LTPS-CVD工藝設備介紹(超詳細)

CVD工藝設備介紹CVD工藝設備介紹目錄CVD的概念、特點CVD原理介紹---PECVDCVD工藝特性參數(shù)CVD膜層介紹CVD薄膜質(zhì)量評價CVD設備簡介一、CVD的概念、特點一、CVD的概念、特點是把含有構成薄膜元素的一種或幾種化合物的氣體供給基片，利用加熱、等離子體、紫外光乃至激光等能源，借助氣相作用在基板的表面發(fā)生化學反應（熱分解或化學合成）生成要求的薄膜CVD法是一種化學反應方法，應用范圍非常廣泛，可制備多種物質(zhì)薄膜，如各種單晶、多晶或非晶態(tài)無機薄膜，在以Si為中心的微電子領域起著重要作用Whatis“CVD”?ChemicalVaporDeposition，即化學氣相沉積是一種化學氣相生長法。1、概念（1）成膜速度快每分鐘可達幾個μm甚至達到數(shù)百μm。同一腔室中可放置大量工件，能同時制得均勻的鍍層;（2）膜層均勻性好CVD反應在低真空進行，鍍膜的均勻性好，對于形狀復雜表面或工件深孔、細孔都能均勻鍍覆，獲得平滑的沉積表面;（3）膜層性能好能得到純度高、致密性好、殘余應力小、結晶良好的薄膜鍍層。一、CVD的概念、特點2、優(yōu)點一、CVD的概念、特點（1）反應溫度太高許多基體材料都耐受不住CVD的高溫，因此應用上受到一定限制。（2）需要采取防止環(huán)境污染的措施在不少場合下，參加沉積的反應源和反應后的余氣易燃、易爆或有毒；對設備來說，往往還有耐腐蝕的要求。（3）PECVD工藝控制較困難關聯(lián)因素：外加電源功率、頻率，氣體流量、總壓強以及襯底溫度、反應裝置與射頻電源的阻抗匹配等各種因素都會影響到成膜速率和膜的質(zhì)量。3、不足CVD工藝設備介紹二、CVD原理介紹---PECVDPECVD(

PlasmaEnhanced

ChemicalVaporDeposition)

(等離子體增強化學氣相沉積)

借助射頻等使含有薄膜組成原子的氣體，在局部形成等離子體，而等離子體化學活性強，促進氣體間的化學反應，從而低溫下也能在基片上沉積出所期望的薄膜。工作原理:它是一種化學氣相生長法；它所需要的是含有構成薄膜元素的一種或幾種化合物的單質(zhì)氣體；它所需要的條件是加熱、等離子體等；采用等離子輔助是對化合物進行催化分解。目的:

利用等離子體輔助活化反應氣體，降低反應溫度，改善薄膜質(zhì)量。二、CVD原理介紹-PECVD1、PECVD定義2、Plasma定義及獲得

定義是：等離子體是由電子、陽離子和中性粒子組成的整體上呈電中性的物質(zhì)集合。

物質(zhì)分子熱運動加劇，相互間的碰撞就會使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就變成由自由運動并相互作用的正離子和電子組成的混合物，即等離子體（plasma），它是除固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。

二、CVD原理介紹-PECVDTo

Pumpdiffuser13~14

MHzRF(ForDeposition)GlassCleanGas（NF3、Ar）RPSC(RemotePlasmaSourceClean)

Deposition:SiNX,Si,SiO2,etc.AdjustablePlasmaCleaning:NF3N2+F+F+SiSiF4ProcessGas（SiH4、N2O、N2

、NH3etc.）二、CVD原理介紹-PECVD3、PE-CVD原理分子到達glass表面黏附表面進行化學反應形成核核長成大島島橫向/縱向生長島連接起來形成薄膜二、CVD原理介紹-PECVDPECVD成膜原理作用1將反應物中的氣體分子激活成活性離子，降低反應所需的溫度2使用等離子體能量來產(chǎn)生并維持CVD反應3加速反應物在表面的擴散作用(表面遷移率)，提高成膜速率4

