Deposition von High Quality Films mit induktiv gekoppeltem Plasma - Chemical Vapour Deposition (ICP-CVD) von Oxford Instruments Plasmatechnik

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Deposition von High Quality Films mit ICP-CVD

Eine breite Palette von Isolier-Dünnschichten sind in modernen VLSI Schaltungen zur elektrischen Isolation zwischen leitenden Bereichen in einem Gerät verwendet, und als eine endgültige Capping Passivierungsschicht. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und Oxynitride sind weit verbreitet. Verschiedene Methoden stehen zur Verfügung Ablagerung abhängig Abscheidetemperatur.

Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition-und Niederdruck-CVD-Verfahren erfordern in der Regel hohe Temperaturen im Bereich von> 400 ° C, während die Verwendung von Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition PECVD) erfordert in der Regel Ablagerung Temperaturen <400 ° C.

Großes Interesse hat gegenüber der Fähigkeit, mit hoher Dichte dielektrische Filme bei noch tieferen Temperaturen (<150 ° C) Kaution gerichtet, vor allem in der Temperatur-empfindlichen Geräten wie organische LEDs. Durch die Verwendung der ICP-CVD -Technik, Oxford Instruments haben eine Ablagerung Prozess, in dem hochwertige Filme mit High Density Plasma, geringe Ablagerung Drücke und Temperaturen abgeschieden werden können, entwickelt.

High Density Plasma Sources von Oxford Instruments

Niedrige Temperatur Ablagerungen sind in der Regel durch Verwendung von Plasma, in dem die Gase reagieren in einer Glimmentladung erreicht. Diese Entladung ionisiert die Gase, die Schaffung aktive Spezies, die bei der Wafer-Oberfläche reagieren. Die gängigste Methode ist ein Parallel-Platten-Reaktor, in dem die Probe sitzt auf einem geerdeten unteren Elektrode und Hochfrequenz-Spannung an der oberen Elektrode aufgebracht. Dadurch entsteht eine Glimmentladung zwischen den beiden Platten und die Gase radial durch die Entladung. Typischerweise wird die untere Elektrode wird auf 100-400 ° C erhitzt und diese Methode ist in der Regel zu Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) bezeichnet. Um jedoch mit hoher Dichte Filme dielektrische Filme bei noch tieferen Temperaturen (<100 ° C) Kaution OIPT haben eine hohe Dichte-Plasma (HDP) Quelle in dem das Plasma Elektronen in einer Richtung parallel zu der Kammer Grenzen sind begeistert, entwickelt.

Die HDP-Quelle ist das induktiv gekoppelte Plasma (ICP)-Kammer, in der das Plasma durch eine magnetische Potential durch eine Spule gewickelt außerhalb dielektrischen Wände (typisches Design siehe Abbildung 1) Satz angetrieben wird. Die Richtung der Elektronenstrom ist entgegengesetzt zu der Spule Ströme, die durch Design, parallel zu der Kammer Oberflächen. Wenn das Plasma auf diese Weise angeregt wird der Betriebsdruck kann nachträglich gesenkt werden. Die untere Grenze der Druck ist in der Regel durch die Effizienz der jeweiligen Quelle diktiert. In den meisten Materialien Verarbeitung Plasmen des Elektrons Heizung ist in erster Linie resistive und die Impedanz des Plasmas Skalen mit der Dichte des Neutralen für inelastische Stöße. Da die Impedanz (Druck) wird abgesenkt, so ist die Fähigkeit von der Quelle bis zur Plasma-Laufwerk.

