1. はじめに
物理的または化学的方法により基板材料の表面に物質（原料）を付着させることを薄膜成長といいます。
さまざまな動作原理に従って、集積回路の薄膜堆積は次のように分類できます。
-物理蒸着（PVD）;
- 化学蒸着 (CVD);
-拡大。
2. 薄膜成長プロセス
2.1 物理蒸着およびスパッタリングプロセス
物理蒸着 (PVD) プロセスとは、真空蒸着、スパッタリング、プラズマ コーティング、分子線エピタキシーなどの物理的方法を使用して、ウェーハの表面に薄膜を形成することを指します。
VLSI 業界で最も広く使用されている PVD 技術はスパッタリングで、主に集積回路の電極と金属相互接続に使用されています。スパッタリングは、高真空条件下で外部電場の作用下で希ガス [アルゴン (Ar) など] がイオン (Ar+ など) にイオン化され、高電圧環境下で材料ターゲット ソースに衝突するプロセスです。ターゲット物質の原子や分子を叩き出し、無衝突飛行プロセスを経てウエハ表面に到達して薄膜を形成します。 Ar は化学的性質が安定しており、そのイオンがターゲット材や膜と化学反応することがありません。集積回路チップが 0.13μm 銅相互接続時代に入ると、銅バリア材料層には窒化チタン (TiN) または窒化タンタル (TaN) フィルムが使用されます。産業技術の需要により、化学反応スパッタリング技術の研究開発が促進されています。つまり、スパッタリングチャンバー内には、Ar に加えて反応性ガスである窒素 (N2) も存在するため、Ti または Ta がスパッタリングから衝突されます。ターゲット材料の Ti または Ta は N2 と反応して、必要な TiN または TaN 膜を生成します。
一般的に使用されるスパッタリング方法には、DC スパッタリング、RF スパッタリング、マグネトロン スパッタリングの 3 つがあります。集積回路の集積度が増加し続けるにつれて、多層金属配線の層数が増加し、PVD 技術の適用範囲がますます拡大しています。 PVD 材料には、Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu、Ti、Ta、Co、TiN、TaN、Ni、WSi2 などが含まれます。
PVD およびスパッタリングプロセスは通常、1×10-7 ～ 9×10-9 Torr の真空度を備えた高度に密閉された反応チャンバー内で完了します。これにより、反応中のガスの純度が保証されます。同時に、希ガスをイオン化してターゲットに衝突するのに十分な高電圧を生成するには、外部高電圧が必要です。 PVD プロセスやスパッタリングプロセスを評価するための主なパラメータには、形成された膜の抵抗値、均一性、反射率の厚さ、応力のほか、ダストの量が含まれます。
2.2 化学蒸着およびスパッタリングプロセス
化学蒸着（CVD）とは、分圧の異なるさまざまなガス状反応物を特定の温度と圧力で化学反応させ、生成した固体物質を基板材料の表面に堆積させて、目的の薄膜を得るプロセス技術を指します。膜。従来の集積回路製造プロセスでは、得られる薄膜材料は一般に、酸化物、窒化物、炭化物などの化合物、または多結晶シリコンやアモルファスシリコンなどの材料です。ソースおよびドレイン SiGe または Si 選択エピタキシャル成長など、45nm ノード以降でより一般的に使用される選択エピタキシャル成長も CVD 技術です。
この技術は、元の格子に沿ったシリコンまたは他の材料の単結晶基板上に、元の格子と同じ種類または類似の単結晶材料を形成し続けることができる。 CVD は、絶縁誘電体膜 (SiO2、Si3N4、SiON など) や金属膜 (タングステンなど) の成長に広く使用されています。
一般に、CVD は圧力分類に従って、大気圧化学気相成長法 (APCVD)、準大気圧化学気相成長法 (SAPCVD)、および低圧化学気相成長法 (LPCVD) に分類できます。
CVDは温度分類により、高温/低温酸化膜化学気相成長法(HTO/LTO CVD)と急速熱化学気相成長法(Rapid Thermal CVD、RTCVD)に分けられます。
