电感耦合等离子体CVD工艺制备高质量薄膜

在现代VLSI电路中利用了广泛的绝缘薄膜，其提供在装置内的导电区域和作为最终覆盖钝化层之间的电隔离。广泛使用氮化硅，二氧化硅和氧氮化物。

根据沉积温度的不同，可以采用不同的沉积方法。大气压、化学气相沉积和低压化学气相沉积方法通常要求在大于400°C的区域内增加温度，而使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)通常要求沉积温度小于400°C。

研究人员正在努力在低于150°C的温度下沉积高密度介质薄膜，特别是在温度敏感的器件中，如有机led。通过使用ICP-CVD.方法，牛津仪器开发了一种沉积过程，其中可以用高密度等离子体，低沉积压力和温度沉积高质量薄膜。

实验的程序

最常见的是，使用平行板电抗器，其中样品设置在接地的底部电极上，并对上电极施加射频电压。这在两个板之间形成辉光放电，气体沿径向流过放电。将底部电极加热到100-400°C，这种方法通常涉及等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。

为了在低于100°C的更低温度下沉积高密度介质薄膜，OIPT设计了一个高密度等离子体(HDP)源，其中等离子体电子在平行于腔室边界的方向被激发。所使用的HDP源是电感耦合等离子体(ICP)室，其中等离子体由绕在介质壁外的线圈设置的磁势驱动，其设计如图1所示。电子电流的方向与线圈电流的方向相反，线圈电流被设计成平行于腔室表面。

当等离子体被激发时，操作压力随之降低。压力的下限由特定源的效率控制。在大多数材料中，亚博网站下载处理等离子体的电子加热主要是电阻性的，等离子体的阻抗大小与非弹性碰撞可用的中性的密度有关。随着阻抗压力的降低，源驱动等离子体的能力也降低了。

图1所示。OIPT ICP-CVD系统

对于等离子体沉积，还有其他系统功能：

• 电感耦合线圈通过匹配单元连接到13.56MHz，3.0kW的RF发生器。
• ICP线圈功率控制腔室中的等离子体的解离和入射离子的密度。
• 下电极由另一个13.56MHz 300W发生器分开供电，这使得能够独立地控制偏置电压，这是样品上的离子的能量。
• 为了使沉积过程中的等离子体诱导的损伤最小化，沉积薄膜中的应力水平ICP-CVD.系统在纯“ICP”模式下工作，只对ICP线圈施加100至2000 W的射频功率，而对下电极没有射频功率。
• 在晶片的后部施加氦压力，使夹头和晶片之间有良好的热接触。
• 通过使用液氮，该系统通过液氮对-150℃至+ 400℃的基板温度的控制。该宽温度范围对于不同基材材料的先进等离子体沉积过程至关重要。亚博网站下载
• 纯硅烷（100％SIH_4.）通过气体分配环被引入沉积室。其他气体，如n₂和N₂O被引入ICP源室
• 自动压力控制器（APC）用于控制2至20mTorr的压力。

过程的结果

ICPCVD可以用来沉积许多材料，如SiO亚博网站下载₂，罪恶_x，SiO._xN_y， a-Si和SiC。在本文中，重点将是沉积高质量SiO的能力₂在衬底温度低至20°C的情况下形成SiN薄膜。在电感耦合等离子体化学气相沉积室中，二氧化硅薄膜是通过硅烷(通过气体分布环引入)和氧化亚氮(通过电感耦合等离子体源引入)之间的反应而沉积的。此外，利用通过气体分布环引入的硅烷和通过源引入的氮气沉积氮化硅薄膜。讨论的工艺参数包括沉积速率、薄膜厚度均匀性、折射率、薄膜应力、湿腐蚀速率和击穿电压。

表1。牛津仪器公司的ICP-CVD工具

特征	系统80 +	System100.	System100.	系统133.
ICP	ICP65	ICP-CVD180	ICP-CVD380	ICP-CVD380
电极尺寸	240毫米	240毫米	240毫米	330毫米
装载	打开负荷	负载锁定	负载锁定	负载锁定
基板	50毫米晶片	150mm带载体可用于多晶片或小片	200mm，带有运营商选项可用于多晶片或小块	高达300毫米的运营商选项可用于多晶片或小块
掺杂剂	不	可提供各种掺杂剂，包括PH3, B2H6, GeH4	可提供各种掺杂剂，包括PH3, B2H6, GeH4	可提供各种掺杂剂，包括PH3, B2H6, GeH4
液体前驱	不	不	不	不
MFC受控汽油	8或12线路燃气盒提供	8或12线路燃气盒提供	8或12线路燃气盒提供	8或12线路燃气盒提供
典型的晶片级温度范围	20°C到400°C	0°C至400°C	0°C至400°C	0°C至400°C
Insitu公司等离子清洗	是的	是的	是的	是的

