电感耦合等离子体CVD工艺制备高质量薄膜

在现代超大规模集成电路中，广泛使用绝缘薄膜，在器件内的导电区域之间提供电气隔离，并作为最终覆盖钝化层。氮化硅、二氧化硅和氮氧化合物应用广泛。

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，在高密度等离子体，低沉积压力和温度下可以沉积高质量的薄膜。

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，欧洲杯足球竞彩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

对于等离子体沉积有额外的系统功能:

• 电感耦合线圈通过匹配单元连接到13.56 MHz、3.0kW射频发生器。
• 电感耦合等离子体线圈的功率控制等离子体的离解和电离室中入射离子的密度。
• 下电极由另一个13.56 MHz 300W发电机单独供电，可以独立控制偏置电压，偏置电压是样品上离子的能量。
• 为了减小等离子体在沉积过程中的损伤和沉积膜的应力水平，本文提出了一种新的方法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。
• 该系统利用液氮对衬底温度-150°C ~ +400°C进行精确控制。这种宽的温度范围对于不同衬底材料的先进等离子体沉积工艺是必不可少的。欧洲杯足球竞彩
• 纯硅烷(100% SiH₄)通过配气环引入沉积室。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 - 20mTorr的压力。

过程的结果

ICPCVD可以用来沉积许多材料，如SiO欧洲杯足球竞彩₂,罪_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

功能	系统80 +	System100	System100	System133
ICP	ICP65	ICP-CVD180	ICP-CVD380	ICP-CVD380
电极的大小	240毫米	240毫米	240毫米	330毫米
加载	打开负载	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带载体可用于多晶片或小片	多达300mm的载体可用于多晶片或小片
掺杂物	没有	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	没有	没有	没有	没有
MFC控制管线	8或12管路气箱可用	8或12管路气箱可用	8或12管路气箱可用	8或12管路气箱可用
典型的晶圆阶段温度范围	20°C到400°C	0°C到400°C	0°C到400°C	0°C到400°C
Insitu公司等离子清洗	是的	是的	是的	是的

沉积速率

通常，ICP-CVD工艺比PECVD薄膜的沉积速率低。硅氧化物和氮化硅的典型沉积速率超过8nm/min，但更高的沉积速率现在是可能的。同样，为了控制过程，也需要调整许多工艺参数。下面的图2和图3显示了在一系列工艺参数下的典型沉积速率趋势。

图2。ICP功率、压力和硅烷流量对ICP- cvd SiN的影响_x沉积速率

图3。ICP功率、压力和硅烷流量对ICP- cvd SiO的影响₂沉积速率

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。折射率随SiH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，如MEMS，控制薄膜应力的能力是非常必要的。薄膜应力通常通过测量薄膜沉积前后的曲率变化来计算。利用薄膜沉积产生的曲率差，根据Stoney方程计算应力，该方程与基片的双轴模量、薄膜和基片的厚度以及加工前后的曲率半径有关。

在ICP-CVD氮化硅和氧化硅沉积中，可以通过修改如下所示的各种参数来控制薄膜的应力

• 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氧化硅薄膜表现出压应力。薄膜应力可以通过改变包括SiH在内的一系列参数来调整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气比降低，沉积温度降低。

图6 a。罪的变化_x薄膜应力与工艺压力

图6 b。SiO变化₂薄膜温度应力

图6 c。SiO变化₂薄膜应力与SiH₄: N₂O气体比例

湿法腐蚀率

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,
• 腐蚀温度,
• 特定的高频内容。

标准BOE蚀刻剂(40% NH4F/ 49% HF共混物)含有超过30% NH4F，其中HF含量对蚀刻速率有主要影响。低蚀刻速率的薄膜通常表示高密度薄膜。图7和图8显示了SiN的湿法腐蚀速率数据_x和SiO₂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薄膜沉积中研究了SiN的电特性_x低温沉积(~RT)显示击穿电场大于3x10⁶Vcm^－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沉积薄膜。此外，ICP-CVD SiO₂低温沉积时击穿电压高。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°C下沉积的薄膜会产生大于5-6MV/cm的电击穿电场。

表2。ICP-CVD罪_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。结果表明，击穿电压为~>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当沉积在20°C时，薄膜覆盖。此外，台阶覆盖度还取决于台阶的高度和宽度。