Plasma的離子轟擊能夠去除表面雜質(zhì)，增強黏附性5增強反應物中的原子、分子、離子和電子之間的碰撞、散射作用，使形成的薄膜厚度均勻二、CVD原理介紹-PECVD4、Plasma成膜F+SiO2→SiF4+O等離子體F+Si3N4→SiF4+N等離子體原因CVD成膜過程中堆積在腔壁的膜會成為particle的來源原理使用含F(xiàn)的化合物氣體，在Plasma作用下，可被分解釋放出F自由基，F(xiàn)+可移除SiO及SiN等。方法RemotePlasmaSourceCleaning(RPSC)遠程等離子源清洗在腔室外連接一個NF3等離子體室進行清洗反應方程式

5、Plasma清洗二、CVD原理介紹-PECVDNitride:

SiH4+NH3+N2→SiNx:HOxide:

SiH4+N2O→SiOx:Ha-Si:SiH4(+H2)→a-Si:H6、CVD主要的化學反應二、CVD原理介紹-PECVDCVD工藝設備介紹三、CVD工藝特性參數(shù)溫度氣體流量比(Si:H,N:H,Si:N)RFpowerPressureSpacing(上下電極間距)三、CVD工藝特性參數(shù)溫度升高，可以提高氣體的表面遷移率，降低基片表面過剩硅原子，同時Si-H鍵在400℃以上會大量斷裂，減少薄膜氫元素含量，使薄膜內(nèi)應力越正，并且造成Si/N摩爾比增加，導致致密性&絕緣性增強。圖1.富含氫的SIN圖2.去氫后的SIN表1.溫度對氮化硅的影響表面吸附率和脫附率會影響沉積速率，隨著溫度的增大，脫附率增加速度會逐漸大于吸附率增加速度，因此當溫度增加到某一程度后，沉積速率不升反降。沉積速率的降低會導致大量島狀物的產(chǎn)生，影響薄膜的均勻性。注：

去氫后的SIN結構變的致密200℃300℃400℃三、CVD工藝特性參數(shù)1、溫度總結：溫度的變化會影響薄膜的致密性、絕緣性、應力、氫含量、沉積速率、厚度均勻度。氮化硅具有極高的電阻率，當SiH4/NH3比增加時，薄膜內(nèi)Si含量增加，折射率增大，而Si-Si大量增加，會導致電阻率下降，絕緣性變差；決定沉積速率的通常是SiH4的濃度，隨著SiH4/NH3比的增加，SiH4濃度增加，沉積速率增加；

SIH4:NH3對WER&n的影響

SIH4:NH3對D.R的影響

SIH4:NH3對K的影響總結：SiH4/NH3比的變化會影響薄膜的沉積速率、致密性、折射率、介電常數(shù)。三、CVD工藝特性參數(shù)2、氣體流量比射頻功率對沉積速率的影響射頻功率對折射率的影響隨著RFpower的增加,沉積速率也會增加；折射率隨之減小3、RFpower三、CVD工藝特性參數(shù)當前使用的射頻為13.56MHz，當功率增大時，氣體激活效率提高，反應物濃度增大，使薄膜生長速度增加。薄膜生長速度過大都會降低薄膜均勻性和致密性，使結構疏松，針孔增多，抗腐蝕性變差。4、Pressure三、CVD工藝特性參數(shù)當壓力增大時，反應氣體濃度增大，離子平均自由程縮短，聚合反應明顯增強，成膜速率上升。從實驗數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，當壓力增大時，薄膜折射率下降。反應室氣壓過低，會影響薄膜的淀積機理，造成針狀形態(tài)的缺陷的形成。壓力對WER&n的影響壓力對D.R的影響壓力對k的影響總結：壓力的變化會影響薄膜的沉積速率、折射率。5、Spacing三、CVD工藝特性參數(shù)（1）上下極板間距太大，會影響淀積速度，造成particle問題，嚴重影響成膜質(zhì)量；（2）如果間距太小，從diffuser出來的強氣流直接噴到玻璃基板：強氣流直接沖擊玻璃基板，離子可能來不及淀積就被強氣流帶走，就會降低成膜速率；間距太小，使得離子反應速度過快，即使離子沒有被強氣流帶走而淀積到玻璃基板上，那么成膜的質(zhì)量也是很差的；板極過近會造成成膜過程中arcing，擊穿glass及susceptor表面陽極膜，造成設備損傷；CVD工藝設備介紹四、CVD膜層介紹（LTPS）四、CVD膜層介紹GlassDriverareaPixelareaP-channelN-channelGateSDGateInsulatorILDPassivationITO1ITO2LDDPolyCHDPLN膜層結構膜厚/AITO2ITO500PV2