沉积率

传统上，ICP-CVD过程导致比PECVD薄膜的沉积率较低。氧化硅和氮化硅的典型沉积速率大于8nm / min，但现在可以升高沉积速率。类似地，调整许多过程参数以控制该过程。下面的图2和3显示了一系列工艺参数的典型沉积速率趋势。

图2。ICP电力，压力和硅烷流对ICP-CVD SIN的影响_x沉积率

图3。ICP电力，压力和硅烷流对ICP-CVD SIO的影响₂沉积率

折射率

折射率可以通过改变硅氮化沉积的Si:N或硅氧化物沉积的Si:O的比例来控制。氮化硅薄膜在633 nm处的典型折射率为2.00，尽管这个值可以通过改变硅烷和氮流量来调整。二氧化硅薄膜的典型折射率为1.46。RI值可以通过改变硅烷和氧化亚氮的流动来改变。在这两种薄膜中，较高的折射率值通常表明薄膜是富硅薄膜。下面的图4和图5显示了折射率随不同气体流量比的关系。

图4。SIH折射率的变化_4.: N₂气体比例

图5。折射率随SiH的变化_4.: N₂O气体比例

电影压力(MPa)

在某些应用中，例如MEMS控制薄膜应力的能力是非常重要的。通常通过测量薄膜的曲率和沉积后的曲率变化来计算膜应力。由于薄膜沉积的结果，这种曲率差用于基于Stoney等式计算应力，这与基板的双轴模量，膜和基板的厚度以及预处理和后处理的曲率半径。

在ICP-CVD氮化硅中，氧化硅沉积可以通过根据下面列出的各种参数来控制膜应力

• 工艺压力对氮化硅薄膜应力的影响很大，如下图6a所示。通过增加工艺压力，薄膜应力由压缩向拉伸控制。
• ICP-CVD氧化硅膜显示压缩应力。可以通过改变包括SIH的参数的组合来调节膜应力_4.: N₂O比，温度和射频功率。下图6b和6c显示了SiH的影响_4.: N₂气相比、温度与薄膜应力的关系。通过增加SiH可以获得较低的压缩膜应力_4.: N₂o气体比率和降低沉积温度。

图6 a。罪的变化_x薄膜压力与工艺压力

图6 b。SiO变化₂温度膜压力

图6C。SiO变化₂薄膜应力与SiH_4.: N₂O气体比例

湿蚀刻速度

薄膜质量通过湿法蚀刻表现出来，通常采用缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)，这种蚀刻剂通常是由49%的氢氟酸(HF)和40%的氟化铵(NH4F)以各种预定比例混合而成。通常，BOE缓冲氧化物蚀刻剂用于在二氧化硅层中蚀刻窗口开口。主要应用于IC生产中热氧化层的刻蚀。在有或没有表面活性剂添加剂的情况下，NH4F/HF水溶液对薄膜的蚀刻速率基于三个主要因素:

• NH4F范围,
• 蚀刻温度，和
• 特定的高频内容。

标准BOE蚀刻剂（40％NH4F / 49％HF混合物）含有超过30％的NH4F，HF含量对蚀刻速率产生初步影响的范围。低蚀刻速率膜通常表示高密度膜。图7和8示出了SIN的湿蚀刻速率数据_x和SiO.₂使用ICP-CVD和常规PECVD沉积。数据显示，使用ICP-CVD在低温下沉积的薄膜具有与使用传统平行板PECVD在300°C高温下沉积的薄膜相当的薄膜工艺性能。

图7。罪的变化_x湿腐蚀速率与电极温度有关

图8。SiO变化₂湿腐蚀速率与电极温度有关

击穿电压

击穿电压通常通过在介质膜上施加一个倾斜电压来测量。该薄膜通常沉积在导电的底层，要么是掺杂的硅晶片，要么是与沉积在该沉积薄膜顶部的金属层一起沉积的金属层。金属层通常通过阴影掩模或剥离形成小测试垫，通常小于1 × 1毫米。重要的是，接口是平坦和平滑的，以确保击穿电压没有显著降低。电压升高，直到观察到一个高电流峰值(即击穿薄膜)。所需的电压取决于薄膜的厚度(例如，6MV/cm = 120Volts横跨2000Å厚薄膜)。