反応源に応じて、CVD はシランベースの CVD、ポリエステルベースの CVD (TEOS ベースの CVD)、および有機金属化学気相成長 (MOCVD) に分類できます。
エネルギー分類によれば、CVD は熱化学気相成長法 (Thermal CVD)、プラズマ化学気相成長法 (Plasma Enhanced CVD、PECVD)、および高密度プラズマ化学気相成長法 (高密度プラズマ CVD、HDPCVD) に分類できます。最近では、隙間充填性に優れた流動性化学気相成長法（Flowable CVD、FCVD）も開発されています。
異なる CVD 成長膜は異なる特性 (化学組成、誘電率、張力、応力、絶縁破壊電圧など) を持ち、異なるプロセス要件 (温度、ステップ カバレージ、充填要件など) に応じて個別に使用できます。
2.3 原子層堆積プロセス
原子層堆積（ALD）とは、単一の原子膜を層ごとに成長させることにより、基板材料上に原子を層ごとに堆積することを指します。典型的な ALD では、ガス状の前駆体を交互にパルス状にリアクターに入力する方法が採用されています。
例えば、まず、反応前駆体１を基板表面に導入し、化学吸着後、基板表面に単原子層を形成する。次に、基板表面および反応室内に残っている前駆体１がエアポンプによって排出される。次に、反応前駆体２が基板表面に導入され、基板表面に吸着された前駆体１と化学反応して、対応する薄膜材料および対応する副生成物を基板表面上に生成する。前駆体 1 が完全に反応すると、反応は自動的に終了します。これは ALD の自己制限特性であり、その後、残りの反応物と副生成物が抽出されて、次の成長段階に備えます。上記のプロセスを連続的に繰り返すことにより、単一原子で層ごとに成長した薄膜材料の堆積を達成することができます。
ALDとCVDはどちらもガス状の化学反応源を導入して基板表面で化学反応させる方法ですが、CVDのガス状反応源には自己抑制成長の特性がないという違いがあります。 ALD 技術開発の鍵は、自己制限的な反応特性を持つ前駆体を見つけることであることがわかります。
2.4 エピタキシャルプロセス
エピタキシャルプロセスとは、基板上に完全に規則正しい単結晶層を成長させるプロセスを指します。一般に、エピタキシャルプロセスとは、単結晶基板上に、元の基板と同じ格子方位を有する結晶層を成長させることである。エピタキシャルプロセスは、集積回路産業におけるエピタキシャルシリコンウェーハ、MOSトランジスタの埋め込みソースおよびドレインエピタキシャル成長、LED基板上のエピタキシャル成長など、半導体製造で広く使用されています。
成長源の異なる相状態に応じて、エピタキシャル成長法は固相エピタキシー、液相エピタキシー、気相エピタキシーに分類できます。集積回路の製造では、一般的に使用されるエピタキシャル法は固相エピタキシーと気相エピタキシーです。
固相エピタキシー: 固体ソースを使用して基板上に単結晶層を成長させることを指します。たとえば、イオン注入後の熱アニーリングは、実際には固相エピタキシープロセスです。イオン注入中、シリコンウェーハのシリコン原子は高エネルギーの注入イオンによって衝撃を受け、元の格子位置を離れてアモルファスになり、表面アモルファスシリコン層を形成します。高温熱アニール後、アモルファス原子は格子位置に戻り、基板内部の原子の結晶方位と一致した状態を保ちます。
気相エピタキシーの成長方法には、化学気相エピタキシー、分子線エピタキシー、原子層エピタキシーなどが含まれます。集積回路製造では、化学気相エピタキシーが最も一般的に使用されます。化学気相成長の原理は基本的に化学気相成長の原理と同じです。どちらもガスを混合した後、ウエハ表面で化学反応を起こして薄膜を成膜するプロセスです。
違いは、化学気相エピタキシーでは単結晶層を成長させるため、装置内の不純物含有量とウェーハ表面の清浄度についてより高い要件が求められることです。初期の化学気相エピタキシャル シリコン プロセスは、高温条件 (1000°C 以上) で実行する必要があります。プロセス装置の改良、特に真空交換チャンバー技術の採用により、装置のキャビティとシリコンウェーハの表面の清浄度が大幅に向上し、より低い温度（600～700°C）でシリコンエピタキシーを実行できるようになりました。 C)。エピタキシャルシリコンウェーハプロセスは、シリコンウェーハの表面に単結晶シリコンの層を成長させることです。
