等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積制備非晶sio

等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積制備非晶sio

1pecvd工藝壓縮式cmd（apcvd）、低壓cmd（液化cvd）和在線輔助cmd是最廣泛使用的一些cmd儲(chǔ)存過程。等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)過程使用等離子體能量來產(chǎn)生并維持CVD反應(yīng)。PECVD的系統(tǒng)反應(yīng)壓強(qiáng)和LPCVD的系統(tǒng)反應(yīng)壓強(qiáng)是可以比擬的,不同的是,PECVD的反應(yīng)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LPCVD的反應(yīng)溫度,通常低于350℃。同時(shí),PECVD是典型的冷壁等離子體反應(yīng),硅片被加熱到較高溫度而其他部分不加熱,冷壁反應(yīng)產(chǎn)生的顆粒較少,因此減少了停工清洗時(shí)間。PECVD工藝使用等離子的能量來觸發(fā)并維持淀積所需的化學(xué)反應(yīng)的好處在于:①更低的工藝溫度;②較好的間隙填充能力;③淀積的薄膜對(duì)硅片有優(yōu)良的粘附性;④高的淀積速率;⑤較少的針孔缺陷。PECVD方法淀積的SiO2薄膜由于其具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、抗侵蝕能力強(qiáng)以及良好的介電性質(zhì)(表1),常作為金屬層間介質(zhì)(ILD)、鈍化層等,被廣泛運(yùn)用在半導(dǎo)體材料,集成電路和MEMS器件的制造工藝中。在PECVD中,淀積腔壓強(qiáng),溫度,氣體流速和流速比率,射頻功率以及頻率是主要的變量,將影響淀積的速率和淀積薄膜的性能,因此有必要對(duì)PECVD淀積SiO2薄膜的工藝進(jìn)行研究。2薄膜力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)采用英國(guó)STS公司制造的MescMutiplexPECVD設(shè)備,用4寸(100mm)P型<100>單晶硅片作為襯底。PECVD方法制備SiO2薄膜,通常是使用硅烷(SiH4)和笑氣(N2O)在等離子狀態(tài)下反應(yīng),工藝溫度一般低于350℃。與APCVD相比,PECVD淀積的SiO2更不容易開裂,更均勻,缺陷更少。其反應(yīng)方程式為:SiH4(氣態(tài))+2N2O(氣態(tài))→SiO2(固態(tài))+2N2(氣態(tài))+H2(氣態(tài))(1)生成的SiO2,盡管在膜中含有一些H和少量的N,但仍接近于化學(xué)計(jì)量分析值。H能夠以Si-H、Si-O-H、H-O-H的形式存在,H會(huì)使薄膜的特性蛻化,因而要盡可能的減少。本實(shí)驗(yàn)使用純硅烷和笑氣作為反應(yīng)氣體,氮?dú)庾鳛橄♂寶怏w。PECVD屬于低溫低壓CVD工藝,反應(yīng)氣體到達(dá)硅片的速度要大于表面化學(xué)反應(yīng)的速度,因此淀積速度是受到反應(yīng)速度限制的,且反應(yīng)速率隨溫度的增加呈指數(shù)上升趨勢(shì)(直到出現(xiàn)反應(yīng)氣體質(zhì)量傳輸限制,通常將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PECVD典型淀積溫度)。受溫度影響的參數(shù)還有淀積薄膜的含H量、應(yīng)力、致密性等。本實(shí)驗(yàn)考慮到工藝的穩(wěn)定性和薄膜的實(shí)用性,始終采用300/250℃(分別為下電極和上電極溫度)的典型淀積溫度。而射頻頻率主要影響的是淀積薄膜的應(yīng)力,PECVD射頻頻率有一些常用的典型值。但一般達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求后就不再改變,以保持較好的薄膜力學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)使用的射頻頻率為低頻380kHz。在硅片上淀積的SiO2薄膜使用橢偏儀對(duì)其進(jìn)行中心及邊緣5點(diǎn)的測(cè)試,得出其厚度,折射率等參數(shù),并用公式:均勻性=(最大值?