Dépôt de films de haute qualité utilisant plasma à couplage inductif - Chemical Vapour Deposition (ICP-CVD) par Oxford Instruments technologie Plasma

Thèmes abordés

Le dépôt de films de haute qualité en utilisant l'ICP-CVD

Une large gamme d'isolants minces sont utilisés dans les circuits VLSI modernes offrant une isolation électrique entre les régions au sein de la réalisation d'un dispositif, et comme une couche de passivation plafonnement finale. Dioxyde de silicium, nitrure de silicium et oxynitrures sont largement utilisés. Diverses méthodes de dépôt sont disponibles sur dépendants température de dépôt.

La pression atmosphérique et de dépôt de vapeur chimique à basse pression méthodes dépôt par vapeur chimique exigent généralement des températures élevées dans la région de> 400 ° C alors que l'utilisation du Plasma Enhanced Chemical PECVD dépôt en phase vapeur) exige généralement des températures de dépôt de <400 ° C.

Un intérêt considérable a été orientée vers la possibilité de déposer des films diélectriques haute densité à des températures encore plus basses (<150 ° C), en particulier dans les dispositifs sensibles à la température tels que les LED organiques. En utilisant l' ICP-CVD technique, Oxford Instruments a développé un procédé de déposition dans laquelle des films de haute qualité peuvent être déposés auprès du plasma à haute densité, des pressions et des températures basses dépôt.

Haute densité du plasma à partir de sources d'Oxford Instruments

Dépositions à basse température sont généralement obtenus en utilisant le plasma dans lequel les gaz réagissent dans une décharge luminescente. Cette décharge ionise les gaz, la création d'espèces actives qui réagissent à la surface du wafer. La méthode la plus commune est un réacteur à plaques parallèles dont l'échantillon est assis sur une électrode inférieure à la terre et la tension de radiofréquence est appliquée à l'électrode supérieure. Cela crée une décharge luminescente entre les deux plaques et le flux de gaz radialement à travers la décharge. Typiquement l'électrode inférieure est chauffée à 100-400 ° C et cette méthode est généralement appelée plasma dépôt chimique en phase vapeur (PECVD). Toutefois, afin de déposer des films de haute densité diélectriques des films à des températures encore plus basses (<100 ° C) OIPT ont développé une haute densité de plasma (HDP) source dans lequel les électrons du plasma sont excités dans une direction parallèle aux limites de chambre.

La source utilisée est le HDP plasma à couplage inductif (ICP) de chambre, dans laquelle le plasma est entraîné par un potentiel magnétique créé par une bobine en dehors des murs diélectrique (conception typique voir figure 1). La direction du courant d'électrons est opposée à celle des courants hélicoïdaux qui sont, par conception, parallèles aux surfaces de chambre. Lorsque le plasma est excité de cette manière la pression de service peut ensuite être abaissé. La limite inférieure de la pression est généralement dicté par l'efficacité de la source particulière. Dans la plupart des matériaux de traitement plasmas du chauffage des électrons est essentiellement résistif, et l'impédance du plasma avec des échelles de la densité des neutres disponibles pour les collisions inélastiques. Comme l'impédance (pression) est abaissée de même que la capacité du disque source vers le plasma.

Figure 1. OIPT ICP-CVD du système

Caractéristiques du système supplémentaire pour le dépôt par plasma

Pour les dépôts de plasma il ya des caractéristiques du système supplémentaires: -

• La bobine à couplage inductif est connecté à un générateur de 13,56 MHz, 3.0kw RF via une unité d'adaptation.
• La puissance de la bobine ICP contrôle de la dissociation du plasma et la densité des ions incidents dans la chambre.
• L'électrode inférieure est séparée alimenté par un autre générateur de 13,56 MHz 300W, ce qui permet un contrôle indépendant de la tension de polarisation, c'est à dire l'énergie des ions sur l'échantillon.
• Afin de réduire les dommages induits par plasma au cours des processus de dépôt et le niveau de stress dans les films déposés, l' ICP-CVD système a été exploité dans un sens purement «ICP» en appliquant le mode de puissance RF (de 100 à 2000W) pour que la bobine du PCI, mais aucune puissance RF sur l'électrode inférieure.
• Pression d'hélium a été appliqué sur le dos des plaques de fournir un bon contact thermique entre le mandrin et la plaquette.
• Le système a un contrôle précis de la température de substrat de -150 ° C à +400 ° C en utilisant chauffage électrique et de l'azote liquide. Cette large plage de température est importante pour le processus avancés de dépôt par plasma de substrats différents.
• Silane pur (100% SiH ₄₎ est introduit dans la chambre de dépôt à travers un anneau de distribution de gaz. D'autres gaz comme le N ₂ et N ₂ O sont introduits dans la chambre source ICP
• Régulateur de pression automatique (APC) est utilisée pour contrôler la pression (2 à 20mTorr).