元のシリコン基板と比較して、エピタキシャルシリコン層は純度が高く、格子欠陥が少ないため、半導体製造の歩留まりが向上します。また、シリコンウェーハ上に成長するエピタキシャルシリコン層の成長厚さやドーピング濃度を柔軟に設計できるため、基板抵抗の低減や基板分離の強化など、デバイス設計に柔軟性をもたらします。埋め込みソース/ドレイン エピタキシャル プロセスは、高度なロジック テクノロジ ノードで広く使用されているテクノロジです。
これは、MOS トランジスタのソースおよびドレイン領域にドープされたゲルマニウム シリコンまたはシリコンをエピタキシャル成長させるプロセスを指します。埋め込みソース・ドレイン・エピタキシャル・プロセスを導入する主な利点には、格子適応による応力を含む擬似結晶層を成長させ、チャネルキャリア移動度を向上させることが含まれます。ソースおよびドレインのその場ドーピングは、ソース・ドレイン接合の寄生抵抗を低減し、高エネルギーイオン注入の欠陥を低減することができる。
3. 薄膜成長装置
3.1 真空蒸着装置
真空蒸着とは、真空チャンバー内で固体材料を加熱して蒸発、気化、昇華させ、一定の温度で基板材料の表面に凝結させて堆積させるコーティング方法です。
通常、真空システム、蒸発システム、加熱システムの 3 つの部分で構成されます。真空システムは真空パイプと真空ポンプで構成され、その主な機能は蒸発に適切な真空環境を提供することです。蒸着システムは、蒸着テーブル、加熱コンポーネント、温度測定コンポーネントで構成されます。
蒸着するターゲット材料 (Ag、Al など) を蒸着テーブル上に置きます。加熱および温度測定コンポーネントは、スムーズな蒸発を確保するために蒸発温度を制御するために使用される閉ループ システムです。加熱システムは、ウェーハ ステージと加熱コンポーネントで構成されます。ウェハステージは薄膜を蒸着する必要がある基板を配置するために使用され、加熱コンポーネントは基板の加熱と温度測定のフィードバック制御を実現するために使用されます。
真空蒸着プロセスにおいて真空環境は蒸着速度や膜の品質に関わる非常に重要な条件です。真空度が要件を満たさない場合、蒸発した原子または分子は残留ガス分子と頻繁に衝突し、平均自由行程が小さくなり、原子または分子が激しく飛散し、移動方向が変化して膜が減少します。形成率。
さらに、残留不純物ガス分子の存在により、堆積膜はひどく汚染され、品質が低下します。特にチャンバーの圧力上昇率が基準を満たしておらず、漏れがある場合、真空チャンバー内に空気が漏れます。 、フィルムの品質に重大な影響を与えます。
真空蒸着装置の構造上の特性により、大型基板への塗布の均一性が悪くなります。均一性を向上させるためには、原料・基板間距離を長くし、基板を回転させる方法が一般的ですが、原料・基板間距離を長くすると膜の成長速度や純度が犠牲になります。同時に、真空空間が増加するため、蒸発材料の利用率が低下します。
3.2 DC物理蒸着装置
直流物理蒸着 (DCPVD) は、カソード スパッタリングまたは真空 DC 2 段階スパッタリングとしても知られています。真空DCスパッタリングのターゲット材を陰極、基板を陽極として使用します。真空スパッタリングとは、プロセスガスをイオン化してプラズマを形成することです。
プラズマ中の荷電粒子は電界中で加速され、一定のエネルギーを獲得します。十分なエネルギーを持った粒子がターゲット材料の表面に衝突し、ターゲット原子がスパッタリングされます。スパッタされた原子は、特定の運動エネルギーを持って基板に向かって移動し、基板の表面に薄膜を形成します。スパッタリングに使用するガスはアルゴン（Ar）などの希ガスが一般的であり、スパッタリングにより形成される膜を汚染することはありません。さらに、アルゴンの原子半径はスパッタリングにより適しています。