SiN1000ITO1ITO500PLNPLN22000M2Ti700Al4000Ti500ILDSiO3000SIN2300PDB+LDDP+M1Mo2200GISiN400SiO800NDP+CHDB+poly-Sia-Si450bufferSiO3000LSMo500四、CVD膜層介紹四、CVD膜層介紹SIO作用：防止玻璃中的金屬離子(鋁,鋇,鈉等)在熱工藝中擴散到LTPS的有源區(qū)；降低熱傳導，減少ELA時硅的冷卻速度，有助于形成較大的結晶晶粒；SiO與熔融Si的濕潤角87°（SiN濕潤角僅25°），有助于形成（100）晶格方向硅薄膜。1、2layer緩沖層反應方程：SIOA-SiSiH4+N2O→SiOx:HSiH4(+H2)→a-Si:H(100)晶格方向XYZA-Si作用：A-Si在ELA之后形成P-Si，作為器件的有源層。氫爆示意圖A-Si氫含量：A-SiH%含量，以FTIR測量，通常為3~5%，需高溫（530℃）去氫，必須使H%<1%，避免ELA氫爆。成膜溫度：420/440℃去氫條件：530℃/540s四、CVD膜層介紹2、GI柵絕緣層反應方程：SIOSIN

SiH4+N2O→SiOx:HSiH4+NH3+N2→SiNx:HSIO作用：緩沖層，與Poly-Si應力匹配好，其可作為金屬與P-Si之間的絕緣層存在，提供柵極電荷存儲區(qū)域。SIN作用：隨著器件面積減小，電荷存儲區(qū)內(nèi)電荷容量減少，為了保證閾值電壓（Vth）和導通電流（Ion）的穩(wěn)定，必須使用高介電常數(shù)的介電層，SIN介電常數(shù)6.8，遠高于SIO介電常數(shù)4，因此使用SiN。成膜溫度：420/440℃四、CVD膜層介紹3、ILD間絕緣層反應方程：SINSIO

SiH4+N2O→SiOx:HSiH4+NH3+N2→SiNx:HSIN作用：作為M2金屬的介電質(zhì)層存在；低溫（360℃）沉積，使SIN富含氫元素，用于修補TFT溝道（氫原子可填補界面態(tài)，改善晶粒間界態(tài)和柵絕緣層的缺陷）SIO作用：作為M2金屬的介電質(zhì)層存在；SiO低針孔密度，低氫氧含量，良好的臺階覆蓋性，較好的應力改善成膜溫度：340/360℃四、CVD膜層介紹4、PVSIN作用：作為Pixel電容；外圍電路保護，抵擋外來水氣和機械刮傷鈍化層反應方程：SINSiH4+NH3+N2→SiNx:H成膜溫度：230/240℃CVD工藝設備介紹五、CVD薄膜質(zhì)量評價五、CVD薄膜質(zhì)量評價質(zhì)量評價參數(shù)簡寫作用說明折射率RI或n能反應薄膜中Si含量的變化厚度THK表征薄膜的實際厚度沉積速率D.R表征薄膜的生長速度濕式蝕刻速率WER表征薄膜的致密性厚度均勻度U%表征薄膜的平坦程度應力Stress表征薄膜內(nèi)應力的大小氫含量H%表征薄膜內(nèi)氫元素的含量介電常數(shù)k表征薄膜對電荷的存儲能力總電荷電量Qtot表征薄膜內(nèi)電荷含量表面陷阱密度Dit表征薄膜接觸面缺陷態(tài)密度平帶電壓Vfb表征MOS管中克服金屬-氧化物功函數(shù)差達到平帶所需的電壓電容-電壓曲線CVcurve表征薄膜電學特性的曲線五、CVD薄膜質(zhì)量評價

