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Front-End-Prozess in der Chipherstellung: Dünnschichtabscheidung

Integrierte Schaltkreise bestehen aus vielen komplexen und raffinierten Herstellungsschritten, von denen die Dünnschichtabscheidung eine der wichtigsten Technologien ist. Der Zweck der Dünnschichtabscheidung ist der Aufbau von Mehrschichtstapeln in Halbleiterbauelementen und die Gewährleistung der Isolierung zwischen Metallschichten. Mehrere leitfähige Metallschichten und dielektrische Isolierschichten werden abwechselnd auf der Waferoberfläche gestapelt. Diese werden dann durch wiederholte Ätzprozesse selektiv entfernt, um eine 3D-Struktur zu bilden.

Der Begriff dünn bezieht sich typischerweise auf Schichten mit einer Dicke von weniger als 1 Mikrometer, die durch herkömmliche mechanische Bearbeitung nicht hergestellt werden können. Der Prozess des Anbringens dieser molekularen oder atomaren Schichten auf der Waferoberfläche wird als Abscheidung bezeichnet.

Abhängig vom zugrunde liegenden Prinzip werden Dünnschichtabscheidungstechniken im Allgemeinen in folgende Kategorien eingeteilt:

• Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

• Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)

• Atomlagenabscheidung (ALD)

Da sich die Dünnschichttechnologie weiterentwickelt hat, sind verschiedene Abscheidungssysteme entstanden, um verschiedene Schritte der Waferherstellung zu bedienen.

▌Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)

PVD bezieht sich auf eine Gruppe von vakuumgestützten Verfahren, die physikalische Mittel verwenden, um das Zielmaterial (fest oder flüssig) in Atome oder Moleküle zu verdampfen oder diese teilweise zu ionisieren und sie durch Niederdruckgas oder Plasma zu transportieren, um Funktionsschichten auf dem Substrat abzuscheiden.

Häufige PVD-Methoden sind:

• Verdampfungsabscheidung

• Sputterabscheidung

• Lichtbogenplasmaabscheidung

• Ionenplattierung

• Molekularstrahlepitaxie (MBE)

PVD zeichnet sich aus durch:

• Hohe Filmsauberkeit

• Stabile Filmqualität

• Niedrigere Verarbeitungstemperaturen

• Hohe Abscheidungsraten

• Relativ geringe Herstellungskosten

PVD wird hauptsächlich zum Abscheiden von Metallschichten verwendet und ist nicht für Isolierschichten geeignet. Der Grund dafür ist, dass positive Ionen, wenn sie ein isolierendes Ziel bombardieren, kinetische Energie auf die Zieloberfläche übertragen, sich aber die positiven Ionen selbst hauptsächlich zum Abscheiden von Metallschichten auf der Oberfläche ansammeln. Dieser Ladungsaufbau erzeugt ein elektrisches Feld, das ankommende Ionen abstößt und schließlich den Sputterprozess stoppt.

● Vakuumentdampfung

In einer Vakuumumgebung wird das Zielmaterial erhitzt und verdampft. Atome oder Moleküle verdampfen von der Oberfläche und wandern mit minimaler Kollision durch das Vakuum, um sich auf dem Substrat abzulagern. Häufige Heizmethoden sind:

• Widerstandsheizung

• Hochfrequenzinduktion

• Elektronenstrahl-, Laserstrahl- oder Ionenstrahlbombardement

● Sputterabscheidung

Im Vakuum bombardieren hochenergetische Partikel (typischerweise Ar⁺-Ionen) die Zieloberfläche, wodurch Atome herausgeschleudert und auf dem Substrat abgelagert werden.

● Ionenplattierung

Die Ionenplattierung verwendet Plasma, um das Beschichtungsmaterial in Ionen und hochenergetische neutrale Atome zu ionisieren. Auf das Substrat wird eine negative Vorspannung angelegt, die die Ionen anzieht, um sich abzulagern und eine Dünnschicht zu bilden.

