ECR Plasma CVD法淀積介質(zhì)膜技術(shù)在半導(dǎo)體光電器件

1、第 20卷第 9期 半導(dǎo)體學(xué)報 V o l . 20, N o . 9 1999年 9月 CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S Sep . , 1999ECR Pla s ma CVD 法淀積介質(zhì)膜技術(shù) 在半導(dǎo)體光電器件中的應(yīng)用茅冬生譚滿清(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 光電子器件國家工程研究中心北京 100083摘要 電子回旋共振等離子體化學(xué)氣相淀積 (ECR P las m a CVD 法淀積介質(zhì)膜技術(shù)是制備性能 優(yōu)良的光電子器件光學(xué)膜和電介質(zhì)膜的重要手段之一 . 本文報道了 ECR P las m a CVD 法淀積介 質(zhì)膜的工藝以及介質(zhì)膜的特

2、性等 .EEACC :7125, 7640, 6855, 8115H , 8160, 7755, 8115J1引言介質(zhì)薄膜在半導(dǎo)體光電器件制備中起著非常重要的作用 15. 常用的介質(zhì)膜有 Si O 2、 Si O x N y 、 Si 3N 4、 a :Si 、 A l 2O 3等 . 近兩年來 , 我們在引進的 ECR P las m a CVD 設(shè)備上開展了淀 積介質(zhì)膜技術(shù)的研究 , 并取得一些有實用價值的成果 , 已經(jīng)在高技術(shù)光電器件的研究開發(fā)中 起著重要的作用 . 以下報道我們在 ECR P las m a CVD 法淀積介質(zhì)膜技術(shù)方面的一些研究工 作 .2實驗我們在 InP 、 Si

3、 、 GaA s 等襯底上成功地淀積了 Si O 2、 Si O x N y 、 Si 3N 4、 a :Si 、 Si O x 、 Si N x 等介 質(zhì)膜 . 例如 , 淀積折射率為 11483的 Si O 2膜 , 使用 Si H 4、 O 2、 N 2等氣體 , 微波功率為 300W , Si H 4和 O 2氣體流量配比為 Q (Si H 4 Q (O 2 =1 2; 淀積折射率為 11810的 Si O x N y 膜 , 使 用 Si H 4、 O 2、 N 2等氣體 , 微波功率為 300W , Q (Si H 4 Q (N 2 =9 4; 淀積折射率為 11966的 Si 3

4、N 4膜 , 使用 Si H 4、 N 2, 微波功率為 300W , Q (Si H 4 Q (N 2 =3 4; 淀積折射率為 21867的 Si O x 膜 , 使用 Si H 4、 O 2、 A r , 微波功率為 300W , Q (Si H 4 Q (O 2 =3 1; 淀積 a :Si 膜 , 使用 Si H 4和 A r 氣 , Q (Si H 4 Q (A r =1 1. 在淀積 Si O x N y 、 Si O x 和 Si N x 膜時 , 如果改 變 Si H 4與 O 2或 Si H 4與 N 2氣體流量配比 , 其介質(zhì)膜的折射率都將有相應(yīng)的變化 , 如圖 13所示

5、 .為獲得光學(xué)厚度精確的光學(xué)膜 , 對膜的幾何厚度和折射率的精確控制是兩個關(guān)鍵因素 . 為精確監(jiān)控其幾何厚度 , 我們采用了高精度石英晶體振蕩膜厚監(jiān)控儀 (淀積速率的監(jiān)控精度茅冬生男 , 1940年出生 , 高級工程師 , 從事光電子器件工藝的研究譚滿清男 , 1967年出生 , 博士后 , 從事光學(xué)薄膜和光電子器件工藝的研究1998203204收到 , 1998205226定稿圖 1 Si O x N y 膜折射率隨 O 2和 Si H 4 氣流配比變化的關(guān)系 圖 2 Si O x 膜折射率隨 O 2和 Si H 4 氣流配比變化的關(guān)系圖 3 Si N x 膜折射率隨 N 2和Si H 4氣

6、流配比變化的關(guān)系為 0101nm s . 經(jīng)過多次淀積 Si O 2膜實驗 , 用橢偏儀測 量結(jié)果如下 ; 2110nm 50s , 4410nm 100s , 6515nm 150s , 8616nm 200s . 其實際淀積速率偏差在±0101nm s 以 內(nèi) . 實驗結(jié)果顯示 , 該方法淀積的介質(zhì)膜 , 均有其各自穩(wěn) 定的淀積速率 .為保證獲得折射率的極好重復(fù)性 , 我們對 12項主 要工藝因素進行了嚴(yán)格控制 , 其中包括 :各種氣體的純 度 、 流量配比 、 本底真空度 、 最佳的微波功率匹配 、 等離 子體對襯底表面的預(yù)處理 、 定期監(jiān)控膜的幾何厚度和折 射率等等 . 從而