1.折射率（RefractiveIndex）折射率永遠大于1折射率對反應氣體流量的變化非常敏感，能有效的監(jiān)控工藝過程中氣體流量的變化；折射率能反應薄膜中Si的含量；折射率主要是對工藝過程中的參數(shù)起監(jiān)控作用，因此越穩(wěn)定越好；

2.厚度（Thickness）最重要的評價參數(shù)，過厚和過薄都會影響器件的性能3.沉積速率（DepositionRate)表征薄膜的生長速度，與氣體流量、溫度、壓力、射頻、Spacing相關；在不影響器件性能的前提下，D.R越快越好，以此縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提高產(chǎn)能；4.濕式蝕刻速率（WetEtchRate)用BOE液（或者1%HF）對薄膜進行浸泡，對比浸泡前后的厚度差，以薄膜對酸液的抗腐蝕能力表征薄膜的致密性；WER越低，致密性越高；薄膜的致密性要配合工藝的整體要求，并非越致密越好；五、CVD薄膜質(zhì)量評價

5.厚度均勻度（uniformity)方差均勻度極差均勻度均勻度表征薄膜的平坦程度，均勻度越小，薄膜越平坦；一般情況下，均勻度越小越好；方差均勻度與極差均勻度區(qū)別：方差均勻度無法準確辨別厚度單點異常的狀況，見圖1；極差均勻度無法準確辨別在相同極差下厚度的整體發(fā)散狀況，見圖2；方差均勻度無法準確分辨的狀況極差均勻度無法準確分辨的狀況天馬使用異常異常圖1圖2五、CVD薄膜質(zhì)量評價

6.應力（Stress）（1）應力的定義應力等于作用力除以受到作用力的面積（單位N/m^2=Pa）Area=AForce=FStress=Force/Area=F/A（3）內(nèi)應力分類按產(chǎn)生的原因分類：熱應力——主要由熱膨脹系數(shù)，沉積和測量溫度決定本征應力——由于薄膜和襯底接觸層的錯位，或者是因為薄膜內(nèi)部的一些晶格失配等缺陷和薄膜固有的分子排列結構造成，與薄膜的生長模式、成分、結構密切相關；（2）應力的分類外應力——由外部作用力產(chǎn)生的應力內(nèi)應力——無外界作用力情況下，存在于材料自身的應力，比如材料內(nèi)部的晶格失配、分子排列構造、溫度等都會產(chǎn)生內(nèi)應力。*我們所關注的一般是薄膜的內(nèi)應力五、CVD薄膜質(zhì)量評價按力的方向分類：張（正）應力——使材料拉伸方向的應力，方向定義為正（Tensile+）；壓（負）應力——使材料壓縮方向的應力，方向定義為負（Compressive-）；（4）內(nèi)應力形成機理本征應力：當薄膜的缺陷或空洞較多時，空洞周圍的薄膜分子以相互吸引力來維持薄膜的狀態(tài)，薄膜呈現(xiàn)張應力；當游離的Si或N單質(zhì)填充到空洞中，游離的單質(zhì)分子對空洞周圍的薄膜分子產(chǎn)生擠壓力，薄膜呈現(xiàn)壓應力。熱應力：當襯底比薄膜收縮得更慢時，薄膜快速收縮導致襯底邊緣向上翹曲，薄膜呈現(xiàn)張應力；當襯底比薄膜收縮得更快時，薄膜緩慢收縮導致襯底邊緣向下彎曲，薄膜呈現(xiàn)壓應力；五、CVD薄膜質(zhì)量評價