ICP-CVD Systèmes d'Oxford Instruments

Un résumé de l' ICP-CVD configurations du système sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous:

Tableau 1. ICP-CVD Outils d'Oxford Instruments

Dépôt de matériaux en utilisant l'ICP-CVD

ICP-MCV peut être utilisé pour déposer plusieurs matériaux, par exemple _SiO2, SiN _x, SiO _x N _y, a-Si et SiC. Dans cet article nous allons nous concentrer principalement sur ​​la possibilité de déposer de haute qualité SiO ₂ et SiN films à la température du substrat aussi bas que 20 ° C. Dans une ICP-CVD Chambre des films de dioxyde de silicium sont déposés par la réaction de silane qui est introduit à travers l'anneau de distribution de gaz et d'oxyde nitreux qui est introduit par la source ICP. De plus les films de nitrure de silicium sont déposés à l'aide de silane qui est introduit à travers l'anneau de distribution de gaz et d'azote qui est introduit par la source. Alternativement ammoniac peut également être utilisée pour déposer du nitrure de silicium, mais l'utilisation des résultats de l'azote dans un film de qualité supérieure qui sera expliqué plus en détail plus tard.

Paramètres de processus typiques qui sont discutées ici comprennent le taux de dépôt, uniformité de l'épaisseur du film, l'indice de réfraction, le stress du film, les vitesses de gravure humide, et la tension de claquage.

Les taux de dépôt typique de l'ICP-CVD

Traditionnellement ICP-CVD processus aboutit à des taux de dépôt inférieur films PECVD. Taux de dépôt typique de l'oxyde de silicium et de nitrure de silicium sont> 8nm/min, mais les taux de dépôt plus élevés sont désormais possibles dans lequel les résultats peuvent être vus dans la section suivante. D'une manière similaire aux méthodes conventionnelles parallèles dépôt plaque de nombreux paramètres de processus peuvent être ajustés afin de contrôler le processus. Figure 2 et 3 ci-dessous montrent l'évolution des taux typiques de dépôt avec différents paramètres du procédé.

Figure 2. Effet de l'ICP de puissance, la pression et le débit de silane sur le PCI-CVD taux de dépôt SiN _x

Figure 3. Effet de l'ICP de puissance, la pression et le débit de silane sur le PCI-CVD taux de SiO ₂ dépôts

Indice de réfraction de l'ICP-CVD films déposés

L'indice de réfraction peut être contrôlée en faisant varier le rapport du SI: N pour le dépôt de nitrure de silicium ou de Si: O pour le dépôt d'oxyde de silicium. Des films de nitrure de silicium ont l'indice de réfraction typique de 2,00 (à 633 nm), bien que cette valeur peut être ajustée en faisant varier le flux de silane et d'azote. Des films de dioxyde de silicium ont l'indice de réfraction typique de 1,46. La valeur du RI peut être ajustée en faisant varier le flux d'oxyde nitreux et de silane. Dans les deux films d'une valeur d'indice de réfraction élevé indique généralement un film de silicium riche. Figure 4 et 5 ci-dessous montrent les relations de l'indice de réfraction avec différents ratios de débit de gaz.

Figure 4 Variation de l'indice de réfraction avec SiH _4:. N ratio gaz ₂

Figure 5 Variation de l'indice de réfraction avec SiH _4:. N ₂ O ratio gaz

ICP-CVD et le stress du film

Dans certaines applications, telles que les MEMS la capacité à contrôler le stress film est très important. Le stress du film est généralement calculé en mesurant le changement de courbure pré-et post-dépôt du film. Cette différence de courbure comme un résultat du dépôt du film est utilisé pour calculer le stress au moyen de l'équation de Stoney, qui concerne le module biaxial du substrat, l'épaisseur du film et du substrat, et le rayon de courbure de la pré-et post-traitement.

En ICP-CVD de nitrure de silicium et les dépôts d'oxyde de silicium le stress film peut être contrôlée en changeant divers paramètres. Pression process a la plus grande influence sur le stress du film de nitrure de silicium et est représenté dans la figure 6a ci-dessous. En augmentant la pression du processus du stress film peut être contrôlé à partir de compression à la traction. La figure 6a montre aussi que le stress très faible peut être obtenue en peaufinant la pression du procédé.

ICP-CVD films d'oxyde de silicium montrent typiquement des contraintes de compression. Le stress film peut être ajustée en changeant une combinaison de paramètres, y compris SiH _4: N ₂ Puissance, la température et RF. Les chiffres 6b et 6c ci-dessous montre l'effet de SiH _4: N ₂ O ratio gaz et la température avec le stress du film. Faible tension du film à la compression peut être obtenue en augmentant la SiH _4: N ₂ O ratio gaz et en diminuant la température de dépôt.

