Osadzanie cienkich warstw polega na nałożeniu warstwy na główny materiał podłoża półprzewodnika. Warstwa ta może być wykonana z różnych materiałów, takich jak izolacyjny dwutlenek krzemu, półprzewodnikowy polikrzem, metaliczna miedź itp. Sprzęt używany do powlekania nazywa się sprzętem do osadzania cienkich warstw.
Z punktu widzenia procesu produkcji układów scalonych półprzewodnikowych, znajduje się on w procesie front-end.
Proces przygotowywania cienkich warstw można podzielić na dwie kategorie w zależności od metody tworzenia warstwy: fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD) i chemiczne osadzanie z fazy gazowej(CVD), wśród których urządzenia do obróbki chemicznej CVD stanowią większą część.
Osadzanie fizyczne z fazy gazowej (PVD) polega na odparowywaniu powierzchni materiału źródłowego i osadzaniu go na powierzchni podłoża za pomocą gazu/plazmy o niskim ciśnieniu, w tym parowanie, rozpylanie, wiązkę jonów itp.;
Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD) odnosi się do procesu osadzania stałej warstwy na powierzchni płytki krzemowej poprzez reakcję chemiczną mieszaniny gazów. W zależności od warunków reakcji (ciśnienie, prekursor) dzieli się ją na ciśnienie atmosferyczne.CVD(APCVD), niskie ciśnienieCVD(LPCVD), osadzanie chemiczne z fazy gazowej wspomagane plazmą (PECVD), osadzanie chemiczne z fazy gazowej z plazmą o dużej gęstości (HDPCVD) i osadzanie warstw atomowych (ALD).
LPCVD: Technologia LPCVD charakteryzuje się lepszym pokryciem stopni, dobrą kontrolą składu i struktury, wysoką szybkością i wydajnością osadzania oraz znacznie redukuje źródło zanieczyszczeń cząsteczkowych. Wykorzystanie urządzeń grzewczych jako źródła ciepła do podtrzymania reakcji, kontroli temperatury i ciśnienia gazu jest bardzo ważne. Szeroko stosowana w produkcji ogniw TopCon z warstwą polimerową.
PECVD: Technologia PECVD wykorzystuje plazmę generowaną przez indukcję radiową, aby osiągnąć niską temperaturę (poniżej 450 stopni Celsjusza) procesu osadzania cienkich warstw. Niska temperatura osadzania to jej główna zaleta, pozwalająca oszczędzać energię, redukować koszty, zwiększać wydajność produkcyjną i skracać czas życia nośników mniejszościowych w płytkach krzemowych spowodowany wysoką temperaturą. Technologia ta może być stosowana w procesach różnych ogniw, takich jak PERC, TOPCON i HJT.
ALD: Dobra jednorodność warstwy, gęstość i brak dziur, dobre właściwości pokrycia schodów, możliwość stosowania w niskiej temperaturze (temperatura pokojowa -400°C), prosta i precyzyjna kontrola grubości warstwy, szerokie zastosowanie do podłoży o różnych kształtach i brak konieczności kontroli jednorodności przepływu reagentów. Wadą jest jednak niska prędkość formowania warstwy. Przykładem jest warstwa emitująca światło z siarczku cynku (ZnS) stosowana do produkcji nanostrukturalnych izolatorów (Al2O3/TiO2) i cienkowarstwowych wyświetlaczy elektroluminescencyjnych (TFEL).
Osadzanie warstw atomowych (ALD) to proces powlekania próżniowego, który tworzy cienką warstwę na powierzchni podłoża warstwa po warstwie w postaci pojedynczej warstwy atomowej. Już w 1974 roku fiński fizyk materiałowy Tuomo Suntola opracował tę technologię i zdobył nagrodę Millennium Technology Award w wysokości 1 miliona euro. Technologia ALD była pierwotnie wykorzystywana w płaskich wyświetlaczach elektroluminescencyjnych, ale nie była szeroko stosowana. Dopiero na początku XXI wieku technologia ALD zaczęła być wdrażana w przemyśle półprzewodnikowym. Poprzez produkcję ultracienkich materiałów o wysokiej dielektryczności, które miały zastąpić tradycyjny tlenek krzemu, skutecznie rozwiązano problem prądu upływu spowodowany zmniejszeniem szerokości linii tranzystorów polowych, co skłoniło prawo Moore'a do dalszego rozwoju w kierunku mniejszych szerokości linii. Dr Tuomo Suntola powiedział kiedyś, że ALD może znacznie zwiększyć gęstość integracji komponentów.