Abbildung 1. OIPT ICP-CVD-System

Zusätzliche System Features für Plasma Deposition

Für Plasma-Ablagerungen gibt es weitere Merkmale des Systems: -

• Das induktiv gekoppelte Spule ist mit einem 13,56 MHz, 3,0 kW HF-Generator über einen passenden Gerät angeschlossen ist.
• Die ICP Antriebsleistung steuert die Dissoziation des Plasmas und die Dichte der einfallenden Ionen in der Kammer.
• Die untere Elektrode wird separat von einem anderen 13,56 MHz 300W-Generator, der die unabhängige Steuerung des Bias-Spannung, dh die Energie der Ionen auf die Probe ermöglicht angetrieben.
• Um die Plasma-induzierte Schäden während der Abscheidung Prozesse und den Stress in abgeschiedenen Schichten zu reduzieren, die ICP-CVD -System hat in einem rein "ICP"-Modus, indem RF-Leistung (100 bis 2000W), um nur die ICP-Spule betrieben werden, aber keine HF-Leistung auf der unteren Elektrode.
• Helium Druck wurde auf der Rückseite der Wafer um einen guten thermischen Kontakt zwischen Futter-und Wafer liefern angewendet.
• Das System verfügt über eine präzise Steuerung der Substrat-Temperatur von -150 ° C bis +400 ° C mit Elektroheizung und flüssigem Stickstoff. Diese weiten Temperaturbereich ist für den fortgeschrittenen Plasmaabscheidung Prozesse verschiedener Trägermaterialien wichtig.
• Reine Silan (100% SiH ₄₎ in die Abscheidungskammer durch eine Gasverteilungsring eingeführt. Andere Gase wie N ₂ und N ₂ O in die ICP-Quelle eingebracht
• Automatische Druck-Controller (APC) wird verwendet, um den Druck (2 bis 20mTorr) zu steuern.

ICP-CVD-Systeme von Oxford Instruments

Eine Zusammenfassung der ICP-CVD -System-Konfigurationen sind in Tabelle 1 dargestellt:

Tabelle 1. ICP-CVD-Tools von Oxford Instruments

Deposition von Materialien mittels ICP-CVD

ICP-CVD kann verwendet werden, um verschiedene Materialien wie zB SiO _2, SiN _x, SiO _x N _y, a-Si-und SiC. Anzahlung In diesem Papier werden wir in erster Linie konzentrieren sich auf die Fähigkeit, hochwertige SiO ₂ und SiN Filme Substrattemperatur Kaution so niedrig wie 20 ° C. In einem ICP-CVD Kammer der Siliciumdioxidfilme werden durch Umsetzung von Silan, das durch die Gasverteilung Ring und Lachgas, die durch die ICP-Quelle eingeführt wird eingeführt abgeschieden wird. Zusätzlich Siliziumnitrid Filme sind hinterlegt mit Silan, die durch die Gasverteilung Ring und Stickstoff, der durch die Quelle eingeführt wird eingeführt wird. Alternativ kann auch Ammoniak verwendet werden, um Siliziumnitrid Anzahlung werden, aber die Verwendung von Stickstoff führt zu einer höheren Qualität Film, der näher erläutert wird später.

Typische Prozessparameter, die hier besprochen sind Abscheiderate, Schichtdicke Einheitlichkeit, Brechungsindex-, Film-Stress, nassen Ätzraten und Durchbruchspannung.

Typische Abscheideraten von ICP-CVD

Traditionell ICP-CVD -Prozesse führt zu niedrigeren Abscheideraten als PECVD-Filme. Typische Abscheideraten für Siliziumoxid und Siliziumnitrid> 8nm/min aber höhere Abscheideraten sind jetzt möglich, in denen Ergebnisse in den nächsten Abschnitt zu sehen ist. In ähnlicher Weise wie herkömmliche parallele Platte Abscheideverfahren viele Prozessparameter eingestellt werden, um den Prozess zu steuern. Abbildung 2 und 3 zeigen typische Abschmelzleistung Trends mit unterschiedlichen Prozessparametern.

Abbildung 2. Auswirkung der ICP-Leistung, Druck-und Silan-flow auf ICP-CVD SiN _x Abschmelzleistung

Abbildung 3. Auswirkung der ICP-Leistung, Druck-und Silan-flow auf ICP-CVD SiO ₂ Abschmelzleistung

Brechungsindex von ICP-CVD abgeschiedenen Schichten

N für Siliziumnitridabscheidung oder Si: O für das Siliziumoxid Ablagerung Der Brechungsindex kann durch Variation des Verhältnisses der Si gesteuert werden. Siliziumnitrid Filme typischen Brechungsindex von 2,00 (bei 633 nm), obwohl dieser Wert durch die Variation der Silan und Stickstoff fließt eingestellt werden kann. Siliziumdioxid Filme typischen Brechungsindex von 1,46. Der RI-Wert kann durch Variation der Silan und Lachgas strömt eingestellt werden. In beiden Filmen einen höheren Brechungsindex Wert deutet normalerweise auf einen Silizium-reichen Film. Abbildung 4 und 5 zeigen die Beziehungen der Brechungsindex mit unterschiedlichen Gas-Flow-Kennzahlen.

