オックスフォードインスツルメンツプラズマ技術による化学蒸着（ICP - CVD） - 誘導結合プラズマを用いた高品質薄膜の堆積

トピックがカバー

ICP - CVDを用いた高品質膜の堆積

薄い絶縁膜の広い範囲は、デバイス内で、そして最終的なキャッピングパッシベーション層として地域を実施する間に電気的絶縁を提供する現代のVLSI回路で使用されています。二酸化ケイ素、窒化ケイ素と窒化が広く用いられている。様々な成膜方法は蒸着温度で利用可能な依存しています。

大気圧化学蒸着と低圧化学蒸着法は、通常、> 400の地域で高い温度を必要とする° Cに対し、プラズマ化学気相堆積PECVDの使用）は、典型的に<400℃の蒸着温度を必要と

かなりの関心は特にそのような有機LEDなど温度に敏感なデバイスには、さらに低い温度（<150℃）で高密度の絶縁膜を堆積することに向けられている。使用してICP - CVDの手法を、 オックスフォードインスツルメンツは、高品質な膜が高密度のプラズマ、低成膜圧力と温度で堆積させることが可能な成膜プロセスを開発しました。

オックスフォードインスツルメンツから高密度プラズマ源

低温蒸着は、典型的にガスがグロー放電に対応したプラズマを用いることにより達成されています。この放電は、ウェーハの表面で反応活性種を作成し、ガスをイオン化する。最も一般的な方法は、試料が接地された下部電極上に位置し、無線周波数の電圧を上部電極に印加された平行平板型反応器である。これは2つのプレートと放電を介して放射状に気体の流れの間でグロー放電を作成します。一般的に下部電極は、100〜400℃に加熱し、Cとは、このメソッドは通常、プラズマ化学気相堆積（PECVD）と呼ばれる。しかし、さらに低い温度で高密度膜の誘電膜を堆積するために（<100℃） OIPTは、プラズマ電子がチャンバの境界と平行な方向に励起された高密度プラズマ（HDP）のソースを開発しました。

使用されるHDP源は、プラズマは誘電体の壁の外側に巻かれたコイル（典型的なデザインは、図1を参照）によってセットアップされた磁気ポテンシャルによって駆動される誘導結合プラズマ（ICP）チャンバーです。電子電流の方向は、設計によって、チャンバーの表面に平行なコイル電流とは逆です。プラズマがこのように励起されると操作圧力は、その後、低下させることができる。圧力の下限は、通常、特定のソースの効率によって決まります。プラズマ処理をほとんどの材料では電子加熱が主に抵抗性であり、非弾性衝突の可能な中性粒子の密度を持つプラズマのスケールのインピーダンス。インピーダンス（圧力）が低くなるようにプラズマを駆動するソースのことです。

図1。OIPT ICP - CVD装置

プラズマ成膜のための追加のシステムの特長

プラズマの堆積のために追加のシステム機能があります： -

• 誘導結合コイルは、整合器を介して13.56MHzの、3.0kWのRF発生器に接続されています。
• ICPコイル電源は、プラズマとチャンバ内に入射するイオンの密度の解離を制御します。
• 下部電極を別々にバイアス電圧を独立制御を可能にする別の13.56MHzの300Wの発電機、によって供給され、試料にイオンのエネルギー、すなわち。
• プラズマ誘起蒸着プロセス中の破損と蒸着膜のストレスのレベルを減らすために、 ICP - CVDのシステムは、ICPコイルに高周波電力（100〜2000W）を適用することで、純粋に"ICP"モードで運転が行われている、しかし、下部電極上でのRFパワー。
• ヘリウム圧力はチャックとウェハの間に良好な熱接触を提供するために、ウェーハの裏面に塗布した。
• システムは、° C +400 ° Cの電気ヒーターと液体窒素を使用して-150基板温度の正確な制御を持っています。この広い温度範囲が異なる基板材料の高度なプラズマ成膜プロセスのために重要です。
• （100％のSiH _4）の純粋なシランは、ガス分配リングを介して堆積チャンバに導入される。このようなN ₂とN ₂ Oのような他のガスは、ICP源チャンバ内に導入されています
• 自動圧力制御装置（APC）は、圧力（2 20mTorrまで）を制御するために使用されます。

