Deposizione di film di alta qualità con plasma accoppiato induttivamente - Chemical Vapour Deposition (ICP-CVD) da Oxford Instruments Tecnologia dei plasmi

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Deposizione di film di alta qualità con ICP-CVD

Una vasta gamma di isolanti film sottili sono utilizzati nei moderni circuiti VLSI fornire isolamento elettrico tra le regioni conducendo all'interno di un dispositivo, e come ultimo strato di passivazione tappatura. Biossido di silicio, nitruro di silicio e oxynitrides sono ampiamente utilizzati. Vari metodi di deposizione dipendono disponibili dalla temperatura di deposizione.

Pressione atmosferica deposizione chimica da fase vapore e bassa pressione con agenti chimici metodi deposizione di vapore in genere richiedono alte temperature nella regione di> 400 ° C mentre l'uso del plasma PECVD deposizione chimica maggiore vapore) richiede in genere le temperature deposizione di <400 ° C.

Notevole interesse è stato indirizzato verso la possibilità di depositare pellicola dielettrica ad alta densità a temperature ancora più basse (<150 ° C), specialmente in ambienti a temperatura dispositivi sensibili come i LED organici. Usando il ICP-CVD tecnica, Oxford Instruments ha sviluppato un processo di deposizione in cui i film di alta qualità possono essere depositati presso plasma ad alta densità, pressioni e temperature basse deposizione.

Fonti plasma ad alta densità da Oxford Instruments

Deposizioni a bassa temperatura sono generalmente ottenuto utilizzando plasma in cui i gas reagiscono in una scarica luminescente. Questo ionizza i gas di scarico, la creazione di specie attiva che reagiscono alla superficie del wafer. Il metodo più comune è un reattore piastra parallela in cui il campione si siede su un elettrodo di fondo a terra e la frequenza della tensione applicata alla radio è l'elettrodo superiore. Questo crea una scarica luminescente tra le due piastre e il flusso di gas radialmente attraverso lo scarico. Di solito l'elettrodo inferiore viene riscaldato a 100-400 ° C e questo metodo è di solito di cui al plasma deposizione chimica da fase vapore maggiore (PECVD). Tuttavia, al fine di depositare film ad alta densità dielettrica film a temperature ancora più basse (<100 ° C) OIPT hanno sviluppato una alta densità di plasma (HDP) sorgente in cui sono eccitati gli elettroni del plasma in una direzione parallela ai confini camera.

La fonte HDP utilizzato è il plasma ad accoppiamento induttivo (ICP) da camera, in cui è guidato il plasma da un potenziale magnetico creato da una ferita bobina fuori dalle mura dielettrico (design tipico vedi figura 1). La direzione della corrente di elettroni è opposto a quello delle correnti bobina che sono, per la progettazione, parallelamente alle superfici da camera. Quando il plasma viene eccitato in questo modo la pressione di esercizio possono essere successivamente abbassato. Il limite inferiore della pressione è tipicamente dettata dalla efficienza della particolare sorgente. Nella maggior parte dei materiali di lavorazione plasma il riscaldamento degli elettroni è principalmente resistivo, e l'impedenza delle scale al plasma con la densità dei neutri per urti anelastici. Come l'impedenza (pressione) si abbassa anche la capacità della sorgente di guidare il plasma.

Figura 1. OIPT ICP-CVD sistema

Caratteristiche del sistema aggiuntivi per Plasma Deposition

Per le deposizioni al plasma ci sono ulteriori caratteristiche del sistema: -

• La bobina di accoppiamento induttivo è collegato ad un 13,56 MHz, generatore 3.0kW RF tramite una unità di corrispondenza.
• La potenza della bobina ICP controlla la dissociazione del plasma e la densità degli ioni incidente nella camera.
• L'elettrodo inferiore è alimentata separatamente da un altro generatore di 13,56 MHz 300W, che consente il controllo indipendente della tensione di polarizzazione, ossia l'energia degli ioni sul campione.
• Al fine di ridurre il plasma indotto danni durante i processi di deposizione e il livello di stress nel film depositati, l' ICP-CVD sistema è stato utilizzato in un modo puramente "ICP" mediante l'applicazione di potenza RF (100 a 2000W) solo la bobina ICP, ma nessuna potenza RF sull'elettrodo inferiore.
• Pressione dell'elio è stato applicato alla parte posteriore del wafer di fornire un buon contatto termico tra il mandrino e wafer.
• Il sistema ha un controllo preciso della temperatura del substrato da -150 ° C a +400 ° C utilizzando stufa elettrica e azoto liquido. Questo ampio intervallo di temperature è importante per i processi avanzati di deposizione al plasma di substrati diversi.
• Silano puro (100% SiH ₄₎ viene introdotto nella camera di deposizione attraverso un anello di distribuzione del gas. Altri gas come N ₂ e N ₂ O sono introdotti nella camera sorgente ICP
• Regolatore di pressione automatico (APC) è utilizzato per controllare la pressione (da 2 a 20mTorr).