在ICP-CVD膜沉积中的罪的电气特性_x低温沉积(~RT)显示击穿电场大于3x10^6.VCM.^－１具有低漏电流。下表2显示了温度对ICP-CVD SiN击穿电压的影响_x沉积的薄膜。此外ICP-CVD SIO₂在低温下沉积时也显示出高击穿电压。图9显示了SIO时> 8 mV / cm的击穿电场₂薄膜在150°C下沉积。相比之下，典型的SiO₂PECVD在300℃下沉积的薄膜导致电场超过5-6mV / cm的电场。

表2。ICP-CVD SIN_x典型击穿电压值

温度ºC.	击穿电压ICP-CVD MV / cm	击穿电压PECVD MV / cm
20.	＞3	-
150	> 7	＞3
200	-	> 4
300	-	＞5

图9。电感耦合等离子体化学气相沉积二氧化硅的电流密度随电场的变化₂薄膜沉积120°C。结果显示击穿电压〜> 8mV / cm。

一步覆盖

台阶覆盖度是沿台阶壁面的膜厚与台阶底部膜厚的比值。这是指S/T和/或S/B在下面的图中。对于保角覆盖，S/T和/或S/B的比值为1。通常通过使用大于300°C的高温来实现良好的步骤覆盖，然而，使用ICP- CVD也可以在低温下实现良好的步骤覆盖。下图为ICP-CVD SiN_x在20°C沉积时薄膜覆盖。此外，步进覆盖还取决于步进高度和宽度。

图10a。(上)步骤覆盖的定义

图10B。（右）50nm ICP-CVD SIN的横截面的SEM图像，在150nm金属上沉积在22°C下，具有良好的阶梯覆盖。

膜厚均匀性

还制定了工艺改进，其中基于新的专利硬件设计实现了改进的薄膜厚度均匀性。新颖的硬件设计还允许用户能够在具有优异的薄膜厚度均匀性的较大区域上沉积层。专利的硬件设计基于新的风格淋浴喷头设计，称为传动板。然后将传动板放置在腔室中，并布置在高密度等离子体源和基板之间。

通过调节孔尺寸和分布以实现最大膜厚度改善来优化传动板。传动板由铝合金6082制成，具有足够的厚度，以使板通过横向传导对准腔室温度，即使在用高ICP功率运行时也是如此。为了实现用于氮化硅和氧化硅沉积的最佳膜厚度均匀性，需要两个不同的板的不同变体。

图11和12（下面）示出了用于ICP180源的两种不同的透射板。

图11。在等离子体过程中，工艺室内硅烷气环和气体传输板的图像

图12。两个气体传送板。(a)优化透射板1沉积sio2₂．（b）透射板2优化以存放罪_x

图13示出了ICP380源所需的较大传输板以便存放ICP-CVD.薄膜具有高达300mm的基板，具有优异的薄膜厚度均匀性。

图13。传输板与ICP380信号源配合使用

图14和15显示了罪的一个例子_x分别使用ICP180和ICP380光源，薄膜厚度分布在100mm和200mm的硅片上。牛津仪器的ICP-CVD系统现在提供了这些改进的工艺改进，用户也可以轻松地升级现有的ICP-CVD系统，以实现更好的薄膜性能。

图14。ICP-CVD SIN_x使用具有ICP180源的System100，薄膜厚度均匀性超过100mm

图15。ICP-CVD SIN_x使用System100和ICP380源，薄膜厚度均匀度超过200mm

低温沉积的典型膜厚度均匀性能也取决于所用的ICP源。表3显示了根据ICP源的不同膜厚度均匀性。

高沉积速率沉积

沉积的薄膜如氮化硅和氧化硅用于HBLEDS钝化最终器件。目前的方法包括批处理PECVD工艺，其典型负载高达8 x 4”衬底，生长速率为14-15 nm/min。最近有相当多的兴趣被导向单晶片LED加工，这需要更高的沉积速率来维持产量的要求。众所周知，沉积温度也必须尽可能地保持在较低的水平。这些要求限制了传统PECVD的能力，传统的PECVD需要高温和低沉积速率，以便沉积高质量的材料，可能是通过允许多余的氢气从生长膜中释放出足够的时间。

在保持良好的薄膜质量、薄膜厚度均匀性和薄膜应力控制的同时，在相同的低温下，可以实现超过140nm/min的更高的沉积速率。这些最新的进展显示了ICP-CVD在低温高通量下获得高质量薄膜的能力。如图16所示，通过增加ICP功率和气体流动混合物，可以实现更高的沉积速率过程。SiN和SiO的气体流量比₂然后调整沉积，以调整折射率，如图17所示。

图16。具有ICP-CVD SIN的总气体流量的沉积速率的变化_x沉积在150°C

图17。沉积速率的变异与ICP-CVD SIO的总气体流量₂沉积在150°C

表3。典型的ICP-CVD薄膜厚度均匀性

ICP来源	晶片大小
	50毫米	100毫米	150mm.	200mm.
ICP65	<±6%	-	-	-
ICP180	<±2％	<±3％	<±5%	-
ICP380	<±1％	<±2％	<±3％	<±5%