オックスフォードインスツルメンツからICP - CVD装置

の概要ICP - CVD装置のシステム構成は以下の表1に示す。

オックスフォードインスツルメンツから表1。ICP - CVDツール

ICP - CVD法を用いた材料の堆積

ICP - CVD法は、 SiO _2を、SiN xを、 _した SiO x N _yのは、a - SiとSiCの例：いくつかの材料を堆積させるために使用することができます。本稿では、20という低い基板温度で高品質なSiO ₂およびSiN膜を堆積する能力℃までに主に集中するでICP - CVDチャンバー二酸化シリコン膜は、ICP源を介して導入されたガスの分布のリングと亜酸化窒素を介して導入されたシランと反応させることによって堆積される。さらに、シリコン窒化膜は、ソースを介して導入されたガスの分布リングと窒素を介して導入されたシランを用いて堆積されています。またアンモニアはまた、窒化ケイ素、後で詳細に説明する、より高品質の膜中の窒素の結果の使用を堆積させるために使用することができます。

ここで説明されている典型的なプロセスパラメータは、蒸着速度、膜厚の均一性、屈折率、膜応力、ウェットエッチング速度、およびブレークダウン電圧が含まれています。

ICP - CVDの典型的な堆積速度

伝統的にICP - CVDは PECVD膜よりも低い蒸着速度で結果を処理します。シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の典型的な堆積速度は、> 8nm/minですが、より高い成膜速度は、結果は次のセクションで見ることができる可能になりました。従来の平行平板の蒸着法と同様に多くのプロセスパラメータは、プロセスを制御するために調整することができます。図2と3は、異なるプロセスパラメータを使用して典型的な堆積速度の傾向を示しています。

図2。ICP電力、圧力およびICP - CVD _SiN xを成膜速度に及ぼすシラン流量の影響

図3。ICP電力、圧力およびICP - CVD SiO _2の蒸 ​​着速度でのシラン流量の影響

ICP - CVD法の屈折率は、フィルムを堆積

シリコン窒化膜やSiのN：：シリコン酸化膜のためのO屈折率は、Siの比を変えることによって制御できます。この値は、シランと窒素の流れを変えることによって調整することができるが、窒化シリコン膜は、2.00（633nm時）の典型的な屈折率を有する。二酸化シリコン膜は、1.46の典型的な屈折率を有する。 RIの値は、シランと亜酸化窒素の流れを変えることによって調整することができます。両方の映画で高い屈折率の値は、通常、シリコンリッチなフィルムを示している。図4および5は、異なるガス流量比との屈折率の関係を示す。

図4のSiH ₄との屈折率の変化：。N ₂ガ ​​スの比率

図5のSiH ₄との屈折率の変化：。N ₂ Oガスの比

ICP - CVD法と膜応力

MEMSなど一部のアプリケーションでは膜応力を制御する能力は非常に重要です。膜応力は、通常、フィルムの曲率変化前後の沈着を測定することによって計算されます。成膜の結果として、曲率のこの違いは、基板、フィルムと基板の厚さ、および事前処理および事後処理の曲率半径の二軸弾性率の関係ストーニーの式、の方法でストレスを計算するために使用されます。

でICP - CVDシリコン窒化および酸化シリコン蒸着膜応力は、様々なパラメータを変更することによって制御できます。プロセス圧力は、シリコン窒化膜の応力に最も影響があり、下の図6aに示されています。プロセスの圧力を増加させることによって膜応力は圧縮から引張に制御することができます。図6aはまた、非常に低い応力が微調整プロセスの圧力が得られることを示しています。

ICP - CVDシリコン酸化膜 ​​は、一般的に圧縮応力を示しています。 N ₂比、温度、RFパワー：膜応力はSiH _4を含むパラメータの組み合わせを変えることによって調整することができます。膜応力とN ₂ Oガスの比と温度：下図6Bおよび6Cは、SiH ₄の効果を示しています。 N ₂ Oガスの比と成膜温度を下げる：低圧縮の膜応力はSiH _4を増加させることによって得ることができます。

プロセス圧力と_は 、SiN x膜応力の図6a。バリエーション

温度とSiO ₂膜のストレスの図6b。バリエーション

。SiH _4を持つSiO2の膜応力の図6cバリエーション：N ₂ Oガスの比

ICP - CVD及び膜質

フィルムの品質が最も容易に、通常、一般的に49パーセントフッ化水素酸（HF）と様々な所定の比率で40％フッ化アンモニウム（NH ₄ F）のブレンドされているバッファ酸化物エッチング剤（BOE）で実施、ウェットエッチングによって示されています。一般的にBOEバッファ酸化物エッチング剤は、二酸化シリコン層のエッチング窓の開口部に使用されます。主なアプリケーションは、IC製造の熱酸化膜のエッチングです。温度、および特定のHFの含有量をエッチング、NH ₄ Fの範囲：水溶液NH4F/HFソリューションによる膜のエッチング速度は、界面活性剤の添加の有無にかかわらず、主要な3つの要因に依存します。標準BOEのエッチング液（40％NH ₄ F / 49％HFブレンド）が30％以上のNH ₄ F、HFの含有量は、エッチング速度の主な影響を及ぼす範囲が含まれています。

