Eine Einführung in Epitaxie-Abscheidungstechniken in der Halbleiterfertigung

In der Halbleiterverarbeitung sind Photolithographie als auch Ätzen oft die am häufigsten diskutierten Schritte. Aber direkt daneben gibt es eine weitere entscheidende Kategorie: Epitaxie-Abscheidung macht.

Warum sind diese Abscheidungsprozesse in der Chipherstellung unerlässlich?

Hier ist eine Analogie: Stellen Sie sich ein einfaches, quadratisches Fladenbrot vor. Ohne Belag ist es fad und unscheinbar. Manche Leute ziehen es vor, Erdnussbutter auf die Oberfläche zu geben; andere mögen es süß und streichen Sirup darauf. Diese Beläge verändern den Geschmack und den Charakter des Fladenbrotes dramatisch. In dieser Analogie stellt das Fladenbrot das Substrat dar, und der Belag stellt eine Funktionsschicht dar. So wie verschiedene Beläge unterschiedliche Geschmacksrichtungen erzeugen, verleihen unterschiedliche abgeschiedene Filme der Basisscheibe völlig unterschiedliche elektrische oder optische Eigenschaften.

In der Halbleiterfertigung wird eine Vielzahl von Funktionsschichten auf Wafern abgeschieden, um Bauelemente zu bauen. Jeder Schichttyp erfordert eine spezifische Abscheidungsmethode. In diesem Artikel stellen wir kurz mehrere weit verbreitete Abscheidungstechniken vor, darunter:

• MOCVD (Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung)
• Magnetron-Sputtern
• PECVD (Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung)

1. Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD)

MOCVD ist eine kritische Technik für die Abscheidung von hochwertigen epitaktischen Halbleiterschichten. Diese einkristallinen Filme dienen als aktive Schichten in LEDs, Lasern und anderen Hochleistungsgeräten.

Ein Standard-MOCVD-System besteht aus fünf Hauptuntersystemen, die jeweils eine wesentliche und koordinierte Rolle spielen, um die Sicherheit, Präzision und Reproduzierbarkeit des Wachstumsprozesses zu gewährleisten:

(1) Gaszufuhrsystem

Dieses Untersystem steuert präzise den Fluss, das Timing und das Verhältnis verschiedener Prozessgase, die in den Reaktor eingebracht werden. Es umfasst:

• Trägergasleitungen (üblicherweise N₂ oder H₂)
• Metallorganische Vorläuferzufuhrleitungen, oft über Blubber oder Verdampfer
• Hydridgasquellen (z. B. NH₃, AsH₃, PH₃)
• Gasschaltverteiler zur Steuerung von Wachstums-/Spülpfaden

(2) Reaktorsystem

Der Reaktor ist das Herzstück des MOCVD-Systems, in dem das eigentliche epitaktische Wachstum stattfindet. Er umfasst typischerweise:

• Ein SiC-beschichteten Graphit-Suszeptor, der das Substrat hält
• Ein Heizsystem (z. B. HF- oder Widerstandsheizungen) zur Steuerung der Substrattemperatur
• Temperatursensoren (Thermoelemente oder IR-Pyrometer)
• Optische Sichtfenster für In-situ-Diagnostik
• Automatisierte Wafer-Handhabungssysteme für effizientes Laden/Entladen des Substrats

(3) Prozesskontrollsystem

Der gesamte Wachstumsprozess wird durch eine Kombination aus Folgendem verwaltet:

• Programmierbare Logikcontroller (PLCs)
• Massendurchflussregler (MFCs)
• Druckregler
• Ein Host-Computer für Rezeptverwaltung und Echtzeitüberwachung

Diese Systeme gewährleisten eine präzise Steuerung von Temperatur, Durchflussraten und Timing in jeder Phase des Prozesses.

(4) In-situ-Überwachungssystem

Um die Filmqualität und -konsistenz aufrechtzuerhalten, werden Echtzeit-Überwachungswerkzeuge integriert, wie z. B.:

• Reflektometriesysteme zur Verfolgung der epitaktische Schicht Dicke und Wachstumsrate
• Wafer-Biegesensoren zur Erkennung von Spannungen oder Krümmungen
• Infrarot-Pyrometer mit Reflexionskompensation für genaue Temperaturmessung

Diese Werkzeuge ermöglichen sofortige Prozessanpassungen und verbessern die Gleichmäßigkeit und Materialqualität.

(5) Abgassystem

Toxische und pyrophore Nebenprodukte, die während des Prozesses entstehen – wie Arsin oder Phosphin – müssen neutralisiert werden. Das Abgassystem umfasst typischerweise:

• Brenner-Wäscher
• Thermische Oxidationsmittel
• Chemische Wäscher

Diese gewährleisten die Einhaltung von Sicherheits- und Umweltstandards.

Close-Coupled-Showerhead (CCS)-Reaktorkonfiguration

Viele fortschrittliche MOCVD-Systeme verwenden ein Close-Coupled-Showerhead (CCS)-Design, insbesondere für GaN-basierte Epitaxie. In dieser Konfiguration injiziert eine Duschkopfplatte Gruppe-III- und Gruppe-V-Gase getrennt, aber in unmittelbarer Nähe zum rotierenden Substrat.

Dies minimiert parasitäre Gasphasenreaktionen und erhöht die Vorläuferausnutzungseffizienz. Der kurze Abstand zwischen dem Duschkopf und dem Wafer gewährleistet eine gleichmäßige Gasverteilung über die Waferoberfläche. Gleichzeitig reduziert die Rotation des Suszeptors die Grenzschichtvariation und verbessert so die epitaktische Schicht Dickenhomogenität.