スパッタリング粒子のサイズは、スパッタリングされるターゲット原子のサイズに近い必要があります。粒子が大きすぎたり、小さすぎたりすると、効果的なスパッタリングが形成されません。原子のサイズ係数に加えて、原子の質量係数もスパッタリングの品質に影響します。スパッタリング粒子源が軽すぎると、ターゲット原子はスパッタリングされません。スパッタリング粒子が重すぎると、ターゲットが「曲がって」しまい、スパッタリングされなくなります。
DCPVD で使用されるターゲット材料は導体である必要があります。これは、プロセスガス中のアルゴンイオンがターゲット材料に衝突すると、ターゲット材料の表面で電子と再結合するためです。ターゲット物質が金属などの導体である場合、この再結合によって消費された電子は電源によって補充されやすくなり、電気伝導を通じてターゲット物質の他の部分に自由電子が補充されやすくなります。そのため、ターゲット物質の表面は、全体がマイナスに帯電したままとなり、スパッタリングが維持されます。
逆に、ターゲット物質が絶縁体の場合、ターゲット物質表面の電子が再結合した後、ターゲット物質の他の部分の自由電子を電気伝導によって補充することができず、ターゲット物質上には正電荷さえも蓄積されてしまいます。ターゲット材料の表面に電荷が付着し、ターゲット材料の電位が上昇し、ターゲット材料のマイナス電荷が弱まって消滅し、最終的にはスパッタリングが停止します。
したがって、絶縁材料をスパッタリングにも使用できるようにするには、別のスパッタリング方法を見つける必要がある。高周波スパッタリングは、導電性ターゲットと非導電性ターゲットの両方に適したスパッタリング方法です。
DCPVD のもう 1 つの欠点は、点火電圧が高く、基板への電子衝撃が強いことです。この問題を解決する効果的な方法はマグネトロン スパッタリングを使用することであるため、マグネトロン スパッタリングは集積回路の分野で実際に実用的な価値があります。
3.3 RF物理蒸着装置
高周波物理蒸着 (RFPVD) は、励起源として高周波電力を使用し、さまざまな金属および非金属材料に適した PVD 方法です。
RFPVD で使用される RF 電源の一般的な周波数は、13.56MHz、20MHz、および 60MHz です。 RF電源の正負のサイクルが交互に現れます。 PVDターゲットが正の半サイクルにあるとき、ターゲット表面は正の電位にあるため、プロセス雰囲気中の電子がターゲット表面に流れて、その表面に蓄積された正電荷を中和し、さらに電子を蓄積し続けます。その表面を負にバイアスする。スパッタリングターゲットが負の半サイクルにある場合、正イオンはターゲットに向かって移動し、ターゲット表面で部分的に中和されます。
最も重要なことは、RF 電界における電子の移動速度が正イオンの移動速度よりもはるかに速い一方で、正と負の半サイクルの時間は同じであるため、完全なサイクルの後、ターゲット表面は次のようになります。 「ネット」はマイナスに帯電します。したがって、最初の数サイクルでは、ターゲット表面の負の電荷は増加傾向を示します。その後、ターゲット表面は安定した負の電位に達します。その後、ターゲットのマイナス電荷が電子に対して反発する効果があるため、ターゲット電極が受け取るプラス電荷とマイナス電荷の量がバランスする傾向にあり、ターゲットは安定したマイナス電荷を呈します。
上記のプロセスから、負電圧形成のプロセスはターゲット材料自体の特性とは無関係であることがわかります。そのため、RFPVD 法は絶縁ターゲットのスパッタリングの問題を解決できるだけでなく、優れた互換性もあります。従来の金属導体ターゲットを使用。
3.4 マグネトロンスパッタリング装置
マグネトロンスパッタリングは、ターゲットの背面に磁石を追加する PVD 法です。追加された磁石と DC 電源 (または AC 電源) システムはマグネトロン スパッタリング ソースを形成します。スパッタリング源は、チャンバー内に相互作用電磁場を形成し、チャンバー内のプラズマ内の電子を捕捉して移動範囲を制限し、電子の移動経路を延長してプラズマの濃度を高め、最終的にはより多くの成果を達成するために使用されます。堆積。
さらに、より多くの電子がターゲットの表面近くに結合するため、電子による基板への衝撃が減少し、基板の温度が低下します。平板 DCPVD 技術と比較して、マグネトロン物理蒸着技術の最も明白な特徴の 1 つは、点火放電電圧が低く、より安定していることです。