7、實現(xiàn)了幾何厚度±5%的均勻性 (直徑為 5108c m 的區(qū)域內(nèi) .我們已成功地用 ECR P las m a CVD 法淀積了適用 于 650nm 、 670nm 、 808nm 、 980nm 、 1310nm 和 1550nm 等激光器兩端面的介質(zhì)光學(xué)膜 . 下面僅以 980nm 大功率 半導(dǎo)體激光器端面鍍膜為例報道我們的研究工作 . HR 膜選用 Si O 2(L 和 Si O x (H 材料 , 其 折射率分別為 n L =11483、 n H =21867, 膜系結(jié)構(gòu)為 Sub (L H 3 A ir . 微波功率為 300W , 鍍 Si O 2膜的氣體流量比為 Q (

8、Si H 4 Q (O 2 =1 2, 鍍 Si O x 膜的氣體流量比為 Q (Si H 4 Q (O 2 =3 1, 每層膜的光學(xué)厚度為 245nm .對于反射率很小的半導(dǎo)體激光器件增透膜 , 我們采用 ABA 的非 4結(jié)構(gòu) , A 、 B 分別用 Si O 2(n L =11483 和 Si 3N 4(n H =11966 , 其光學(xué)厚度比為 1 3 1, 總光學(xué)厚度為 245nm , 等 效折射率為 11850. 淀積 Si 3N 4的微波功率為 300W , Q (Si H 4 Q (N 2 =3 4, 淀積 Si O 2膜 的條件同上所述 .用以上方法制備條寬為 3m 的 980n

9、m 大功率激光器增透膜和高反膜后 , 其測量結(jié)果 表明 :出光效率為 019W A , 閾值電流為 23mA . 該激光器未鍍端面膜時的出光效率為 0145W A , 閾值電流為 20mA . 3結(jié)論和分析對某些淀積膜的連續(xù)測量結(jié)果表明 :ECR P las m a CVD 法淀積介質(zhì)膜的速率保持恒 定 . 例如淀積 Si O 2膜的厚度隨時間線性增加 , 淀積速率為 0143nm s . 不同的膜有其各自恒 定的淀積速率 , 這就為我們在需要大批量鍍膜等場合采用時間監(jiān)控膜厚提供了有力保證 . 對 于要求膜厚監(jiān)控精度極高的光學(xué)膜 , 例如制備超輻射發(fā)光管 , 我們可以采用石英晶體膜厚監(jiān) 控儀控

10、制膜厚 .該方法可以很方便地通過改變氣流配比來實現(xiàn)不同折射率的介質(zhì)膜 . 圖 13分別為 Si O x N y 、 Si O x 、 Si N x 的折射率 (=633nm 隨相應(yīng)氣流配比的變化曲線 . 這些測量結(jié)果表明 : Si O x N y 折射率變化范圍為 11481195, Si O x 折射率變化范圍為 11483150, Si N x 為 1195 3150. ECR P las m a CVD 法淀積介質(zhì)膜技術(shù)為制備各種特定的光學(xué)膜提供了大量可供選 擇的不同折射率材料 .在保持各種工藝狀態(tài)穩(wěn)定的前提下 , 介質(zhì)膜折射率的重復(fù)性偏差一般小于 01005, 這 為提高產(chǎn)品成品率提供

11、了可靠保證 .按光電子器件國家工程研究中心生產(chǎn)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進行長時間高溫老化試驗結(jié)果證實 了介質(zhì)膜的折射率保持不變 , 光學(xué)性能穩(wěn)定 .對采用該方法和 PECVD 方法淀積的膜厚和折射率相近的 Si O x N y 膜的致密性進行 了對比實驗 . 對這兩種膜均用相同條件的 H F 酸緩沖液進行腐蝕速率試驗 . 結(jié)果表明 : PECVD 法鍍制的膜被腐蝕的速率要快兩倍 . 我們用這種致密性很好的介質(zhì)膜制備出性能 良好的超輻射增透膜 , 以及漏電流在 10pA 數(shù)量級的擴散掩蔽膜等 .致謝 本文的工作得到陳良惠研究員 、 李玉璋研究員的關(guān)心和幫助 , 在該工作的初期階段 , Steven D zi

12、oba (B ell 2N o rthern R esearch L td . 博士與我們進行了有益的討論 , 在此表示感 謝 .參 考 文 獻(xiàn)1 Steven D zi oba and R . Rousina , J . V ac . Sci . T echno l . , 1994, B 12(1 :433440.2 Y . M anabe and T. M itsuyu, J. A pp l . Phys . , 1989, 66(4 :24752480.3 J inho A hn . , A pp l . Phys . L ett . , 1994, 64(24 :32493251.4

13、 T akash i Inukai, Jpn . J. A pp l . Phys . , 1994, 33(5A :25932598.5 A . R . Sh i m kunas , J . V ac . Sci . T echno l . , 1991, B 9(6 :32583261.D ielectr ic Th i n F il m D eposition by ECR Pla s ma CVD for Sem iconductor Optoelectron ic D ev icesM ao Dongsheng , T an M anqing(N ational E ng ineer

14、ing R esearch Center of Op toelectronic D ev ices ,Institu te of S e m icond uctors , T he Ch inese A cad e my of S ciences , B eij ing 100083R eceived 4M arch 1998, revised m anuscri p t received 26M ay 1998Abstract T he techno logy of depo siting dielectric th in fil m s by electron cyclo tron reso 2 nance p las m a chem ical vapo r depo siti on (ECR P las m a CVD is one of the i m po rtan t m eth 2 ods fo r depo siting op tical coatings and dielect