Dane publiczne pokazują, że technologia ALD została wynaleziona przez dr. Tuomo Suntolę z fińskiego instytutu PICOSUN w 1974 roku i została wdrożona za granicą, czego przykładem jest wysokodielektryczna warstwa w układzie scalonym 45/32 nanometrów opracowanym przez firmę Intel. W Chinach mój kraj wprowadził technologię ALD ponad 30 lat później niż inne kraje. W październiku 2010 roku fiński instytut PICOSUN i Uniwersytet Fudan zorganizowały pierwsze krajowe spotkanie wymiany akademickiej ALD, prezentując technologię ALD po raz pierwszy w Chinach.
W porównaniu z tradycyjnym chemicznym osadzaniem z fazy gazowej (CVD) i fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD), zalety ALD to doskonała zgodność trójwymiarowa, jednorodność dużych powierzchni filmu i precyzyjna kontrola grubości, co jest przydatne przy wytwarzaniu ultracienkich filmów na powierzchniach o złożonych kształtach i strukturach o dużym współczynniku kształtu.
—Źródło danych: Platforma mikro-nanoprzetwarzania Uniwersytetu Tsinghua—
W erze post-Moore'a złożoność i wolumen procesów produkcji płytek półprzewodnikowych uległy znacznej poprawie. Biorąc za przykład układy logiczne, wraz ze wzrostem liczby linii produkcyjnych z procesami poniżej 45 nm, a zwłaszcza linii produkcyjnych z procesami 28 nm i niższymi, wymagania dotyczące grubości powłoki i precyzyjnej kontroli są wyższe. Po wprowadzeniu technologii wielokrotnego naświetlania, liczba etapów procesu ALD i wymaganego sprzętu znacznie wzrosła; w dziedzinie układów pamięci główny proces produkcyjny ewoluował od struktury 2D NAND do struktury 3D NAND, liczba warstw wewnętrznych stale rosła, a komponenty stopniowo zaczęły charakteryzować się strukturami o wysokiej gęstości i współczynniku kształtu, co doprowadziło do pojawienia się istotnej roli ALD. Z perspektywy przyszłego rozwoju półprzewodników, technologia ALD będzie odgrywać coraz ważniejszą rolę w erze post-Moore'a.
Na przykład, ALD to jedyna technologia osadzania, która spełnia wymagania dotyczące pokrycia i wydajności warstwy dla złożonych struktur 3D (takich jak 3D-NAND). Widać to wyraźnie na poniższym rysunku. Warstwa osadzona metodą CVD A (niebieska) nie pokrywa całkowicie dolnej części struktury; nawet po wprowadzeniu pewnych modyfikacji procesu CVD (CVD B) w celu uzyskania pokrycia, wydajność warstwy i skład chemiczny dolnej części są bardzo słabe (biały obszar na rysunku). Natomiast zastosowanie technologii ALD zapewnia całkowite pokrycie warstwą, a wysoka jakość i jednorodne właściwości warstwy są osiągane we wszystkich obszarach struktury.
—-Obrazek Zalety technologii ALD w porównaniu z CVD (Źródło: ASM)—-
Chociaż CVD nadal zajmuje największy udział w rynku w krótkim okresie, ALD stała się jednym z najszybciej rozwijających się segmentów rynku urządzeń do produkcji płytek półprzewodnikowych. Na tym rynku ALD, charakteryzującym się dużym potencjałem wzrostu i odgrywającym kluczową rolę w produkcji układów scalonych, ASM jest wiodącą firmą w dziedzinie urządzeń ALD.
Czas publikacji: 12 czerwca 2024 r.