Abbildung 4 Variation des Brechungsindex mit SiH _4:. N _{2-Gas-Verhältnis}

Abbildung 5 Variation des Brechungsindex mit SiH _4:. N ₂ O-Gas-Verhältnis

ICP-CVD und Film Stress-

In einigen Anwendungen wie MEMS die Fähigkeit, Film Stress Kontrolle ist sehr wichtig. Film Stress ist in der Regel durch Messung der Krümmung ändern Pre-und Post-Abscheidung der Schicht berechnet. Dieser Unterschied in der Krümmung als Folge der Schichtabscheidung wird verwendet, um Stress durch Stoney-Gleichung, die die biaxiale E-Modul des Substrates, die Dicke der Folie und Substrat bezieht, und der Radius der Krümmungen der Berechnung Pre-und Post-Prozess.

In ICP-CVD Siliziumnitrid und Siliziumoxid Aussagen des Films Stress kann durch Veränderung verschiedener Parameter gesteuert werden. Prozessdruck hat den größten Einfluss auf die Siliziumnitridschicht Stress und ist in Abbildung 6a dargestellt. Durch die Erhöhung der Prozessdruck der Film Stress kann von Druck auf Zug gesteuert werden. Abb. 6a zeigt auch, dass sehr geringe Belastung durch eine Feinabstimmung des Prozesses Druck erreicht werden kann.

ICP-CVD Siliziumoxidfilme zeigen typischerweise Druckspannung. Der Film Stress kann durch Ändern einer Kombination von Parametern einschließlich SiH ₄ eingestellt werden: N _{2-Verhältnis,} Temperatur-und HF-Leistung. Figuren 6b und 6c zeigt die Wirkung von SiH _4: N ₂ O-Gas-Verhältnis und die Temperatur mit dem Film Stress. Niedrige Druck-Film Stress kann durch eine Erhöhung der SiH ₄ gewonnen werden: N ₂ O-Gas-Verhältnis und die Verringerung der Abscheidetemperatur.

Abbildung 6a. Variation von SiN _x-Film Stress mit Prozessdruck

Abbildung 6b. Variation des SiO _2-Film Stress mit der Temperatur

. Abbildung 6c Variation von SiO2-Film Stress mit SiH _4: N ₂ O-Gas-Verhältnis

ICP-CVD und Filmqualität

Qualität des Films ist am ehesten durch Nassätzen, die normalerweise mit gepufferten Oxid-Ätzmittel (BOE), die typischerweise Mischungen sind von 49% Flusssäure (HF) und 40% Ammoniumfluorid (NH ₄ F) in verschiedenen vorgegebenen Verhältnisse zeigten. Typischerweise BOE gepufferte Oxid-Ätzmittel sind zu ätzen Fensteröffnungen in Siliziumdioxid-Schichten verwendet. Das primäre Einsatzgebiet ist die Radierung von thermischen Oxidschichten in IC-Herstellung. Die Ätzrate des Films durch wässrige Lösungen NH4F/HF, mit oder ohne oberflächenaktiven Zusatzstoffen, hängt von drei Hauptfaktoren: NH ₄ F-Bereich, Ätztemperatur und spezifische HF-Gehalt. Standard BOE Ätzmittel (40% NH ₄ F / 49% HF-Blends) enthalten über 30% NH ₄ F, ein Bereich, wo die HF-Gehalt hat wesentlichen Einfluss auf Ätzrate.

Bei der Prüfung nass Ätzraten des Films seine in der Regel eine gute Praxis, um die Ätzrate auf einer thermischen Oxidschicht als Referenz zu messen. Eine niedrige Ätzrate Film zeigt gewöhnlich eine hohe Dichte Film. Abb. 7 und 8 zeigt, nass Ätzrate Daten von SiN _x und SiO ₂ abgeschieden sowohl mit ICP-CVD -und PECVD herkömmliche. Die Daten zeigen, dass die Filme bei niedriger Temperatur hinterlegt mit ICP-CVD gibt vergleichbarer Film Prozess-Performance mit Filmen hinterlegt mit hoher Temperatur herkömmlichen parallelen Platte bei 300 ° C. PECVD

Abbildung 7. Variation von SiN _x nass Ätzrate mit Elektrodentemperatur

Abbildung 8. Variation des SiO ₂ nass Ätzrate mit Elektrodentemperatur

Was ist Breakdown Voltage?