フィルムのウェットエッチング速度リファレンスとして熱酸化膜に基づいてエッチング速度を測定するために、その通常は良い​​練習をテストするとき。低エッチングレートフィルムは、通常、高密度のフィルムを示している。図7と図8 _は 、SiN xやSiO ₂のウェットエッチング速度のデータは、両方使用して堆積ICP - CVD法と従来のPECVDを。データは、フィルムが使用して低温で堆積したことを示しているICP - CVD法は、 300でPECVDを高温従来のパラレルプレート℃を用いて蒸着膜と同等のフィルムのプロセスのパフォーマンスを与える

図7。電極の温度で_は 、SiN xウェットエッチング速度の変動

図8。電極温度とSiO _2のウェットエッチング速度の変動

降伏電圧は何ですか？

降伏電圧は、通常、誘電体膜を介してランプ電圧を印加することによって測定されます。フィルムは、通常、金属層と一緒に（いずれかをドープしたSiウェハ、または金属層）の導電性底層上に堆積される堆積膜の上に堆積。金属層は、通常、シャドウマスクを介して、または小テストパッド（通常は<<1x1mm）を形成するリフトオフのいずれかによってパターニングされる。このような小さなパッドに連絡するウェハプローブステーションは、通常必要とされる。アル/ Siの金属層が一般的ですが、他の金属を使用することができる。それは、インターフェイスが平滑であることが重要である、下地金属上にヒロックやバンプ、すなわちはなく、表面上またはフィルムには粒子が、そうでなければ降伏電圧が大幅に（金属蒸着プロセスは、いくつかの最適化に応じて必要な場合があります減少されることはありません顧客は、すでに標準テスト）として、このセットアップを持っていません。これは、測定領域内の粒子を持っていることの可能性を最小限に抑えることが可能であるため、小型のテストパッドの直径として持つための理由の一つです。高電流ピークが（映画のすなわち分解）が観察されるまで、電圧は、ランプアップです。必要な電圧は膜厚（例えば6MV/cm = 120Volts 2000A厚膜間）に依存します。

ICP - CVDの増加ブレークダウン電圧は、フィルムを堆積

でICP - CVDの成膜蒸着のSiN _xの電気的特性は、低温（〜RT）で堆積が低いリーク電流と以上3 × 10 ⁶ VCM ^-1の内訳電界を示している[1,2]。下記の表2は、のブレークダウン電圧に対する温度の影響を示してICP - CVD法のSiN _xはフィルムを蒸着。

表2。ICP - CVD _SiN xを、典型的な絶縁破壊電圧値

図9。ICP - CVD SiO ₂膜の電界と電流密度の変化は、120℃の堆積結果は、降伏電圧を示す〜> 8MV/cm。

ICP - CVDのステップカバレッジは、フィルムを堆積

さらに、 ICP - CVD 、低温で堆積するときにSiO _2はまた、高耐圧を示しています。 SiO ₂膜を150℃で堆積したときに図9は、> 8MV/cmの内訳、電界を示しています。比較では、典型的なSiO ₂膜は、> 5-6MV/cmの範囲内で絶縁破壊電界における300℃の結果でPECVDによって堆積さ。

ステップカバレージは、ステップの下部にあるフィルムの厚さに一歩の壁に沿って膜厚の比率です。これを次の図（10）のS / Tおよび/またはS / Bと呼ばれます。コンフォーマルカバレッジ用S / Tおよび/またはS / Bの比は1です。一般的に良好なステップカバレッジが高い温度を用いることによって達成される（> 300 ° C）しかし、それは使用して低温で優れたステップカバレージを達成することが可能であるICP - CVDを 。図（10）以下を示してICP - CVD 、20℃で堆積するときに_は 、SiN x膜_のカバレッジをさらに、ステップカバレッジには、ステップの高さと幅によって決まります。

図10a。ステップカバレッジの定義

50nmのICP - CVD SiNの断面図10b。SEM画像は22で堆積° C〜150 nmの金属上に良好なステップカバレッジと。

出所："誘導結合プラズマ化学蒸着（ICP - CVD）"でオックスフォードインスツルメンツプラズマ技術 。

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