▌Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

CVD verwendet chemische Reaktionen, um Dünnschichten abzuscheiden. Reaktionsgase werden in eine Reaktionskammer eingebracht und unter Verwendung von Wärme, Plasma oder Licht aktiviert. Diese Gase reagieren chemisch miteinander, um den gewünschten Festfilm auf dem Substrat zu bilden, während Nebenprodukte aus der Kammer abgeführt werden.

CVD umfasst viele Varianten, abhängig von den Bedingungen:

• Atmosphärendruck-CVD (APCVD)

• Niederdruck-CVD (LPCVD)

• Plasmaunterstützte CVD (PECVD)

• Hochdichte PECVD (HDPECVD)

• Metallorganische CVD (MOCVD)

• Atomlagenabscheidung (ALD)

CVD-Schichten weisen im Allgemeinen Folgendes auf:

• Hohe Reinheit

• Überlegene Leistung
  Es ist die Mainstream-Methode zur Herstellung von Metall-, Dielektrikum- und Halbleiterschichten in der Chipherstellung.

● APCVD

Wird bei Atmosphärendruck und 400–800 °C durchgeführt und zur Herstellung von Schichten wie den folgenden verwendet:

• Einkristallines Silizium

• Polykristallines Silizium

• Siliziumdioxid (SiO₂)

• Dotiertes SiO₂

● LPCVD

Wird in >90nm-Prozessen zur Herstellung von Folgendem angewendet:

• SiO₂, PSG/BPSG

• Siliziumnitrid (Si₃N₄)

• Polysilizium

● PECVD

Weit verbreitet in 28–90 nm-Knoten zur Abscheidung von Dielektrikum- und Halbleitermaterialien.
Vorteile:

• Niedrigere Abscheidungstemperaturen

• Höhere Filmdichte und Reinheit

• Schnellere Abscheidungsraten
  PECVD-Systeme sind im Vergleich zu APCVD und LPCVD zu den am weitesten verbreiteten Dünnschichtwerkzeugen in Fabriken geworden.

▌Atomlagenabscheidung (ALD)

ALD ist eine spezielle Art von CVD, die das Wachstum ultradünner Schichten ermöglicht, indem sie eine atomare Schicht nach der anderen durch selbstlimitierende Oberflächenreaktionen abscheidet. 

Im Gegensatz zu herkömmlichem CVD wechselt ALD zwischen Vorläuferpulsen. Jede Schicht wird durch eine sequentielle Oberflächenreaktion mit der zuvor abgeschiedenen Schicht gebildet. Dies ermöglicht:

• Atomare Dickenkontrolle

• Konforme Abdeckung

• Nadelfreie Filme

ALD unterstützt die Abscheidung von:

• Metallen

• Oxiden

• Karbiden, Nitriden, Sulfiden, Siliziden

• Halbleitern und Supraleitern

Mit zunehmender Integrationsdichte und schrumpfenden Bauteilgrößen ersetzen High-k-Dielektrika SiO₂ in Transistorgates. Die hervorragende Stufenbedeckung und präzise Dickenkontrolle von ALD machen es ideal für die fortschrittliche Bauelementeherstellung und wird zunehmend in der hochmodernen Chipherstellung eingesetzt.

▌Vergleich von Abscheidungstechnologien

● Filmabscheidungsleistung

(Hier können Sie eine Vergleichstabelle von Konformität, Dickenkontrolle, Stufenbedeckung usw. einfügen.)

● Technologien und Anwendungen

(Tabelle mit Anwendungsfällen von PVD vs. CVD vs. ALD einfügen)

● Ausrüstung & Fähigkeiten

(Tabelle mit Vergleich von Abscheidungsraten, Temperaturen, Gleichmäßigkeit, Kosten einfügen)

Schlussfolgerung

Die Weiterentwicklung der Dünnschichtabscheidungstechnologien ist für die kontinuierliche Entwicklung der Halbleiterindustrie unerlässlich. Diese Prozesse werden vielfältiger und spezialisierter und ermöglichen weitere Innovationen und Verfeinerungen in der Herstellung integrierter Schaltkreise.

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