より高いプラズマ濃度とより大きなスパッタリング収量により、優れた成膜効率、広いサイズ範囲での成膜厚さ制御、正確な組成制御、およびより低い点弧電圧を実現できます。したがって、現在の金属膜ＰＶＤではマグネトロンスパッタリングが主流となっている。最も単純なマグネトロン スパッタリング ソースの設計は、平らなターゲットの背面 (真空システムの外側) に磁石のグループを配置して、ターゲット表面上の局所領域にターゲット表面に平行な磁場を生成することです。
永久磁石が配置されている場合、その磁場は比較的固定され、その結果、チャンバー内のターゲット表面上に比較的固定された磁場分布が生じます。ターゲットの特定の領域の材料のみがスパッタリングされるため、ターゲットの利用率が低く、作成される膜の均一性が劣ります。
一定の確率で、スパッタされた金属または他の材料の粒子がターゲット表面に堆積し、それによって凝集して粒子になり、欠陥汚染が形成されます。したがって、市販のマグネトロン スパッタリング ソースでは、膜の均一性、ターゲット利用率、フル ターゲット スパッタリングを向上させるために回転磁石設計が主に使用されています。
これら 3 つの要素のバランスをとることが重要です。このバランスが適切に処理されていない場合、膜の均一性は良好でもターゲットの利用率が大幅に低下したり（ターゲットの寿命が短くなったり）、完全なターゲットのスパッタリングや完全なターゲットの腐食が達成されず、スパッタリング中にパーティクルの問題が発生する可能性があります。プロセス。
マグネトロンPVD技術では、回転磁石の移動機構、ターゲットの形状、ターゲットの冷却システムやマグネトロンスパッタリング源、さらにはウエハの吸着や温度制御などウエハを搭載するベースの機能構成を考慮する必要があります。 PVD プロセスでは、必要な結晶構造、結晶粒径、配向性、および性能の安定性を得るためにウェーハの温度が制御されます。
ウェーハの裏面とベースの表面の間の熱伝導には、通常数 Torr 程度の一定の圧力が必要であり、チャンバーの作動圧力は通常数 mTorr 程度であるため、裏面の圧力はウェーハの圧力はウェーハの上面にかかる圧力よりもはるかに大きいため、ウェーハを位置決めして制限するには機械式チャックまたは静電チャックが必要です。
メカニカル チャックは、自重とウェーハのエッジに依存してこの機能を実現します。構造が簡単でウェハの材質の影響を受けないという利点がありますが、ウェハのエッジ効果が顕著であり、パーティクルの厳密な制御には役立ちません。そのため、ICの製造工程では徐々に静電チャックに置き換わってきました。
温度の影響を特に受けないプロセスの場合は、非吸着、非エッジコンタクト棚上げ方式 (ウェーハの上面と下面の間に圧力差がない) も使用できます。 PVD プロセス中、チャンバーのライニングとプラズマと接触する部品の表面は堆積され、覆われます。堆積膜厚が限界を超えると、膜に亀裂や剥離が発生し、パーティクルトラブルの原因となります。
したがって、この限界を広げるには、ライニングなどの部品の表面処理が鍵となります。表面サンドブラストとアルミニウムスプレーの 2 つは一般的に使用される方法で、その目的は表面粗さを増加させてフィルムとライニング表面の間の結合を強化することです。
3.5 イオン化物理蒸着装置
マイクロエレクトロニクス技術の継続的な発展に伴い、フィーチャのサイズはますます小さくなってきています。 PVD 技術は粒子の堆積方向を制御できないため、アスペクト比の高い穴や狭いチャネルを通過する PVD の能力は制限されており、従来の PVD 技術の適用拡大はますます困難になっています。 PVD プロセスでは、細孔溝のアスペクト比が増加するにつれて底部の被覆率が減少し、上部隅にひさし状の張り出した構造が形成され、底部隅では最も弱い被覆率が形成されます。
この問題を解決するために開発されたのがイオン物理蒸着技術です。まず、ターゲットからスパッタされた金属原子をさまざまな方法でプラズマ化し、次にウェーハに負荷されるバイアス電圧を調整して金属イオンの方向とエネルギーを制御し、安定した方向性の金属イオン流を取得して薄膜を調製し、それによって薄膜を作製します。高アスペクト比のスルーホールと狭いチャネルのステップの底部をカバーします。
