エピタキシーとCVDの違いは何ですか

チップ製造の薄膜堆積プロセスでは、エピタキシーと化学蒸着という 2 つの技術が一緒に言及されることがよくありますが、根本的には異なります。これらは従兄弟のようなもので、どちらも「蒸気成長」ファミリーに属していますが、異なる特徴と長所を持っています。場合によっては、それらは明らかに分離していることもあります。また、特定の条件下で相互に変身し、共存することもあります。

I. 根本的な違い: 1 つはコピー、もう 1 つは落書き

化学気相成長 (CVD) は、最も一般的な薄膜堆積方法です。その原理は単純で、目的元素を含むガスが反応室に導入され、加熱されたウェーハ表面で化学反応が起こり、固体の薄膜が生成されます。 CVD で生成された膜は、プロセス条件に応じて、多結晶、アモルファス、または単結晶になります。それは壁に絵を描くようなものです。壁の結晶構造に関係なく、絵の具は単に固まって膜になります。 CVD 堆積された二酸化シリコン、窒化シリコン、多結晶シリコンなどには、基板との厳密な格子整合要件がありません。

一方、エピタフティングは CVD ファミリーの「高貴な部門」です。その要件はさらに厳しく、堆積膜は基板と同じ結晶構造と配向を持ち、原子が層ごとに「成長」して基板の格子配列を完全に再現する必要があります。エピタキシーは、同じテンプレートを使用してレンガをコピーするようなものです。新しく構築される壁は、古い壁のレンガの接合部を完全に位置合わせする必要があります。エピタキシャル層は通常、単結晶シリコン、ゲルマニウムシリコン、炭化シリコンなどで、トランジスタの活性領域やヘテロ接合などの重要な構造を構築するために使用されます。

簡単に言えば、すべてのエピタキシーは CVD ですが、すべての CVD がエピタキシーであるわけではありません。エピタキシーは、特定の条件下で達成される CVD の「単結晶複製」モードです。

II.プロセス条件の違い

CVD には非常に広いプロセスウィンドウがあります。温度は室温から摂氏数千度、圧力は大気圧から数パスカルにまで及び、ガスの種類は非常に多様です。ガスを反応させて固体の薄膜を形成するプロセスはすべて CVD と呼ばれます。プラズマCVDでは300～400℃で窒化ケイ素を堆積でき、低圧CVDでは600～700℃で、大気圧CVDでは900℃以上の温度で二酸化ケイ素を堆積できます。 CVD には基板に関する要件がほとんどなく、シリコン、ガラス、金属、さらにはプラスチック (低温条件下で) もすべて堆積できます。

一方、エピタフティングのプロセスウィンドウははるかに狭いです。完全な単結晶層を成長させるには、3 つの厳しい条件を満たさなければなりません。

まず、基板は単結晶である必要があります。エピタキシャル層は基板の結晶格子の続きです。基板自体が多結晶または非晶質である場合、単結晶エピタキシャル層を成長させることはできない。

次に、温度が十分に高くなければなりません。シリコンエピタキシーの場合、温度は通常 1000 ～ 1200°C です。炭化ケイ素エピタキシーの場合、温度は 1500 ～ 1600°C に達することもあります。高温により、吸着された原子に十分な表面移動性がもたらされ、結晶格子内の正しい位置を見つけることができます。

第三に、成長率が遅くなければなりません。速度が速すぎると、原子が「整列」するのに十分な時間がなくなり、多結晶構造または欠陥が生じます。シリコンエピタキシーの一般的な成長速度は毎分 0.1 ～ 1 マイクロメートルですが、多結晶シリコンの CVD 堆積は容易に毎分 10 マイクロメートルに達します。

さらに、エピタキシーでは、チャンバーの非常に高い清浄度が必要です。不純物原子は欠陥中心となり、単結晶の完全性を損なう可能性があります。

Ⅲ．相互変換

特定の条件下では、エピタキシーと CVD を相互変換できます。

CVD からエピタキシーへ: 基板が単結晶シリコンで、堆積温度が十分に高く、成長速度が十分に遅い場合、通常は多結晶シリコンを生成する CVD プロセスを単結晶エピタキシーに変換できます。たとえば、900℃未満でシランを堆積すると多結晶シリコンが得られます。シラン分圧を下げながら温度を1050℃まで上げると、単結晶シリコン基板上に単結晶エピタキシャル層を成長させることができる。これはエピタキシャル成長の基本原理です。表面拡散速度を高めることにより、原子は格子位置を「見つける」機会を得ることができます。

エピタキシャルから CVD へ: 温度が十分に高くないか、成長速度が速すぎる場合、エピタキシャル プロセスは多結晶またはアモルファスの堆積に「変質」します。たとえば、シリコンを低温でエピタキシャル成長させようとすると、アモルファスシリコンが生成される可能性があります。高速でエピタキシーを行うと、多結晶成分が導入される可能性があります。産業界では、この「劣化」を多結晶シリコン薄膜の成長に意図的に利用することがあります。たとえば、トレンチの充填では、最初にアモルファス シリコンの層がバッファとして低温で堆積され、次に高温でアニールされて結晶化されます。

IV.共存共生

高度な製造プロセスでは、エピタキシーと CVD が同じ装置内に共存することが多く、同じプロセス ステップで連携することもあります。

選択エピタキシーはその典型的な例です。ソース・ドレインのリフトプロセスでは、露出した単結晶シリコン領域でエピタキシャルシリコンを選択的に成長させる必要がありますが、二酸化シリコンまたは窒化シリコンの分離領域では何も成長しません。このプロセスは実際にはエピタキシーと CVD の間の「競合」です。単結晶シリコンの表面では、原子が急速に移動して格子位置を見つけてエピタキシャル層を形成します。絶縁表面上では原子核の生成が遅く、最終的に堆積された多結晶またはアモルファス材料は選択的にエッチングで除去されます。

エピタキシャルおよび多結晶の連続堆積: 3D NAND 製造では、最初に単結晶シリコンをシード層としてエピタキシャル成長させ、次に CVD モードに切り替えて多結晶シリコンを堆積してトレンチを埋める必要がある場合があります。同じエピタキシャル装置でも、温度とガス比を調整することで単結晶モードと多結晶モードを自由に切り替えることができます。

歪みシリコン技術でのエピタキシー + 堆積: PMOS のソースおよびドレイン領域にゲルマニウム シリコンがエピタキシャル成長され、その上に窒化シリコンのストレス パッドが同時に CVD 堆積されます。この 2 つは連携してチャネル圧縮応力を導入し、正孔移動度を向上させます。

V. 結論

エピタキシーと CVD は 2 つの異なるアプローチを表しています。1 つは「原子レベルの完全な複製」の追求、もう 1 つは「効率的な膜形成」の実用主義です。これらは気相化学反応の基本原理を共有していますが、結晶の品質、温度範囲、成長速度の点で大きく異なります。温度と速度を調整することで相互変換できます。独創的なプロセス設計により、これらを 1 つのデバイス上で共存させ、同じプロセスで動作させることができます。この 2 つのいとこ間の調和のとれたコラボレーションにより、チップが完璧な単結晶チャネルと高密度の多結晶ゲートおよび絶縁誘電体層の両方を備え、連携して動作する数十億個のトランジスタの壮大な構造をサポートできるようになります。

セミコレックスは高品質を提供しますCVDコーティング製品。ご質問がある場合、または詳細が必要な場合は、お気軽にお問い合わせください。

連絡先電話番号 +86-13567891907

電子メール: sales@semicorex.com