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Processo Front-End nella Produzione di Chip: Deposito di Film Sottili

I circuiti integrati sono composti da molti passaggi di fabbricazione complessi e raffinati, tra i quali il deposito di film sottili è una delle tecnologie più critiche. Lo scopo del deposito di film sottili è quello di costruire stack multistrato nei dispositivi a semiconduttore e garantire l'isolamento tra gli strati di metallo. Più strati metallici conduttivi e strati isolanti dielettrici sono alternativamente impilati sulla superficie del wafer. Questi vengono poi rimossi selettivamente tramite ripetuti processi di incisione per formare una struttura 3D.

Il termine sottile si riferisce tipicamente a film con uno spessore inferiore a 1 micron, che non possono essere prodotti mediante lavorazione meccanica convenzionale. Il processo di attacco di questi film molecolari o atomici sulla superficie del wafer è chiamato deposito.

A seconda del principio sottostante, le tecniche di deposito di film sottili sono generalmente classificate in:

• Deposizione Chimica da Vapore (CVD)

• Deposizione Fisica da Vapore (PVD)

• Deposizione a Strati Atomici (ALD)

Poiché la tecnologia dei film sottili si è evoluta, sono emersi vari sistemi di deposizione per servire diversi passaggi della fabbricazione dei wafer.

▌Deposizione Fisica da Vapore (PVD)

PVD si riferisce a un gruppo di processi basati sul vuoto che utilizzano mezzi fisici per vaporizzare il materiale target (solido o liquido) in atomi o molecole, o per ionizzarli parzialmente, e trasportarli attraverso gas a bassa pressione o plasma per depositare film funzionali sul substrato.

I metodi PVD comuni includono:

• Deposizione per evaporazione

• Deposizione per sputtering

• Deposizione al plasma ad arco

• Placcatura ionica

• Epitassia a fascio molecolare (MBE)

PVD è caratterizzato da:

• Elevata purezza del film

• Qualità stabile del film

• Temperature di processo inferiori

• Elevate velocità di deposizione

• Costo di produzione relativamente basso

PVD viene utilizzato principalmente per depositare film metallici e non è adatto per film isolanti. La ragione è che quando gli ioni positivi bombardano un bersaglio isolante, trasferiscono energia cinetica alla superficie del bersaglio, ma gli ioni positivi stessi si accumulano sulla superficie. Questo accumulo di carica genera un campo elettrico che respinge gli ioni in entrata e alla fine interrompe il processo di sputtering.

● Evaporazione sotto vuoto

In un ambiente sottovuoto, il materiale target viene riscaldato ed evaporato. Atomi o molecole vaporizzano dalla superficie e viaggiano con una collisione minima attraverso il vuoto per depositarsi sul substrato. I metodi di riscaldamento comuni includono:

• Riscaldamento resistivo

• Induzione ad alta frequenza

• Bombardamento con fascio di elettroni, fascio laser o fascio ionico

● Deposizione per Sputtering

Nel vuoto, particelle ad alta energia (tipicamente ioni Ar⁺) bombardano la superficie del bersaglio, causando l'espulsione di atomi e il loro deposito sul substrato.

● Placcatura Ionica

La placcatura ionica utilizza il plasma per ionizzare il materiale di rivestimento in ioni e atomi neutri ad alta energia. Viene applicata una polarizzazione negativa al substrato, attirando gli ioni per depositarsi e formare un film sottile.

▌Deposizione Chimica da Vapore (CVD)

CVD utilizza reazioni chimiche per depositare film sottili. I gas reagenti vengono introdotti in una camera di reazione e attivati ​​utilizzando calore, plasma o luce. Questi gas reagiscono chimicamente per formare il film solido desiderato sul substrato, mentre i sottoprodotti vengono scaricati dalla camera.

CVD include molte varianti a seconda delle condizioni:

• CVD a Pressione Atmosferica (APCVD)

• CVD a Bassa Pressione (LPCVD)

• CVD con Plasma Enhancer (PECVD)

• PECVD ad Alta Densità (HDPECVD)

• CVD Metal-Organico (MOCVD)

• Deposizione a Strati Atomici (ALD)

I film CVD generalmente presentano:

• Elevata purezza

• Prestazioni superiori
  È il metodo principale per la fabbricazione di film metallici, dielettrici e semiconduttori nella produzione di chip.

● APCVD

Eseguito a pressione atmosferica e 400–800 °C, utilizzato per la produzione di film come:

• Silicio monocristallino

• Silicio policristallino

• Biossido di silicio (SiO₂)

• SiO₂ drogato

● LPCVD

Applicato in processi >90nm per la produzione di:

• SiO₂, PSG/BPSG

• Nitruro di silicio (Si₃N₄)

• Polisilicio

● PECVD

Ampiamente utilizzato nei nodi 28–90 nm per il deposito di materiali dielettrici e semiconduttori.
Vantaggi:

• Temperature di deposizione inferiori

• Maggiore densità e purezza del film

• Maggiore velocità di deposizione
  I sistemi PECVD sono diventati gli strumenti per film sottili più utilizzati nelle fabbriche rispetto ad APCVD e LPCVD.

▌Deposizione a Strati Atomici (ALD)

ALD è un tipo speciale di CVD che consente la crescita di film ultra-sottili depositando uno strato atomico alla volta tramite reazioni superficiali auto-limitanti.

A differenza della CVD convenzionale, ALD alterna impulsi di precursori. Ogni strato è formato da una reazione superficiale sequenziale con lo strato precedentemente depositato. Questo consente:

• Controllo dello spessore su scala atomica

• Copertura conforme

• Film senza fori di spillo

ALD supporta il deposito di:

• Metalli

• Ossidi

• Carburi, nitruri, solfuri, siliciuri

• Semiconduttori e superconduttori

Man mano che la densità di integrazione aumenta e le dimensioni dei dispositivi si riducono, i dielettrici ad alto k stanno sostituendo SiO₂ nei gate dei transistor. L'eccellente copertura dei gradini e il preciso controllo dello spessore di ALD lo rendono ideale per la fabbricazione di dispositivi avanzati ed è sempre più adottato nella produzione di chip all'avanguardia.

▌Confronto delle Tecnologie di Deposizione

● Prestazioni di Deposizione del Film

(Qui è possibile inserire una tabella comparativa di conformità, controllo dello spessore, copertura dei gradini, ecc.)

● Tecnologie e Applicazioni

(Inserire una tabella che mostra i casi d'uso di PVD vs. CVD vs. ALD)

● Apparecchiature e Capacità

(Inserire una tabella che confronta le velocità di deposizione, le temperature, l'uniformità, i costi)

Conclusione

Il progresso delle tecnologie di deposizione di film sottili è essenziale per il continuo sviluppo dell'industria dei semiconduttori. Questi processi stanno diventando più diversi e specializzati, consentendo un'ulteriore innovazione e perfezionamento nella produzione di circuiti integrati.

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