Die chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) wird in nahezu allen Halbleiterfertigungsprozessen eingesetzt, und die meisten modernen Elektronikgeräte wären ohne sie nicht realisierbar. Insbesondere wird dieses Verfahren zur Herstellung gleichmäßig dünner Schichten für Mikrochips eingesetzt. Weitere Verfahren, bei denen CVD zum Einsatz kommt, sind Korrosionsschutz, Glasbeschichtung und die Herstellung synthetischer Diamanten. In diesem Blog-Beitrag geben wir eine kurze Einführung in die chemische Gasphasenabscheidung und betrachten ein Beispielmodell, um zu veranschaulichen, wie die Modellierung einen tieferen Einblick in diesen Prozess geben kann.
Was ist die chemische Gasphasenabscheidung?
Bei der chemischen Gasphasenabscheidung wird ein festes Substrat in einer Reaktionskammer platziert, die mit einem Gasgemisch gefüllt ist, das Vorläuferchemikalien enthält. Es handelt sich um einen reaktiven Prozess, wodurch er sich von physikalischen Prozessen wie Verdampfung und Sputtern unterscheidet. Es gibt verschiedene Verfahren, die jeweils unterschiedliche Chemikalien, Substratmaterialien und Temperaturen verwenden. Je nach Betriebsbedingungen gibt es verschiedene Arten von Reaktoren für die chemische Gasphasenabscheidung, wie z. B. plasmaunterstützte, atmosphärische, Niederdruck- und Ultrahochvakuum-Reaktoren.
Niederdruckreaktoren, wie beispielsweise ein Bootreaktor, arbeiten bei Unterdruck und werden in der Regel im CVD-Prozess eingesetzt, um eine höhere Diffusionsfähigkeit der gasförmigen Stoffe zu erzielen und unerwünschte Gasphasenreaktionen zu vermeiden. Dies führt zur Abscheidung einer Schicht mit gleichmäßiger Dicke, da der Prozess durch die Abscheidungskinetik begrenzt wird. Damit eignet sich der Bootreaktor besonders für die Chipfertigung, bei der die Abscheidung einer dünnen, gleichmäßigen Siliziumschicht erforderlich ist.
Ein typischer Bootreaktor besteht aus den folgenden Komponenten:
- einem bootsförmigen Behälter aus Quarz oder Silizium zur Aufnahme des zu beschichtenden Wafers,
- einem Einlass für die Vorläuferchemikalien, die in die Reaktionskammer eingeführt werden sollen,
- einer Wärmequelle, um die für die Reaktion erforderliche Temperatur zu erreichen,
- einem Substrat, auf dem das gewünschte Material abgeschieden werden soll,
- einem Auslass für die Restgase, damit diese den Reaktor verlassen können.
Unten ist ein Bootreaktor schematisch dargestellt.
Ein typischer Niederdruck-CVD-Bootreaktoraufbau.
Das Reaktionsgas, in diesem Fall Silan (SiH4), tritt vom Einlass in den Reaktor ein und reagiert auf dem Waferbündel unter Bildung von Wasserstoff und Silizium. Das verbleibende Gemisch verlässt den Reaktor durch den Auslass. Die Siliziumabscheidung auf den Wafern ist direkt proportional zur Konzentration von Silan im einströmenden Gasgemisch.
Sehen wir uns nun die verschiedenen Teile eines Bootreaktormodells an, das mit der Software COMSOL Multiphysics® erstellt wurde.
Überblick über die Modellkomponenten
Das modellierte Gebiet des Bootreaktors ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Das Gebiet wurde durch die Berücksichtigung einer zweidimensionalen achsensymmetrischen Geometrie vereinfacht, und das Waferbündel wurde aus Gründen der Recheneffizienz als anisotropes poröses Medium modelliert, das nur radialen Transport zulässt. Es wird davon ausgegangen, dass die Temperatur im CVD-Reaktor konstant ist.
Das Gebiet des in COMSOL Multiphysics® modellierten Bootreaktors.