Magnetron-Sputtern

Magnetron-Sputtern ist eine weit verbreitete Physical Vapor Deposition (PVD)-Technik zur Herstellung von Funktionsschichten und Oberflächenbeschichtungen. Es verwendet ein Magnetfeld, um die Ausstoßung von Atomen oder Molekülen aus einem Targetmaterial zu verstärken, die dann auf einem Substrat abgeschieden werden, um einen Dünnfilm zu bilden. Diese Methode wird in großem Umfang bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, optischen Beschichtungen, Keramikfilmen und mehr eingesetzt.

Funktionsprinzip des Magnetron-Sputterns

Targetmaterialauswahl

Das Target ist das Quellmaterial, das auf dem Substrat abgeschieden werden soll. Es kann ein Metall, Legierung, Oxid, Nitrid oder eine andere Verbindung sein. Das Target wird auf einer Vorrichtung montiert, die als Magnetron-Kathode macht.

Vakuumumgebung

Der Sputterprozess wird unter Hochvakuum-Bedingungen durchgeführt, um unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den Prozessgasen und Umgebungskontaminationen zu minimieren. Dies gewährleistet die Reinheit als auch Gleichmäßigkeit des abgeschiedenen Films.

Plasmagenerierung

Ein Inertgas, typischerweise Argon (Ar), wird in die Kammer eingebracht und ionisiert, um ein Plasma zu bilden. Dieses Plasma besteht aus positiv geladenen Ar⁺-Ionen als auch freien Elektronen, die für die Initiierung des Sputterprozesses unerlässlich sind.

Anwendung eines Magnetfelds

Ein Magnetfeld wird in der Nähe der Targetoberfläche angelegt. Dieses Magnetfeld fängt Elektronen in der Nähe des Targets ein, wodurch ihre Pfadlänge erhöht und die Ionisierungseffizienz verbessert wird – was zu einem dichten Plasma-Bereich führt, der als Magnetron-Plasma macht.

Sputterprozess

Die Ar⁺-Ionen werden zur negativ vorgespannten Targetoberfläche beschleunigt, bombardieren diese und lösen Atome vom Target durch Impulsübertragung ab. Diese ausgestoßenen Atome oder Cluster wandern dann durch die Kammer und kondensieren auf dem Substrat, wodurch eine Funktionsfilmschicht macht.

Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD)

Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) ist eine weit verbreitete Technik zur Abscheidung einer Vielzahl von funktionellen Dünnschichten, wie z. B. Silizium (Si), Siliziumnitrid (SiNx) und Siliziumdioxid (SiO₂). Ein schematisches Diagramm eines typischen PECVD-Systems ist unten dargestellt.
 

Funktionsprinzip

Bei PECVD werden gasförmige Vorläufer, die die gewünschten Filmelemente enthalten, in eine Vakuumabscheidungskammer eingebracht. Eine Glimmentladung wird unter Verwendung einer externen Stromquelle erzeugt, die die Gase in einen Plasmazustand anregt. Die reaktiven Spezies im Plasma unterliegen chemischen Reaktionen, die zur Bildung eines festen Films auf der Substratoberfläche macht.

Die Plasmaanregung kann mit verschiedenen Energiequellen erreicht werden, darunter:

• Hochfrequenz (HF)-Anregung,
• Gleichstrom (DC)-Hochspannungsanregung
• Pulsanregung
• Mikrowellenanregung

PECVD ermöglicht das Wachstum von Filmen mit ausgezeichneter Gleichmäßigkeit in Bezug auf Dicke und Zusammensetzung. Darüber hinaus bietet diese Technik starke Filmadhäsion und unterstützt hohe Abscheidungsraten bei relativ niedrigen Substrattemperaturen, wodurch sie für temperaturempfindliche Anwendungen geeignet ist.

Abscheidungsmechanismus

Der PECVD-Filmbildungsprozess umfasst typischerweise drei Hauptschritte:

Schritt 1: Plasmagenerierung
Unter dem Einfluss eines elektromagnetischen Feldes wird eine Glimmentladung initiiert, wodurch ein Plasma entsteht. Hochenergie-Elektronen kollidieren mit den Vorläufergasmolekülen und initiieren Primärreaktionen, die die Gase in Ionen, Radikale und aktive Spezies macht.

Schritt 2: Transport und Sekundärreaktionen
Die Primärreaktionsprodukte wandern zum Substrat. Während dieses Transports finden Sekundärreaktionen zwischen den aktiven Spezies statt, wodurch zusätzliche Zwischenprodukte oder filmbildende Verbindungen entstehen.

Schritt 3: Oberflächenreaktion und Filmwachstum
Nach Erreichen der Substratoberfläche werden sowohl primäre als auch sekundäre Spezies adsorbiert und reagieren chemisch mit der Oberfläche, wodurch ein fester Film entsteht. Gleichzeitig werden flüchtige Nebenprodukte der Reaktion in die Gasphase freigesetzt und aus der Kammer gepumpt.

Dieser mehrstufige Prozess ermöglicht eine präzise Kontrolle über Filmeigenschaften wie Dicke, Dichte, chemische Zusammensetzung und Gleichmäßigkeit – was PECVD zu einer kritischen Technologie in der Halbleiterfertigung, Photovoltaik, MEMS und optischen Beschichtungen macht.