un besoin de couches qui ne peuvent's pas être créées directement à partir du substrat. Pour déposer des couches de nitrure de silicium ou d'oxynitrure de silicium, il faut utiliser des gaz qui contiennent tous les composants nécessaires. Les gaz sont décomposés par l'énergie thermique. C'est's le principe du dépôt chimique en phase vapeur : CVD. La surface de la plaquette ne réagit pas avec les gaz mais sert de couche inférieure. Selon les paramètres du processus - pression, température - la méthode CVD peut être divisée en différentes méthodes dont les couches diffèrent en densité et en couverture. Si la croissance sur les surfaces horizontales est aussi élevée que sur les surfaces verticales, le dépôt est conforme.
La conformité K est le rapport de croissance verticale et horizontale,K = Rv/Rh. Si le dépôt n'est pas idéal, la conformité est inférieure à 1 (ex.Rv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Une conformité élevée ne peut être obtenue que par des températures de processus élevées.
Des profils imaginables
L'APCVD est une méthode CVD à pression normale (pression atmosphérique) qui est utilisée pour le dépôt d'oxydes dopés et non dopés. L'oxyde déposé a une faible densité et la couverture est modérée en raison d'une température relativement basse. Grâce à des outils améliorés, l'APCVD connaît une renaissance. Le débit élevé de plaquettes est un grand avantage de ce processus.
Comme gaz de procédé silane SiH4(fortement dilué avec de l'azote N2) et l'oxygène O2sont utilisés. Les gaz sont décomposés thermiquement à environ 400°C et réagissent les uns avec les autres pour former le film souhaité.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105°Pa)
Ajout d'ozone O3peut provoquer une meilleure conformité car elle améliore la mobilité des particules accumulées. L'oxyde est poreux et électriquement instable et peut être densifié par un procédé à haute température.
Pour éviter les bords qui peuvent entraîner des difficultés lors du dépôt de couches supplémentaires, du verre au silicate de phosphore (PSG) est utilisé pour les intercalaires. Pour cela, de la phosphine est ajoutée au SiH4et ô2, de sorte que l'oxyde déposé contient 4 à 8 % de phosphore. Une grande quantité de phosphore entraîne une forte augmentation des propriétés d'écoulement, cependant, de l'acide phosphorique peut se former, ce qui corrode l'aluminium (chemins conducteurs).
Parce que le recuit affecte les processus antérieurs (par exemple le dopage), seul un revenu court est effectué avec des lampes à argon puissantes (plusieurs centaines de kW, moins de 10 s, T=1100°C) au lieu d'un recuit dans des processus de four longs.
Le bore analogue au PSG peut être ajouté simultanément (verre de silicate de bore et de phosphore, BPSG, 4% B et 4% P).
Illustration d'un réacteur APCVD horizontal
Dans LPCVD, un vide est utilisé. Films minces de nitrure de silicium (Si3N4), oxynitrure de silicium (SiON), SiO2et du tungstène (W) peuvent être créés. Les procédés LPCVD permettent une conformité élevée de près de 1. Ceci est dû à la faible pression de 10 à 100Pa (pression atmosphérique=100.000Pa) qui conduit à un mouvement non uniforme des particules. Les particules se dispersent en raison des collisions et couvrent des surfaces verticales aussi bien qu'horizontales. La conformité est soutenue par une température élevée allant jusqu'à 900°C. Par rapport à APCVD, la densité et la stabilité sont très élevées.
Les réactions pour Si3N4, SiON, SiO2et le tungstène sont les suivants :
a) Si3N4(850°C) : 4NH33SiH2Cl2→Si3N4+ 6HCl + 6H2
b) SiON (900°C) : NH3+ SiH2Cl2+ N2O→Si3N4+ Nebenprodukte
c) SiO2(700°C) : SiO4C8H20→SiO2+ Nebenprodukte
d) Wolfram (400°C) : WF6+ 3H2→W 6HF
Contrairement aux précurseurs gazeux qui sont utilisés pour Si3N4, SiON et tungstène, l'orthosilicate de tétraéthyle liquide est utilisé pour le SiO2. En outre, il existe d'autres sources liquides comme le DTBS (SiH2C8H20) ou tétraméthylcyclotétrasiloxane (TMTCS, Si4O4C4H16).
Un film de tungstène ne peut être fabriqué que sur du silicium nu. Par conséquent, du silane doit être ajouté s'il n'y a pas de substrat de silicium.
Illustration d'un réacteur LPCVD pour films TEOS
Le PECVD a lieu entre 250 et 350°C. En raison des basses températures, les gaz de processus ne peuvent pas être décomposés thermiquement. Avec une tension à haute fréquence, le gaz est transformé en un état plasma. Le plasma est énergétique et se dépose en surface. Parce que la métallisation, comme l'aluminium, ne peut pas être exposée à des températures élevées, le PECVD est utilisé pour le SiO2et Si3N4dépôt au-dessus des couches métalliques. Au lieu de SiH2Cl2, le silane est utilisé car il se décompose à basse température. La conformité n'est pas aussi bonne qu'en LPCVD (0,6 à 0,8), cependant, la vitesse de dépôt est beaucoup plus élevée (0,5 microns par minute).
Illustration d'un réacteur PECVD
Le dépôt de couche atomique (ALD) est un procédé CVD modifié pour fabriquer des films minces. Le processus utilise plusieurs gaz qui sont conduits dans la chambre de traitement en alternance. Chaque gaz réagit de telle manière que la surface actuelle est saturée, et donc la réaction s'arrête. Le gaz alternatif est capable de réagir avec cette surface de la même manière. Entre les réactions de ces gaz, la chambre est purgée avec un gaz inerte, comme l'azote ou l'argon. Un processus ALD simple pourrait ressembler à ceci :
Un exemple spécifique pour un procédé ALD est le dépôt d'oxyde d'aluminium, ceci peut être réalisé avec du triméthylaluminium (TMA, C3H9Al) et de l'eau (H2O).
La première étape est l'élimination des atomes d'hydrogène qui sont liés à l'oxygène à la surface de la plaquette. Les groupes méthyle (CH3) de TMA peut réagir avec l'hydrogène pour former du méthane (CH4). Les molécules restantes se lient à l'oxygène insaturé.
Si ces atomes sont saturés, plus aucune molécule de TMA ne peut réagir à la surface.
La chambre est purgée et la vapeur d'eau suivante est conduite dans la chambre. Jamais un atome d'hydrogène du H2Les molécules d'O peuvent maintenant réagir avec les anciens atomes de surface déposés pour former du méthane, tandis que l'anion hydroxyle est lié aux atomes d'aluminium.
Par conséquent, il y a de nouveaux atomes d'hydrogène à la surface qui peuvent réagir dans une étape ultérieure avec le TMA comme au début.
Le dépôt de couche atomique offre des avantages significatifs par rapport aux autres techniques de dépôt, et par conséquent il's un processus très important pour fabriquer des films minces. Avec ALD, même des structures tridimensionnelles peuvent être déposées de manière très uniforme. Des films isolants sont possibles ainsi que des films conducteurs, qui peuvent être créés sur différents substrats (semi-conducteurs, polymères, ...). L'épaisseur du film peut être contrôlée très précisément par le nombre de cycles. Etant donné que les gaz réactifs ne sont pas conduits simultanément dans la chambre, ils ne peuvent pas former de germes juste avant le dépôt proprement dit. Ainsi, la qualité des films est très élevée.