图10。(上)步骤覆盖的定义

图10 b。(右)50 nm ICP-CVD SiN在22°C下沉积在150 nm金属上，具有良好的台阶覆盖的SEM图像。

膜厚均匀性

工艺也进行了改进，在新的专利硬件设计的基础上，薄膜厚度均匀性得到了改善。新颖的硬件设计还允许用户在更大的区域沉积层，具有良好的膜厚均匀性。专利硬件设计是基于一种被称为传动盘的新型淋浴喷头设计。然后将透射板置于腔内，并设置在高密度等离子体源与衬底之间。

通过调整孔的大小和分布来优化透射板，以达到最大的膜厚提高。传输板由6082铝合金制成，具有足够的厚度，即使在使用高ICP功率运行时，也可以通过侧向传导将传输板对准接近腔室温度。为了达到氮化硅和氧化硅沉积的最佳膜厚均匀性，需要两种不同类型的极板。

图11和图12(下图)显示了ICP180源的两个不同的透射板。

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)优化透射板2，沉积SiN_x

图13显示了ICP380源沉积所需的更大的透射板ICP-CVD衬底厚度可达300mm，膜厚均匀性好。

图13。传输板与ICP380信号源配合使用

图14和15显示了SiN的一个示例_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罪_x使用带有ICP180源的System100薄膜厚度均匀度超过100mm

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

低温沉积的典型薄膜厚度均匀性也取决于所使用的ICP源。表3显示了不同的膜厚均匀性取决于ICP源。

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。电感耦合等离子体化学气相沉积SiN的沉积速率随总气体流量的变化_x沉积在150°C

图17。ICP-CVD SiO沉积速率随总气体流量的变化₂沉积在150°C

表3。典型的ICP-CVD薄膜厚度均匀性

ICP源	晶片大小
	50毫米	100毫米	150毫米	200毫米
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反复沉积同一层膜的能力。电感耦合等离子体化学气相沉积(ICP-CVD)过程的重复性和稳定性₂(>140nm/min)在低温(<150°C)在75 x 100mm晶圆上。结果如图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所示。晶圆对晶圆的折射率重复性<+/-0.3%

图20。ICPCVD SiO₂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也可以用来沉积其他材料，如非晶硅(未掺杂和掺杂)和碳化硅。欧洲杯足球竞彩非晶硅通常是用纯硅烷和少量氩气来沉积，以帮助打击等离子体。此外，还使用氢来提高薄膜质量。掺杂剂可以以磷和硼的形式加入，以改变该层的电导率，这在光伏应用中特别重要。下图21显示了磷流对ICP-CVD非晶硅层沉积速率的影响。ICP-CVD也可以用来沉积碳化硅。硅烷通常与甲烷混合，氩气也被用来帮助等离子体打击。通过调节硅烷与甲烷的气体流量比可以调节碳化硅的折射率。图22和图23显示了折射率、薄膜应力与甲烷/硅烷气体流量比的关系。

图21。磷气流量对ICP-CVD a-Si沉积速率的影响

图22。折射率随甲烷/硅烷气体流量比的变化

图23。薄膜应力随甲烷/硅烷气体流量比的变化

IP-CVD等离子清洗

在电感耦合等离子体化学气相沉积(ICP-CVD)工艺中，大部分刀具时间用于等离子体清洗，使用蚀刻气体清洗工艺室。有许多清洁气体可用，如CF₄C_3.F₈C₂F₆和NF_3.．然而，在ICP腔内，通常使用SF6，因为它能够实现更高的蚀刻速率，更清洁的副产品和经过改进的蚀刻工艺，以成功地清洗腔内。已经使用的替代气体是CF₄和C_3.F₈．清洁气体无论是SF6或CF4通常与O₂或者N₂O以减少清洁后形成的副产物。典型的厚度和清洗指南如下:

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

在等离子室清洁后，运行泵清洗配方以减少微粒是很重要的。一个典型的顺序如下:-

重复30次/1min泵/1min氮气吹扫，100 sccm, 50 mT/Loop据观察，大约0.5微米的沉积需要进行调节。图24显示了在腔等离子体清洁和腔条件作用后沉积速率和折射的稳定情况。

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

在这篇论文中，我们已经证明了ICP-CVD可以用来沉积包括SiO在内的各种材料欧洲杯足球竞彩₂,罪_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。欧洲杯足球竞彩

有关此来源的更多信息，请访问牛津仪器等离子体技术．