Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Film sottili/Chemical Vapor Deposition (CVD)

La Chemical Vapor Deposition (CVD), in italiano Deposizione chimica da vapore (poco usato) è una tecnica di deposizione in cui il materiale da depositare è contenuto in parte del gas (in genere il gas è detto precursore) che entra nella camera in cui avviene la reazione chiamata reattore. Il gas andando in contatto con il substrato mantenuto a temperatura elevata si scinde chimicamente e viene liberata la sostanza da depositare.

Schema di un reattore per Chemical Vapor Deposition

Nel reattore vengono posti i wafer di silicio, e all'ingresso della camera si fanno entrare le particelle allo stato gassoso che devono essere depositate sul silicio (idruri, alogenuri, droganti vari oppure altro silicio eccetera). I wafer sono posti su di un suscettore in grafite riscaldato per induzione da due bobine a radiofrequenza che oltre a sostenerli, serve come sorgente di energia termica per la reazione. Scaldare il wafer tramite il suscettore permette di mantenere fredde le pareti della camera in cui avviene la CVD. In questo modo si evita la deposizione di particelle sulle pareti e quindi una eventuale contaminazione dello strato deposto sui wafer. Le particelle introdotte reagiscono sul substrato depositandosi su di esso; spesso si producono altri composti che verranno estratti dalla camera di reazione. I film prodotti sono depositati in maniera conforme, quindi la tecnica è particolarmente utile quando si vogliono isolare mediante dielettrici strati superfici metalliche su strati differenti con profili taglienti.

Il processo

Il processo CVD ha 4 fasi:

1. Introduzione in camera dei gas reagenti e trasporto verso il substrato
2. Assorbimento dei reagenti sul substrato
3. Diffusione e decomposizione delle molecole
4. Desorbimento dei prodotti di reazione

Fase 1

Fase 2

Fase 3

Fase 4

Fase 1 (introduzione in camera dei gas reagenti e trasporto verso il substrato)

I gas reagenti (precursori) vengono introdotti nella camera di processo insieme ad altri gas (carriers), quali l’argon, l’azoto, l’elio, che hanno lo scopo di trasportare e diluire, nel modo più uniforme possibile, il precursore sulla superficie del wafer. Prima di introdurre i precursori solitamente viene fatta una pulizia in-situ del substrato introducendo gas contenenti acido cloridrico.

Fase 2 (assorbimento dei reagenti sul substrato)

Le molecole si legano al substrato a causa delle forze di Wan Der Walls debolmente attrattive (adsorbimento fisico) oppure coinvolgendo dei veri e propri legami chimici tra precursori e substrato (adsorbimento chimico).

Fase 3 (diffusione e decomposizione delle molecole)

Diffusione delle molecole sul substrato e rottura dei legami chimici a causa dell’elevata temperatura con formazione di radicali (pirolisi). La temperatura deve essere sufficientemente alta da poter rompere i legami chimici che legano le molecole dei precursori per formare radicali: questo processo è chiamato pirolisi. Un esempio molto semplice può essere quello della deposizione di Silicio mediante Silano ad una temperatura di 600 °C: SiH4→Si + 2H2. In questo caso la molecola di Silano sulla superficie del wafer è stata rotta (-lisi) per mezzo dell’alta temperatura (piro-) liberando due molecole di Idrogeno e lasciando un atomo di Silicio libero di legarsi alla superficie del wafer.

Fase 4 (desorbimento dei prodotti di reazione)

I prodotti solidi della reazione si depositano sulla superficie del substrato mentre quelli gassosi vengono desorbiti tornando in fase gassosa ed aspirati dal sistema da vuoto.

I film comunemente deposti con tecnica CVD sono:

• Isolanti
  • Inter Level Dielectric oxide (ILD)
  • High Density Plasma oxide (HDP)
  • Borum Phosphorous Silicon Glass (BPSG)
• Conduttori
  • polisilicio
  • tungsteno
  • nitruro di tungsteno
  • titanio
  • nitruro di titanio

Tecniche di CVD

LPCVD (low pressure CVD)

Deposizione lenta a bassa pressione ed elevata temperatura. Le reazioni chimiche avvengono sulla superficie del wafer grazie alla elevata temperatura che facilita la rottura dei legami molecolari. La bassa pressione rende circa nulla la possibilità che due molecole urtino ed evita reazioni in fase gassosa che potrebbero risultare dannose per i dispositivi. In genere questo è un processo lento con un buon controllo dello spessore deposto.

SACVD (sub atmospheric CVD)

Deposizione a pressione di poco inferiore a quella atmosferica ed elevata temperatura. Simile al caso precedente in quanto le reazioni chimiche avvengono sulla superficie del wafer grazie alla elevata temperatura che facilita la rottura dei legami molecolari. L'elevata pressione aumenta di molto la velocità di deposizione e garantisce un buon riempimento delle zone non ben esposte ai reagenti, in quanto la tecnica genera dei film molto conformi.

PECVD (plasma enhanced CVD)

PECVD

In questa tecnica parte dell'energia per fare avvenire la reazione chimica è fornita dal plasma, questo permette di raggiungere elevate velocità di deposizione con relativamente basse temperature dei substrati. Il plasma genera nel gas precursore radicali reattivi oltre agli ioni, i film generati sono ben aderenti al substrato. La tecnica permettendo di operare a temperature più basse è utilizzate negli strati finali dei dispositivi per evitare il danneggiamento degli strati sottostanti. Il plasma è generato da una scarica radiofrequenza.

Struttura del film epitassiale

L' epitassia è quindi una crescita di materiale cristallino tale da mantenere le direzioni cristallografiche del substrato sul quale avviene la deposizione.

• Se il film cresciuto è dello stesso materiale del substrato il processo si chiama omeoepitassia.
• Se il film viene cresciuto su di un substrato chimicamente differente il processo si chiama eteroepitassia.

La struttura cristallina del substrato viene ripetuta nello strato epitassiale, ed eventuali difetti presenti sul substrato saranno ripetuti nello strato epitassiale.