Die Durchbruchspannung ist in der Regel durch Anlegen einer Spannung an der Rampe dielektrischen Schicht gemessen. Der Film ist in der Regel auf eine leitfähige untere Schicht abgeschieden (entweder ein dotierten Si-Wafer oder eine Metallschicht) zusammen mit einer Metallschicht abgeschieden auf der Oberseite des abgeschiedenen Films. Die Metallschicht ist in der Regel entweder durch eine Lochmaske oder mit dem Lift-off zu bilden kleine Testfelder (typisch <<1x1mm) gemustert. Um Kontakt zu solchen kleinen Pads ein Wafer Probe Station ist in der Regel erforderlich. Al / Si Metallschichten sind häufig, aber andere Metalle verwendet werden könnte. Es ist wichtig, dass die Schnittstellen flach und glatt sind, dh keine Hügel oder Beulen auf das darunter liegende Metall und keine Partikel auf der Oberfläche oder im Film, da sonst die Durchbruchspannung wird deutlich reduziert werden (die Metallabscheidung Vorgang kann einige Optimierungen bei Bedarf der Kunde nicht über diese Einrichtung als eine Standard-Test bereits). Dies ist ein Grund dafür, dass eine möglichst geringe Testfeld Durchmesser, da es möglich ist, minimieren die Chancen, dass ein Teilchen in Ihrem Messbereich. Die Spannung wird dann hochgefahren, bis eine hohe Stromspitze wird beobachtet (dh Aufteilung des Films). Die Spannung ist abhängig von der Schichtdicke (zB 6MV/cm = 120 Volt über einen 2000A dicke Folie).

Erhöhte Durchbruchspannung von ICP-CVD abgeschiedenen Schichten

In ICP-CVD -Film Ablagerungen die elektrischen Eigenschaften von SiN _x hinterlegt bei niedrigen Temperaturen (~ RT) haben Zusammenbruch elektrische Felder von mehr als 3x10 ⁶ Vcm ^-1 mit niedrigen Ableitströmen gezeigt [1,2]. Die nachstehende Tabelle 2 zeigt die Wirkung der Temperatur auf die Durchbruchspannung der ICP-CVD SiN _x abgeschiedenen Schichten.

Tabelle 2. ICP-CVD SiN _x typische Durchbruchspannung Werte

Abbildung 9. Variation der Stromdichte mit elektrischen Feldes für die ICP-CVD SiO _2-Film abgelagert 120 ° C. Die Ergebnisse zeigen, Durchbruchspannung ~> 8MV/cm.

Schritt Coverage von ICP-CVD abgeschiedenen Schichten

Darüber hinaus ICP-CVD SiO ₂ zeigt auch hohe Durchbruchspannung bei niedrigen Temperaturen abgeschieden. Abbildung 9 zeigt die Verteilung elektrischer Felder von> 8MV/cm wenn die SiO _2-Films bei 150 abgelagert ° C. Im Vergleich eines typischen SiO _2-Schicht aufgebracht durch PECVD bei 300 ° C führt zu einem elektrischen Durchschlag elektrische Felder im Bereich von> 5-6MV/cm.

Der Schritt Abdeckung ist das Verhältnis der Schichtdicke entlang der Wände ein Schritt, um die Dicke des Films an der Unterseite des Schrittes. Dies ist die S / T und / oder S / B in der Abbildung (10) unten genannt. Für konforme Abdeckung das Verhältnis von S / T und / oder S / B 1 ist. Typischerweise guter Schritt Abdeckung wird durch die Verwendung hohen Temperaturen erreicht (> 300 ° C) ist es jedoch möglich, ausgezeichnete Abdeckung Schritt bei niedriger Temperatur mit erreichen ICP-CVD . Abbildung (10) zeigt ICP-CVD SiN _x-Film berichten, wenn sich bei 20 ° C abgeschieden Neben den Schritt Abdeckung hängt auch von der Stufenhöhe und-breite.

Abbildung 10a. Definition von Schritt Abdeckung

Abbildung 10b. REM-Aufnahmen des Querschnitts von 50 nm ICP-CVD SiN hinterlegt bei 22 ° C auf 150 nm Metall mit guter Schritt Abdeckung.

Quelle: "induktiv gekoppeltem Plasma Chemical Vapour Deposition (ICP-CVD)" von Oxford Instruments Plasmatechnik .

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