イオン化金属プラズマ技術の典型的な特徴は、チャンバー内に高周波コイルが追加されていることです。プロセス中、チャンバーの作動圧力は比較的高い状態 (通常の作動圧力の 5 ～ 10 倍) に維持されます。 PVD 中に、高周波コイルを使用して第 2 プラズマ領域が生成されます。この領域では、高周波電力とガス圧力の増加に伴ってアルゴン プラズマ濃度が増加します。ターゲットからスパッタされた金属原子がこの領域を通過すると、高密度アルゴンプラズマと相互作用して金属イオンが形成されます。
ウェーハキャリア (静電チャックなど) に RF 電源を適用すると、ウェーハ上の負のバイアスが増加し、金属陽イオンが細孔溝の底に引き付けられる可能性があります。ウェーハ表面に対して垂直なこの指向性金属イオン流により、高アスペクト比の細孔と狭いチャネルのステップ底部の被覆率が向上します。
また、ウェハに負のバイアスが印加されると、イオンがウェハ表面に衝突し（逆スパッタリング）、細孔の溝口の張り出した構造が弱くなり、底部に堆積した膜が細孔の底部の角の側壁にスパッタリングされます。溝を形成し、コーナーの段差被覆率を向上させます。
3.6 大気圧化学蒸着装置
大気圧化学気相成長（APCVD）装置とは、大気圧に近い圧力の環境下で、加熱された固体基板の表面にガス状の反応源を一定の速度で噴霧し、反応源を基板上で化学反応させる装置のことを指します。反応生成物は基板表面に堆積して薄膜を形成する。
APCVD 装置は最も初期の CVD 装置であり、現在でも工業生産や科学研究で広く使用されています。 APCVD 装置は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、二酸化ケイ素、酸化亜鉛、二酸化チタン、リンケイ酸ガラス、ホウリンケイ酸ガラスなどの薄膜の製造に使用できます。
3.7 低圧化学蒸着装置
低圧化学気相成長 (LPCVD) 装置とは、加熱 (350 ～ 1100 ℃) および低圧 (10 ～ 100 mTorr) 環境下でガス状原料を固体基板の表面で化学反応させる装置を指します。反応物は基板表面に堆積して薄膜を形成します。 LPCVD装置は、薄膜の品質を向上させ、膜厚や抵抗率などの特性パラメータの分布均一性を改善し、生産効率を向上させるために、APCVDに基づいて開発されました。
その主な特徴は、低圧の熱場環境において、プロセスガスがウエハ基板表面で化学反応し、その反応生成物が基板表面に堆積して薄膜を形成することである。 LPCVD 装置は高品質の薄膜の作製に利点があり、酸化シリコン、窒化シリコン、ポリシリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、グラフェンなどの薄膜の作製に使用できます。
APCVD と比較して、LPCVD 装置の低圧反応環境は、反応チャンバー内のガスの平均自由行程と拡散係数を増加させます。
反応室内の反応ガスとキャリアガス分子を短時間で均一に分布させることができるため、膜厚の均一性、抵抗率の均一性、膜のステップカバレージが大幅に向上し、反応ガスの消費量も少なくなります。また、低圧環境ではガス物質の伝達速度も速くなります。基板から拡散した不純物や反応副生成物は境界層を通って反応領域から素早く取り出され、反応ガスは境界層を素早く通過して基板表面に到達して反応するため、セルフドーピングを効果的に抑制し、準備を整えます。急峻な遷移ゾーンを備えた高品質フィルムが得られ、生産効率も向上します。
3.8 プラズマ化学蒸着装置
プラズマ化学蒸着 (PECVD) は広く使用されている技術です。成膜技術の高さ。プラズマプロセス中、ガス状前駆体はプラズマの作用下でイオン化されて励起された活性基を形成し、これが基板表面に拡散し、化学反応を経て膜成長が完了します。
PECVDで使用されるプラズマは、プラズマの生成周波数に応じて、高周波プラズマ（RFプラズマ）とマイクロ波プラズマ（マイクロ波プラズマ）の2種類に分けられます。現在、業界で使用されている無線周波数は一般的に 13.56MHz です。
