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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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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
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