过程可重复性

沉积系统最重要的因素之一是能够在又一遍地沉积相同的胶片。ICP-CVD方法的重复性和稳定性，通过沉积高沉积速率SiO进行测试₂（> 140nm / min）在低温（<150°C）上，在75×100mm晶圆上。结果如下图18,19和20所示。

图18。在100mm的晶圆上，晶圆到晶圆的沉积速率重复性<+/-2%，薄膜厚度均匀性<+/-3%

图19。晶圆到晶片折射率+ +/- 0.3％的重复性

图20。ICPCVD SIO.₂薄膜应力可重复性超过75片

ICP-CVD非晶硅和ICP-CVD碳化硅

除了SiO₂，SiO._xN_y和罪恶_x层ICP-CVD也可用于沉积其他材料，例如非晶硅（未掺杂和掺杂）和碳化硅。亚博网站下载无定形硅通常使用纯硅烷沉积，具有小流动的氩气，以帮助击中等离子体。此外，还使用氢气以改善薄膜质量。掺杂剂可以以磷和硼的形式添加，以改变在光伏应用中特别重要的层的电导率。下面的图21显示了磷流量对ICP-CVD非晶Si层的沉积速率的影响。ICP-CVD也可用于储存碳化硅。硅烷通常与甲烷混合，氩气也用于帮助等离子体引人注目。可以通过调节硅烷与甲烷的气体流量来调节SiC的折射率。图22和23显示了折射率，膜应力和甲烷/硅烷气体流量之间的关系。

图21。磷气流对ICP-CVD A-Si沉积速率的影响

图22。甲烷/硅烷气体流量折射率的变化

图23。薄膜应力随甲烷/硅烷气体流量比的变化

IP-CVD等离子清洁

在ICP-CVD处理中，使用蚀刻气体致专用于等离子体清洁的刀具时间的主要比例以清洁处理室。有许多清洁气体可用此类CF_4.C_3.F_8.C₂F_6.和NF_3.．然而，在ICP腔室中，通常使用SF6由于能够实现更高的蚀刻速率，通过产品清洁剂和经验所经过修改的蚀刻工艺来使用，以便在腔室内成功地清洁。已使用的替代气体是CF_4.和C_3.F_8.．清洁气体无论是SF6或CF4通常与O₂或者N₂o为了减少清洁后形成的产品。典型的厚度和清洁指南如下所示：

• 应在沉积薄膜超过5微米后进行清洗。
• 清洁时间取决于沉积薄膜的类型和厚度。
• 典型的清洗时间是2小时，6-8微米的膜沉积。

在等离子体室中清洁，运行泵清洗配方是重要的，以便最小化颗粒。典型的序列如下所示： -

重复30次/ 1min泵/ 1min N2吹扫，100 sccm，50 mt /环腔室需要定期调节腔室，以实现可重复的过程。已经观察到调节需要大约0.5微米沉积。图24显示了在腔室等离子体清洁和腔室调节之后沉积沉积速率和折射率。

图24。室调节对工艺重复性的影响

表面预清洗

等离子体预处理工艺可以应用于特定的表面，以避免沉积薄膜的分层，特别是当薄膜受到某种热应力或机械应力时。沉积膜与底层材料的良好附着力取决于表面类型以及表面残留物的类型。氧基等离子体预清洗对去除有机残留物有更大的效果，而氢基等离子体预清洗对去除无机残留物有更大的效果。如果使用的是硅以外的衬底材料，等离子体预处理过程是实现良好薄膜性能的必要条件。例如，通过应用氢基预清洁工艺，可以提高沉积膜的附着力和质量。这是通过使用氨/氮等离子体预清洗实现的，氨分解成氮和氢，生成的氢与底层表面反应形成氢化表面，在薄膜和基材之间提供了良好的中间层。随后沉积的薄膜表现出良好的薄膜性能，如良好的附着力，低针孔和良好的电特性。

结论

在本文中，我们已经示出了ICP-CVD可用于存放包括SIO的各种材料亚博网站下载₂，罪恶_x， a-Si和SiC。通过使用ICP-CVD技术，在高密度等离子体、低沉积压力和低温度下沉积高质量的薄膜，从而最大限度地减少薄膜污染，增强薄膜化学计量学，最大限度地减少离子表面直接相互作用造成的辐射损伤，并防止器件在高温下降解。

这些信息已经从牛津仪器等离子技术提供的材料中获得，审查和改编。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问牛津仪器等离子体技术．