高周波プラズマの導入は通常、容量結合 (CCP) と誘導結合 (ICP) の 2 つのタイプに分けられます。容量結合方式は通常、直接プラズマ反応方式です。一方、誘導結合法は、直接プラズマ法またはリモートプラズマ法とすることができる。
半導体製造プロセスでは、金属またはその他の温度に敏感な構造を含む基板上に薄膜を成長させるために、PECVD がよく使用されます。例えば、集積回路の後工程の金属配線の分野では、デバイスのソース、ゲート、ドレイン構造が前工程で形成されているため、金属配線の分野における薄膜の成長は課題となる。熱収支の制約が非常に厳しいため、通常はプラズマ支援を利用して完了します。プラズマプロセスパラメータを調整することにより、PECVDで成長させた薄膜の密度、化学組成、不純物含有量、機械的靱性および応力パラメータを一定の範囲内で調整および最適化することができます。
3.9 原子層蒸着装置
原子層堆積 (ALD) は、準単原子層の形で周期的に成長する薄膜堆積技術です。成長サイクル数を制御することで堆積膜厚を精密に調整できるのが特徴です。化学気相成長 (CVD) プロセスとは異なり、ALD プロセスでは 2 つ (またはそれ以上) の前駆体が基板表面を交互に通過し、希ガスのパージによって効果的に分離されます。
2 つの前駆体は気相で混合して会合して化学反応することはなく、基板表面での化学吸着によってのみ反応します。各 ALD サイクルで、基板表面に吸着される前駆体の量は、基板表面の活性基の密度に関係します。基板表面の反応性基が枯渇すると、過剰なプリカーサーを導入しても基板表面に化学吸着は起こらなくなる。
この反応プロセスは表面自己制限反応と呼ばれます。このプロセスメカニズムにより、ALD プロセスの各サイクルで成長する膜の厚さが一定になるため、ALD プロセスには正確な厚さ制御と良好な膜ステップカバレッジという利点があります。
3.10 分子線エピタキシー装置
分子線エピタキシー (MBE) システムとは、1 つ以上の熱エネルギーの原子線または分子線を使用して、超高真空条件下で加熱された基板表面に一定の速度で噴霧し、基板表面上で吸着および移動させるエピタキシャル デバイスを指します。基板材料の結晶軸方向に沿って単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる。一般に、熱シールドを備えたジェット炉による加熱条件下で、線源から原子線または分子線が形成され、基板材料の結晶軸方向に沿って一層ずつ膜が成長する。
エピタキシャル成長温度が低く、膜厚、界面、化学組成、不純物濃度を原子レベルで精密に制御できることが特徴です。 MBE は半導体極薄単結晶膜の作製に起源を持ちますが、現在ではその応用は金属や絶縁誘電体などのさまざまな材料系に拡大しており、III-V、II-VI、シリコン、シリコンゲルマニウム (SiGe) を作製することができます。 )、グラフェン、酸化物、有機膜。
分子線エピタキシー（MBE）システムは主に、超高真空システム、分子線源、基板固定および加熱システム、サンプル搬送システム、その場モニタリングシステム、制御システム、テストシステムで構成されています。システム。
真空システムは、真空ポンプ（メカニカルポンプ、分子ポンプ、イオンポンプ、凝縮ポンプなど）や各種バルブを備え、超高真空の成長環境を作り出すことができます。一般的に達成可能な真空度は 10-8 ～ 10-11 Torr です。真空システムは主に 3 つの真空作業室、すなわちサンプル注入室、前処理および表面分析室、成長室から構成されます。
サンプル注入チャンバーは、サンプルを外界に移送して他のチャンバーの高真空状態を確保するために使用されます。前処理および表面分析チャンバーはサンプル注入チャンバーと成長チャンバーを接続しており、その主な機能はサンプルの前処理 (基板表面の完全な清浄度を確保するための高温脱ガス) と、サンプルの予備的な表面分析を実行することです。洗浄されたサンプル。成長チャンバーは MBE システムの中核部分であり、主にソース炉とそれに対応するシャッター アセンブリ、サンプル制御コンソール、冷却システム、反射高エネルギー電子回折 (RHEED)、およびその場モニタリング システムで構成されています。 。一部の生産 MBE 装置には複数の成長チャンバー構成があります。 MBE の装置構造の概略図を以下に示します。