ICP-CVD Sistemi da Oxford Instruments

Una sintesi della ICP-CVD configurazioni di sistema sono riportati nella tabella 1 qui sotto:

Tabella 1. ICP-CVD Strumenti da Oxford Instruments

Deposizione di materiali con ICP-CVD

ICP-CVD può essere utilizzato per depositare materiali diversi ad esempio SiO _2, SiN _x, SiO _x N _y, a-Si e SiC. In questo lavoro si concentrerà soprattutto sulla capacità di deposito di alta qualità SiO ₂ e film SiN substrato a temperatura più bassa 20 ° C. In un ICP-CVD camera del film di biossido di silicio vengono depositati facendo reagire silano che viene introdotto attraverso l'anello di distribuzione del gas e protossido di azoto che viene introdotto attraverso la fonte ICP. Inoltre i film di nitruro di silicio vengono depositati utilizzando silano che viene introdotto attraverso l'anello di distribuzione del gas e azoto che viene introdotto attraverso la fonte. In alternativa l'ammoniaca può anche essere usato per depositare nitruro di silicio, ma l'uso dei risultati di azoto in un film di qualità superiore, che verrà spiegato in dettaglio più avanti.

Parametri di processo tipici che sono discusse qui includono velocità di deposizione, spessore uniformità film, indice di rifrazione, stress, umido tassi di etch, e la tensione di rottura.

I tassi di deposizione tipico di ICP-CVD

Tradizionalmente ICP-CVD processi si traduce in tassi di deposizione inferiori film PECVD. Tassi di deposizione tipica di nitruro di silicio e ossido di silicio sono> 8nm/min ma tassi di deposizione più elevati sono ora possibili in cui i risultati possono essere visti nella prossima sezione. In modo simile ai metodi tradizionali piastra parallela deposizione di molti parametri di processo può essere regolato in modo da controllare il processo. Figura 2 e 3 mostrano le tendenze tipiche velocità di deposizione con parametri di processo diversi.

Figura 2. Effetto della ICP di potenza, pressione e flusso silano su ICP-CVD deposizione SiN tasso _x

Figura 3. Effetto della ICP di potenza, pressione e flusso silano su ICP-CVD SiO ₂ velocità di deposizione

Indice di rifrazione di ICP-CVD Depositata Films

L'indice di rifrazione può essere controllata variando il rapporto tra il Si: N per la deposizione di nitruro di silicio o di Si: O per la deposizione di ossido di silicio. Film di nitruro di silicio è tipico indice di rifrazione di 2,00 (a 633nm), anche se questo valore può essere regolato variando i flussi silano e azoto. Film di biossido di silicio sono indice di rifrazione tipico di 1,46. Il valore del RI può essere regolata variando il flusso di azoto e ossido silano. In entrambi i film un più alto valore di indice di rifrazione di solito indica un film ricco di silicio. Figura 4 e 5 mostrano i rapporti di indice di rifrazione con rapporti diversi flusso del gas.

Figura 4 Variazione dell'indice di rifrazione con SiH _4:. N ₂ rapporto di gas

Figura 5 Variazione dell'indice di rifrazione con SiH _4:. N ₂ O rapporto di gas

ICP-CVD e Stress Film

In alcune applicazioni come MEMS la possibilità di controllare lo stress film è molto importante. Lo stress film è di solito calcolato misurando la variazione della curvatura pre-e post-deposizione del film. Questa differenza di curvatura a seguito della deposizione di film viene utilizzato per calcolare lo stress per mezzo di un'equazione Stoney, che si riferisce il modulo biassiale dello spessore del substrato, del film e del substrato, e il raggio di curvatura di pre-e post-processo.

In ICP-CVD nitruro di silicio e ossido di silicio deposizioni lo stress film può essere controllata cambiando vari parametri. Pressione di processo è la più grande influenza sullo stress pellicola in nitruro di silicio ed è illustrato nella figura sottostante 6a. Aumentando la pressione di processo lo stress film può essere controllato da compressione a trazione. Figura 6a mostra anche che lo stress molto bassa può essere ottenuta con la messa a punto la pressione di processo.

ICP-CVD film di ossido di silicio mostrano tipicamente sollecitazione di compressione. Lo stress film può essere regolata cambiando una combinazione di parametri tra cui SiH _4: N ₂ rapporto potenza, temperatura e RF. Figure 6 ter e 6 quater sottostante mostra l'effetto di SiH _4: N ₂ O rapporto di gas e temperatura con lo stress del film. Bassa tensione pellicola compressione può essere ottenuto aumentando la SiH _4: N ₂ O e rapporto di gas diminuendo la temperatura di deposizione.

Figura 6a. Variazione della pellicola SiN _x lo stress con la pressione di processo

Figura 6b. Variazione di SiO ₂ film con lo stress della temperatura

. 6c figura Variazione di SiO2 sollecitazione film con SiH _4: N ₂ O rapporto di gas

ICP-CVD e film di qualità

La qualità del film è più facilmente dimostrato da attacco a umido, di solito effettuata con mordenzanti ossido tamponata (BOE), che sono tipicamente miscele del 49% di acido fluoridrico (HF) e fluoruro di ammonio 40% (NH ₄ F) in vari rapporti predefiniti. Tipicamente mordenzanti ossido BOE buffer sono utilizzati per aperture etch a strati di biossido di silicio. L'applicazione principale è l'incisione di strati di ossido termico nella produzione di IC. Il tasso di etch del film di soluzioni acquose NH4F/HF, con o senza additivi tensioattivi, dipende da tre fattori primari: NH ₄ F gamma, temperatura incisione, e contenuti specifici HF. Standard mordenzanti BOE (40% NH ₄ F / 49% miscele HF) contengono oltre il 30% di NH ₄ F, una gamma in cui il contenuto HF ha un'influenza primaria sul tasso di etch.