7.氫含量（Hydrogen）表征薄膜內(nèi)氫元素的含量；氫含量增加會導致薄膜內(nèi)Si-H鍵增加，Si-H鍵是導電的，因此會使薄膜絕緣性變差；氫含量的增加會導致薄膜內(nèi)Si-O鍵（或Si-N鍵）的減少，增加缺陷密度，使薄膜的致密性下降，同時也會影響薄膜的電學特定，如電荷電量、平帶電壓、介電常數(shù)等；氫含量的增加可以提高氫化的效果，更好的以氫原子去填補界面態(tài)，晶粒間界態(tài)和柵絕緣層缺陷，改善器件特性除了特殊工藝要求外（如ILD-SIN氫化），通常氫含量要求越低越好五、CVD薄膜質(zhì)量評價9.介電常數(shù)（k)反應薄膜電荷的含量，對于絕緣層，電荷含量越低越好；反應薄膜對電荷的儲存能力，k越高，電荷存儲能力越大；介電常數(shù)會直接影響器件特性，需要根據(jù)器件需求決定；10.總電荷電量（Qtotal)五、CVD薄膜質(zhì)量評價反應薄膜接觸面缺陷陷阱的密度，不同膜層之間界面的不連續(xù)性與不飽和鍵會導致缺陷陷阱的產(chǎn)生；對于絕緣層，陷阱密度越小越好；反應MOS管介電層薄膜，克服缺陷造成的金屬氧化物功函數(shù)差，達到平帶，所需要的能量，理論上越接近零越好；11.表面陷阱密度（DensityofInterfaceTrap)12.平帶電壓（flatbandvoltage)13.電容-電壓曲線（CVcurve）反應薄膜電學特性的曲線，項目9-12都可以從CV曲線反應出來；一般情況下，越接近理想CV曲線越好；理想CV曲線CVD薄膜質(zhì)量評價質(zhì)量評價參數(shù)測試機臺測試方式折射率SE橢圓偏振測量技術厚度SR&SE&SEM橢圓偏振測量技術掃描式電子顯微鏡沉積速率濕式蝕刻速率SE比對BOE液或1%HF浸泡前后厚度差均勻度SR&SE&SEM計算厚度的方差均勻度或者極差均勻度應力Stress激光相移方式或者光學聚焦方式氫含量FTIR/SIMS傅氏轉換紅外線光譜分析儀/二次離子質(zhì)譜儀介電常數(shù)IV-CV汞探針方式測量CV曲線總電荷電量表面陷阱密度平帶電壓電容-電壓曲線CVD工藝設備介紹六、CVD設備簡介六、CVD設備簡介CVD機臺總體介紹Loadlock介紹TransferChamber介紹ProcessChamber介紹HeatChamber介紹AKTCVD機臺

，每臺機臺均有一個DSSL（2層）、一個TransferChamber以及若干processchamber。機臺制程制程腔室制程溫度備注CVD1003layerCHA/B/C/D/E420/440℃去氫腔492/530℃CHE為去氫腔CVD200CHA/B/C/ECHE為去氫腔CVD300GICHA/B/C/D/E420/440℃CVD400ILDCHA/B/C/D/E340/360℃CVD500PVCHA/B/C/E230/240℃CVD600GI&ILDCHA/B/C/DGI：420/440ILD：340/360℃2腔GI、2腔ILDCVD700PVCHA/B/C/D/E230/240℃25KPXi2DSSL(DualSingleSlotLoadLock)25KPXi2TransferChamber25KPXi2

ProcessChamber（Max5）CHACHBCHCCHDCHE六、CVD設備簡介CVD機臺總體介紹CVDglassprocessmonitorLoadlockprocesschambertransferchamberheatchamber

530°鍍2layer時有小部分H產(chǎn)生，未防止ELA過程中產(chǎn)生氫爆，需加熱去氫，溫度530左右，將氫含量降至1%。六、CVD設備簡介pumpinglinecoolingwater1、在鍍膜前將玻璃從大氣環(huán)境轉換到真空環(huán)境2、鍍膜后主要作用降溫Gasline六、CVD設備簡介DSSL-DualSingleSlotLoadLockT