Процесс Front-End в производстве чипов: нанесение тонких пленок

Процесс нанесения тонких пленок в производстве микросхем

Интегральные схемы состоят из множества сложных и усовершенствованных этапов производства, среди которых нанесение тонких пленок является одной из наиболее важных технологий. Цель нанесения тонких пленок - построение многослойных структур в полупроводниковых приборах и обеспечение изоляции между слоями металла. На поверхность подложки поочередно наносятся несколько проводящих металлических слоев и диэлектрических изоляционных слоев. Затем они избирательно удаляются посредством повторяющихся процессов травления для формирования 3D-структуры.

Термин «тонкий» обычно относится к пленкам толщиной менее 1 микрона, которые невозможно получить с помощью обычной механической обработки. Процесс прикрепления этих молекулярных или атомных пленок к поверхности подложки называется нанесением.

 

В зависимости от лежащего в основе принципа, методы нанесения тонких пленок обычно делятся на:

• Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)

• Физическое осаждение из газовой фазы (PVD)

• Атомно-слоевое осаждение (ALD)

По мере развития технологии тонких пленок появились различные системы осаждения для обслуживания различных этапов производства пластин.

---

▰Физическое осаждение из газовой фазы (PVD)

PVD относится к группе вакуумных процессов, которые используют физические средства для испарения целевого материала (твердого или жидкого) в атомы или молекулы, или частичной ионизации их, и транспортировки их через газ или плазму низкого давления для нанесения функциональных пленок на подложку.

Общие методы PVD включают:

• Осаждение испарением

• Распылительное осаждение

• Дугово-плазменное осаждение

• Ионное напыление

• Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE)

PVD характеризуется:

• Высокой чистотой пленки

• Стабильным качеством пленки

• Более низкими температурами обработки

• Высокой скоростью осаждения

• Относительно низкой стоимостью производства

PVD в основном используется для нанесения металлических пленок и не подходит для изоляционных пленок. Причина в том, что при бомбардировке положительными ионами изоляционной мишени они передают кинетическую энергию поверхности мишени, но сами положительные ионы накапливаются на поверхности. Это накопление заряда создает электрическое поле, которое отталкивает входящие ионы и в конечном итоге останавливает процесс распыления.

▰ Вакуумное испарение

В вакуумной среде целевой материал нагревается и испаряется. Атомы или молекулы испаряются с поверхности и перемещаются с минимальным столкновением через вакуум для осаждения на подложку. Общие методы нагрева включают:

• Резистивный нагрев

• Высокочастотная индукция

• Бомбардировка электронным, лазерным или ионным лучом

▰ Распылительное осаждение

В вакууме частицы высокой энергии (обычно ионы Ar⁺) бомбардируют поверхность мишени, вызывая выброс атомов и их осаждение на подложку.

▰ Ионное напыление

Ионное напыление использует плазму для ионизации материала покрытия в ионы и нейтральные атомы высокой энергии. На подложку подается отрицательное смещение, притягивающее ионы для осаждения и формирования тонкой пленки.

---

▰Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)

CVD использует химические реакции для нанесения тонких пленок. Реагентные газы вводятся в реакционную камеру и активируются с помощью тепла, плазмы или света. Эти газы химически реагируют с образованием желаемой твердой пленки на подложке, в то время как побочные продукты удаляются из камеры.

CVD включает в себя множество вариантов в зависимости от условий:

• CVD при атмосферном давлении (APCVD)

• CVD при низком давлении (LPCVD)

• Плазменно-усиленное CVD (PECVD)

• PECVD высокой плотности (HDPECVD)

• Металлорганическое CVD (MOCVD)

• Атомно-слоевое осаждение (ALD)

Пленки CVD обычно демонстрируют:

• Высокую чистоту

• Превосходные характеристики
  Это основной метод изготовления металлических, диэлектрических и полупроводниковых пленок в производстве микросхем.

▰ APCVD

Выполняется при атмосферном давлении и температуре 400–800 °C, используется для производства пленок, таких как:

• Монокристаллический кремний

• Поликристаллический кремний

• Диоксид кремния (SiO₂)

• Легированный SiO₂

▰ LPCVD

Применяется в процессах >90 нм для производства:

• SiO₂, PSG/BPSG

• Нитрид кремния (Si₃N₄)

• Поликремний

▰ PECVD

Широко используется в узлах 28–90 нм для нанесения диэлектрических и полупроводниковых материалов.
Преимущества:

• Более низкие температуры осаждения

• Более высокая плотность и чистота пленки

• Более высокая скорость осаждения
  Системы PECVD стали наиболее широко используемыми инструментами для нанесения тонких пленок в цехах по сравнению с APCVD и LPCVD.

---

▰Атомно-слоевое осаждение (ALD)

ALD - это особый тип CVD, который обеспечивает рост ультратонких пленок путем нанесения одного атомного слоя за раз посредством самоограничивающихся поверхностных реакций.

В отличие от обычного CVD, ALD чередует импульсы прекурсоров. Каждый слой формируется последовательной поверхностной реакцией с ранее нанесенным слоем. Это обеспечивает:

• Контроль толщины в атомном масштабе

• Конформное покрытие

• Пленки без пор

ALD поддерживает нанесение:

• Металлов

• Оксидов

• Карбидов, нитридов, сульфидов, силицидов

• Полупроводников и сверхпроводников

По мере увеличения плотности интеграции и уменьшения размеров устройств диэлектрики с высоким k заменяют SiO₂ в затворах транзисторов. Отличная покрываемость ступеней и точный контроль толщины ALD делают его идеальным для передового производства устройств и все чаще используется в передовом производстве микросхем.

---

▰Сравнение технологий осаждения

▰Производительность нанесения пленки

(Здесь вы можете вставить сравнительную таблицу конформности, контроля толщины, покрываемости ступеней и т. д.)

 

▰ Технологии и приложения

(Вставьте таблицу, показывающую варианты использования PVD против CVD против ALD)

 

▰ Оборудование и возможности

(Вставьте таблицу, сравнивающую скорости осаждения, температуры, однородность, затраты)

---

Заключение

Развитие технологий нанесения тонких пленок имеет важное значение для дальнейшего развития полупроводниковой промышленности. Эти процессы становятся все более разнообразными и специализированными, обеспечивая дальнейшие инновации и совершенствование производства интегральных схем.