最小值)2倍平均值(2)=(最大值-最小值)2倍平均值(2)計(jì)算得出相應(yīng)的均勻性參數(shù)。很明顯,此值越大,說明厚度(折射率)均勻性越差。3結(jié)果與討論3.1功率對(duì)薄膜均勻性的影響保持其他參數(shù)不變,改變射頻功率淀積SiO2薄膜。具體工藝參數(shù)如下:SiH4-45sccm,N2O-365sccm,N2-790sccm,氣壓-600mT,時(shí)間-4min,功率-30W～300W橢偏儀測(cè)試結(jié)果如圖1所示。圖中表明隨功率的增加,相同時(shí)間內(nèi)薄膜厚度(即表示淀積速率)先迅速增加,然后增加逐漸變緩,最后又逐漸降低。淀積速率隨功率增加而增大的原因是:功率越大,提供反應(yīng)活性粒子的能量越高,增大了相互反應(yīng)的幾率,從而增加了淀積速率;而隨著功率增加到一定值,淀積速率增幅明顯變緩,這是由于參與反應(yīng)的活性粒子的數(shù)目隨功率增加逐漸趨于飽和,使得淀積速率也逐漸趨于飽和最后穩(wěn)定;而功率進(jìn)一步增加導(dǎo)致的薄膜厚度降低則是由于等離子體對(duì)硅片表面的物理刻蝕作用:由于淀積速率不再增加,而物理刻蝕始終存在并隨功率增加而增加,最終使得薄膜厚度變薄。從圖1中給出的折射率隨功率的變化關(guān)系,可以看到隨功率增加,薄膜折射率基本趨勢(shì)是降低,且在功率大于75W后低于1.46,偏離SiO2常見折射率值(1.46～1.52)。薄膜均勻性的測(cè)試結(jié)果。當(dāng)功率≥90W時(shí)薄膜厚度均勻性明顯變差,60W時(shí)的均勻性值為不到2%,90W時(shí)迅速增加到5.5%;而折射率均勻性也是在≤60W時(shí)低于高功率時(shí)的值,不過總體說來各功率條件下的折射率均勻性都處于可接受的水平(<3%)。結(jié)合以上結(jié)果,兼顧淀積速率(不要過低),折射率以及均勻性指標(biāo),以下實(shí)驗(yàn)中將功率確定為60W。3.2流量對(duì)sih4和nm的影響改變N2O流量,同時(shí)改變N2流量以保持N2O+N2總流量不變。具體工藝參數(shù)如下:SiH4-8sccm,氣壓-600mT,功率-60W,時(shí)間-5min,N2O-35～765sccm,N2-1120～390sccm。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。可以看出:在N2O流量較低時(shí)(<165sccm),隨著N2O流量的增大,淀積速率迅速增大,而當(dāng)N2O流量增加到165sccm之后,薄膜淀積速率隨N2O流量的增加明顯減緩,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的165～765sccm流量范圍內(nèi)薄膜厚度基本穩(wěn)定在215nm,即淀積速率為43nm/min。以上結(jié)果表明,在功率為60W條件時(shí),對(duì)于流量為8sccm的SiH4氣體,對(duì)應(yīng)的N2O流量在165sccm達(dá)到飽和,即這個(gè)流量值下的N2O剛好把SiH4消耗完并生成SiO2,再增加N2O時(shí)由于SiH4已經(jīng)消耗殆盡,因此淀積速率不再隨N2O增加而提高。但是另一方面,從(1)反應(yīng)式可以看出,為生成SiO2,SiH4與N2O的消耗量之比應(yīng)該為1:2,而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明二者消耗量之比為8:165≈1:20,兩個(gè)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。導(dǎo)致這樣的差異應(yīng)該有兩方面的原因:首先是N2O的離解率低,即在所給功率條件下并非所有N2O都能離解成參與反應(yīng)的活性粒子(主要是O·自由基);其次是生成的活性粒子并未全部都與Si結(jié)合而生成SiO2,如O與H就可以結(jié)合生成OH,甚至H2O。當(dāng)然這里只是很粗略的推斷,要完全正確的解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象必須要對(duì)等離子體反應(yīng)的微觀機(jī)理有很深入的了解。折射率的結(jié)果。