La figure 6a. Variation du stress SiN films _x avec pression process

Figure 6b. Variation de SiO ₂ le stress du film avec la température

. Figure 6c Variation de SiO2 de stress film avec SiH _4: N ₂ O ratio gaz

ICP-CVD et le cinéma de qualité

Qualité du film est le plus facilement démontré par gravure humide, normalement effectuée l'aide d'agents d'oxyde tamponné (BOE), qui sont généralement des mélanges d'acide fluorhydrique à 49% (HF) et le fluorure d'ammonium à 40% (NH ₄ F) dans les différents ratios prédéterminés. Typiquement agents de gravure BOE oxyde de mémoire tampon sont utilisées pour ouvertures de fenêtre de gravure dans des couches de dioxyde de silicium. L'application principale est la gravure des couches d'oxyde thermique de production de circuits intégrés. La vitesse de gravure du film par des solutions aqueuses NH4F/HF, avec ou sans additifs tensio-actifs, dépend de trois facteurs principaux: NH ₄ F gamme, température d'attaque, et le contenu spécifique HF. Standard décapants BOE (40% de NH ₄ F / 49% des mélanges HF) contiennent plus de 30% de NH ₄ F, une gamme où la teneur en HF a une influence sur le taux primaires etch.

Lors du test des vitesses de gravure humide du film à sa pratique généralement bon pour mesurer la vitesse de gravure basé sur une couche d'oxyde thermique comme une référence. Un film gravure faible taux indique généralement un film de haute densité. Figures 7 et 8 montre les données humides vitesse de gravure de SiN _x et SiO ₂ déposées en utilisant les deux PCI-CVD et PECVD conventionnel. Les données montrent que les films déposés à basse température en utilisant l'ICP-CVD donne la performance des processus comparables cinéma avec des films déposés à haute température de plaques parallèles conventionnels PECVD à 300 ° C.

Figure 7. Variation de SiN _x vitesse de gravure humide avec température de l'électrode

Figure 8. Variation du taux de SiO ₂ gravure humide avec une température d'électrode

Qu'est-ce que de tensions de claquage?

La tension de claquage est généralement mesurée en appliquant une tension rampe à travers le film diélectrique. Le film est normalement déposé sur une couche de fond conductrice (soit une tranche de silicium dopé, ou une couche de métal), avec une couche métallique déposée sur le dessus de la couche déposée. La couche de métal est généralement modelée soit à travers un masque d'ombre ou par lift-off pour former des liasses de test de petite taille (typiquement <<1x1mm). Pour contacter pour ces petits tampons d'une station de sonde plaquette est habituellement exigé. Couches de métal Al / Si sont communs, mais d'autres métaux peuvent être utilisés. Il est important que les interfaces sont plates et lisses, c'est à dire pas de buttes ou de bosses sur le métal sous-jacent, et pas de particules sur la surface ou dans le film, sinon la tension de claquage sera considérablement réduit (le processus de dépôt de métal peuvent avoir besoin d'optimisation si le client ne dispose pas de ce set-up comme un test standard déjà). C'est une des raisons pour avoir un aussi petit diamètre pad de test car il est possible de minimiser les chances d'avoir une particule au sein de votre zone de mesure. La tension est ensuite rampe jusqu'à un pic de courant élevé est observé (ie répartition du film). La tension requise dépend de l'épaisseur du film (par exemple 120 volts = 6MV/cm travers un film 2000a d'épaisseur).

Tension dégradation accrue de l'ICP-CVD films déposés

En ICP-CVD dépositions films les caractéristiques électriques de SiN _x déposés à basse température (~ RT) ont montré champs panne électrique de plus de 3x10 ⁶ Vcm ^-1 avec faibles courants de fuite [1,2]. Le tableau 2 ci-dessous montre l'effet de la température sur la tension de claquage de l'ICP-CVD SiN _x films déposés.

Tableau 2. ICP-CVD SiN _x des valeurs typiques de tension de claquage

Figure 9. Variation de la densité de courant avec le champ électrique pour ICP-CVD film de SiO ₂ déposé 120 ° C. Les résultats montrent la tension de claquage ~> 8MV/cm.

Couverture étape de l'ICP-CVD films déposés

En plus du PCI-CVD SiO ₂ montre aussi tension de claquage élevée lorsqu'ils sont déposés à basse température. La figure 9 montre les champs de la panne électrique> 8MV/cm lorsque le film de SiO ₂ a été déposé à 150 ° C. En comparaison un typique film de SiO ₂ déposé par PECVD à 300 ° C les résultats dans un champs de panne électrique électrique dans la gamme de 5-6MV/cm>.

La couverture étape est le rapport entre l'épaisseur du film le long des murs d'une étape à l'épaisseur du film au bas de l'étape. C'est ce qu'on appelle S / T et / ou S / B dans la figure (10) ci-dessous. Pour une couverture conforme le rapport de S / T et / ou S / B est 1. Une couverture étape Typiquement bonne est obtenue en utilisant des températures élevées (> 300 ° C), cependant il est possible d'atteindre une couverture excellente étape à basse température en utilisant l'ICP-CVD . Figure (10) ci-dessous montre l'ICP-CVD couverture SiN film _x lorsqu'ils sont déposés à 20 ° C. En plus de la couverture étape dépend aussi de la hauteur de la marche et la largeur.

Figure 10a. Définition de la couverture étape

Figure 10b. SEM images de coupe transversale de 50 nm ICP-CVD SiN déposé à 22 ° C sur 150 nm avec une couverture métallique bonne étape.

Source: «plasma à couplage inductif dépôt de vapeur chimique (ICP-MCV)» par Oxford Instruments technologie Plasma .

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