Das Ziel des Beispielmodells besteht darin, die Abscheidungsrate als Funktion der Strömungsmechanik und Kinetik in einem solchen System zu beschreiben. Das Modell koppelt den Impuls- und Stofftransport mit der Reaktionskinetik für den gewünschten Abscheidungsprozess. Dementsprechend werden die folgenden drei physikalischen Phänomene berücksichtigt:
- Chemie
- Strömung
- Stofftransport
Nachfolgend sehen wir uns diese einzelnen Phänomene genauer an.
Chemie
Betrachten wir zunächst die chemischen Vorgänge. Der wichtigste chemische Vorläufer im Modell ist Silangas. Das Gas tritt durch den Einlass in den Reaktor ein, wodurch sich festes Silizium auf dem Waferbündel ablagert. Diese Reaktion lässt sich wie folgt beschreiben:
Hier wird das Reaktionsgas in inertem Stickstoffgas verdünnt, von dem angenommen wird, dass es die Eigenschaften des Gemisches angemessen repräsentiert.
Strömung
Die Strömung im Reaktor wird als laminare Strömung modelliert, wobei die Strömung innerhalb des Waferbündels vernachlässigt wird, da sie nur in radialer Richtung Transport ermöglicht. Daher wird davon ausgegangen, dass das Reaktionsgasgemisch durch Diffusion transportiert wird, und es wird eine durchschnittliche Einströmgeschwindigkeit ohne Abfall an den Reaktorwänden, in der Nähe der Bootstruktur oder um das Waferbündel herum, angenommen.
Stofftransport
Die Diffusion, Konvektion und Reaktion jeder Gasart in der verdünnten Lösung wird berücksichtigt. Die Reaktion wird nur im Waferbündelbereich definiert, daher ist die Reaktionsgeschwindigkeit im freien Strömungsbereich gleich Null.
Konzentration und Geschwindigkeit von Silangas in der Reaktionskammer.
Ergebnisse
Der erste Plot in diesem Abschnitt zeigt das Konzentrationsprofil von Silan im Waferbündel, das die Abscheidungsrate und Dicke der abgeschiedenen Siliziumschicht stark beeinflusst und zur Abschätzung der Siliziumabscheidungsrate auf dem Waferbündel verwendet wird. Die höchste Konzentration wird in der Nähe des Einlasses und des freien Strömungsbereichs beobachtet. Obwohl man in der Regel eine möglichst gleichmäßige Konzentration anstrebt, hat eine hohe Konzentration den Vorteil, dass sie die Abscheidungszeit verkürzt. Um die Konzentration des in das Waferbündel diffundierenden Gases zu erhöhen, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Gases um das Waferbündel herum erhöht werden.
Das Konzentrationsprofil von Silizium, wobei die Linien Isokonturen darstellen.
Der folgende Plot zeigt die Schwankungen der Siliziumabscheidungsrate in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Position im Waferbündel. Jedes Kurvenpaar einer bestimmten Farbe gibt die minimale und maximale erwartete Abscheidungsrate bei unterschiedlichen Drücken im CVD-Prozess an.
Die minimalen und maximalen erwarteten Ablagerungsraten für unterschiedliche Druckwerte.
Dieser Plot zeigt, dass die Schwankungen in der Siliziumabscheidungsrate sowohl mit der Betriebstemperatur als auch mit dem Druck des Reaktors zunehmen. Aus diesen Ergebnissen lässt sich ableiten, dass für eine gleichmäßige Abscheidungsrate über das gesamte Waferbündel hinweg aufgrund der höheren Diffusionsfähigkeit von Silangas der Betrieb bei niedrigeren Drücken und höheren Temperaturen besser geeignet ist.
Nächste Schritte
Die chemische Gasphasenabscheidung ist ein wichtiger Schritt im Herstellungsprozess von Mikrochips. Der CVD-Prozess kann feinabgestimmt werden, erfordert jedoch ein hohes Maß an Kontrolle. Die Dicke und Gleichmäßigkeit der Beschichtungen kann durch Anpassung der Temperatur, des Drucks und der Abscheidungszeit gesteuert werden. Darüber hinaus können CVD-Reaktoren kostspielig und die Geräte und Vorläufergase gefährlich sein. Mit COMSOL Multiphysics® kann der Prozess modelliert, ein besseres Verständnis der verschiedenen Faktoren, die die Abscheidung beeinflussen, gewonnen und das Ergebnis feinabgestimmt werden.
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