Durante il test i tassi di etch bagnato del film la sua pratica di solito buona per misurare il tasso di incisione sulla base di uno strato di ossido termico come riferimento. Una pellicola a basso tasso di incisione di solito indica un film ad alta densità. Figure 7 e 8 mostra i dati bagnato tasso etch di SiN _x e SiO ₂ depositati utilizzando sia ICP-CVD e PECVD convenzionali. I dati mostrano che film depositati a bassa temperatura con ICP-CVD offre prestazioni paragonabili processo film con film depositati con piastra ad alta temperatura PECVD parallelo convenzionale a 300 ° C.

Figura 7. Variazione del tasso di SiN _x bagnato Etch con la temperatura dell'elettrodo

Figura 8. Variazione del tasso di SiO ₂ bagnato etch con la temperatura dell'elettrodo

Che cosa è tensione di rottura?

La tensione di rottura è di solito misurata applicando una tensione dilagato in tutto il film dielettrico. Il film è normalmente deposita sul fondo uno strato conduttivo (o un wafer di silicio drogato, o uno strato di metallo) insieme con uno strato di metallo depositato sulla parte superiore del film depositato. Lo strato di metallo è solitamente modellato tramite una maschera d'ombra o di decollo per formare pad piccolo test (tipicamente <<1x1mm). Per contattare a tali rilievi piccoli una stazione sonda wafer è richiesta. Al / Si strati metallici sono comuni ma altri metalli potrebbero essere utilizzati. E 'importante che le interfacce sono piatti e lisci, cioè senza dossi o urti sul metallo sottostante, e non di particelle sulla superficie o nel film, altrimenti la tensione di rottura sarà notevolmente ridotto (il processo di deposizione di metallo potrebbe essere necessaria una ottimizzazione se il cliente non ha questo set-up come test standard già). Questa è una ragione per avere il più piccolo del diametro di prova pad in quanto è possibile ridurre al minimo la probabilità di avere una particella all'interno della vostra zona di misura. La tensione è poi la rampa fino ad un picco di corrente ad alta si osserva (ripartizione cioè del film). Il voltaggio richiesto dipende dallo spessore del film (ad es 6MV/cm = 120Volts attraverso un film denso 2000a).

Tensione Ripartizione aumento di ICP-CVD Depositata Films

In ICP-CVD deposizioni pellicola le caratteristiche elettriche di SiN _x depositato a basse temperature (~ RT) hanno mostrato i campi guasto elettrico di oltre ⁶ 3x10 Vcm ^-1 con correnti di dispersione bassa [1,2]. Tabella 2 mostra l'effetto della temperatura sulla tensione di rottura di ICP-CVD _x SiN depositato film.

Tabella 2. ICP-CVD SiN _x tipica ripartizione dei valori di tensione

Figura 9. Variazione della densità di corrente con il campo elettrico per ICP-CVD SiO ₂ film depositato 120 ° C. I risultati mostrano tensione di rottura ~> 8MV/cm.

Copertura passo di ICP-CVD Depositata Films

Inoltre ICP-CVD SiO ₂ mostra anche ad alta tensione problema quando ha depositato a bassa temperatura. Figura 9 mostra i campi guasto elettrico di> 8MV/cm quando il film SiO ₂ è stato depositato a 150 ° C. In confronto, un tipico film di SiO ₂ depositato da PECVD a 300 ° C i risultati in un guasto elettrico campi elettrici nella gamma di 5-6MV/cm>.

La copertura passo è il rapporto tra spessore del film lungo le pareti di un passo allo spessore del film in fondo il passo. Questo è denominato S / T e / o S / B nella figura (10) di seguito. Per una copertura conforme il rapporto S / T e / o S / B è 1. Copertura buon passo tipicamente si ottiene con temperature elevate (> 300 ° C), tuttavia è possibile ottenere una copertura eccellente passo a bassa temperatura mediante ICP-CVD . Figura (10) mostra sotto ICP-CVD SiN copertura pellicola _x quando depositate a 20 ° C. Inoltre la copertura passo dipende anche dall'altezza passo e larghezza.

Figura 10a. Definizione di copertura passo

Figura 10b. SEM immagini della sezione trasversale di 50 nm ICP-CVD SiN depositate a 22 ° C su 150 nm con una copertura in metallo buon passo.

Fonte: "plasma accoppiato induttivamente deposizione chimica da fase vapore (ICP-CVD)" di Oxford Instruments tecnologia al plasma .

Per ulteriori informazioni su questa fonte si prega di visitare Oxford Instruments tecnologia al plasma .