シリコン材料のMBEは、高純度シリコンを原料とし、超高真空（10-10～10-11Torr）条件下、成長温度600～900℃で成長させ、Ga（P型）とSb（ N型）をドーピングソースとして使用します。一般的に使用される P、As、B などのドーピング源は、蒸発しにくいため、ビーム源として使用されることはほとんどありません。
MBE の反応チャンバーには超高真空環境があり、分子の平均自由行程が増加し、成長材料の表面の汚染や酸化が減少します。調製されたエピタキシャル材料は、良好な表面形態および均一性を有し、異なるドーピングまたは異なる材料成分を使用して多層構造を作製することができる。
MBE技術は、原子層1層分の極薄エピタキシャル層を繰り返し成長させる技術で、エピタキシャル層間の界面は急峻になります。これは、III-V 族半導体やその他の多成分異種材料の成長を促進します。現在、MBE システムは、新世代のマイクロ波デバイスおよび光電子デバイスを製造するための高度なプロセス装置となっています。 MBE 技術の欠点は、膜成長速度が遅いこと、高い真空要件、および装置と装置の使用コストが高いことです。
3.11 気相成長装置
気相エピタキシー（VPE）装置とは、気体状の化合物を基板に輸送し、化学反応により基板と同じ格子配列の単結晶材料層を得るエピタキシャル成長装置を指します。エピタキシャル層は、ホモエピタキシャル層（Ｓｉ／Ｓｉ）またはヘテロエピタキシャル層（ＳｉＧｅ／Ｓｉ、ＳｉＣ／Ｓｉ、ＧａＮ／Ａｌ ２ Ｏ ３ など）であり得る。現在、VPE 技術は、ナノ材料の調製、パワーデバイス、半導体光電子デバイス、太陽光発電、集積回路の分野で広く使用されています。
典型的な VPE には、大気圧エピタキシーと減圧エピタキシー、超高真空化学気相成長法、有機金属化学気相成長法などが含まれます。VPE 技術の重要なポイントは、反応チャンバーの設計、ガス流のモードと均一性、温度の均一性と精密制御、圧力制御と安定性、粒子と欠陥の制御など。
現在、主流の商用 VPE システムの開発方向は、大量のウェーハのロード、完全自動制御、および温度と成長プロセスのリアルタイム監視です。 VPE システムには、垂直、水平、円筒の 3 つの構造があります。加熱方法としては、抵抗加熱、高周波誘導加熱、赤外線加熱などが挙げられます。
現在、VPE システムは主に水平ディスク構造を使用しており、エピタキシャル膜成長の均一性が高く、ウェーハの積載量が大きいという特徴があります。 VPE システムは通常、反応器、加熱システム、ガス経路システム、制御システムの 4 つの部分で構成されます。 GaAsやGaNエピタキシャル膜は成長時間が比較的長いため、主に誘導加熱や抵抗加熱が用いられます。シリコン VPE では、厚いエピタキシャル膜の成長には主に誘導加熱が使用されます。エピタキシャル薄膜の成長では、主に赤外線加熱を使用して、急速な温度の上昇/下降を実現します。
3.12 液相成長装置
液相エピタキシー (LPE) システムとは、成長する材料 (Si、Ga、As、Al など) とドーパント (Zn、Te、Sn など) を溶液中に溶解するエピタキシャル成長装置を指します。融点の低い金属 (Ga、In など) を使用し、溶質を溶媒中で飽和または過飽和にし、単結晶基板を溶液と接触させます。徐々に冷却することにより溶媒から結晶材料が析出し、基板の表面に基板と同様の結晶構造および格子定数を有する結晶材料の層が成長する。
LPE 法は、Nelson らによって提案されました。 Si薄膜や単結晶材料、III-IV族やテルル化水銀カドミウムなどの半導体材料の成長に使用され、さまざまな光電子デバイス、マイクロ波デバイス、半導体デバイス、太陽電池の製造に使用できます。 。
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投稿日時: 2024 年 8 月 31 日