當(dāng)N2O流量小于165sccm,隨著流量增加,折射率迅速降低,從30sccm時(shí)的1.61下降到165sccm時(shí)的1.49;而當(dāng)流量大于165sccm后折射率隨流量增加而降低的趨勢(shì)變得緩慢,最大流量為765sccm時(shí)的折射率為1.46,僅比165sccm時(shí)下降了0.03。很明顯,折射率隨N2O流量的變化是因?yàn)楸∧?nèi)氧硅比的變化引起的。隨著N2O流量的增加,薄膜逐漸從富硅過渡到富氧狀態(tài),薄膜密度逐漸降低,因此折射率降低。薄膜均勻性與N2O流量的關(guān)系。N2O量增大,薄膜厚度均勻性僅略有降低,而最大值也不超過3%;折射率均勻性最大也不超過0.6%。表明N2O流量對(duì)氧化硅均勻性影響很小。在以下實(shí)驗(yàn)中,將N2O流量設(shè)定為165sccm。3.3初始?jí)毫?duì)薄膜淀積速率的影響保持其他工藝參數(shù)不變,改變淀積時(shí)腔內(nèi)壓強(qiáng)。具體工藝參數(shù)如下。SiH4-45sccm,N2O-165sccm,N2-990sccm,功率-60W,時(shí)間-4min,氣壓-200mT～1000mT。橢偏儀測(cè)試結(jié)果如圖3所示。可以看到隨壓強(qiáng)增加,相同時(shí)間內(nèi)的薄膜厚度增加,即淀積速率增加。這個(gè)結(jié)果容易理解:隨著壓強(qiáng)的增加,反應(yīng)氣體的濃度增加,因此反應(yīng)產(chǎn)物SiO2的濃度相應(yīng)增加,從而提高了薄膜淀積速率;不過當(dāng)壓強(qiáng)越高,淀積速率增加得越緩慢,這是因?yàn)樵诟叩姆磻?yīng)壓強(qiáng)條件下,更多的氣體分子參與反應(yīng),同時(shí)導(dǎo)致更多的離子間碰撞,在沒有足夠的時(shí)間獲得電離所需能量的情況下,過于頻繁的碰撞將使等離子體密度下降,限制反應(yīng)速率。因此在特定功率條件下時(shí),氣壓增加到一定值時(shí)淀積速率將不再發(fā)生變化。隨著氣壓增加,薄膜折射率逐漸下降。不過下降的幅度并不明顯,如1000mT薄膜的折射率為1.486,僅比300mT時(shí)的1.504下降1.3%?？梢妷簭?qiáng)對(duì)于折射率的影響并不明顯。薄膜均勻性測(cè)試結(jié)果。當(dāng)氣壓為200mT時(shí)薄膜的厚度均勻性明顯較其它壓強(qiáng)值差。這可能是氣壓過低時(shí)腔體內(nèi)部的反應(yīng)氣體流速過快,局部產(chǎn)生湍流,以至于不能夠在腔體內(nèi)均勻分布,從而使得腔體內(nèi)不同位置的氣體濃度不同,不同位置的薄膜淀積速率也因此出現(xiàn)較大的差異。以下實(shí)驗(yàn)中將氣壓設(shè)定為600mT。3.4第一分鐘無薄膜淀積保持淀積工藝不變,只改變淀積時(shí)間,以觀察淀積速度的穩(wěn)定性。時(shí)間變化從1min到8min。具體工藝參數(shù)如下。SiH4-45sccm,N2O-165sccm,N2-990sccm,功率-60W,氣壓-600mT,時(shí)間-1～8min。橢偏儀測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出,在第一分鐘內(nèi)幾乎沒有發(fā)生淀積,測(cè)得的厚度結(jié)果很可能是硅片上的自然氧化層,這可以從折射率測(cè)試值看出:由于自然氧化層致密度和均勻性極差,其折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離正常的SiO2折射率;不過通過觀察窗在第一分鐘仍然觀察到等離子體輝光,因此對(duì)于第一分鐘無薄膜淀積的現(xiàn)象還需要進(jìn)一步分析。從第二分鐘開始有薄膜淀積,且在此之后反應(yīng)速度穩(wěn)定,膜厚與時(shí)間基本呈線性關(guān)系。不考慮第一點(diǎn)做線性擬合,從直線斜率可以得到在此工藝條件下的淀積速率為55.4nm/min。結(jié)果表明第一分鐘薄膜厚度及折射率均勻性都很差,證實(shí)了此時(shí)的薄膜為自然氧化層而非淀積薄膜;而此后薄膜的均勻性很穩(wěn)定:折射率均勻性<0.5%,厚度均勻性<2.5%,表明前述工藝條件下SiO2薄膜均勻性較好。4sio薄膜的制備PECVD方法淀積的SiO2薄膜,其性質(zhì)受多個(gè)工藝參數(shù)的影響。通過較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn),研究了反應(yīng)氣體流量比,射頻功率,工作氣壓,淀