Afzetting van hoge kwaliteit films met behulp van inductief gekoppeld plasma - Chemical Vapour Deposition (ICP-CVD) van Oxford Instruments Plasma-technologie

Besproken onderwerpen

Afzetting van hoge kwaliteit films met behulp van ICP-CVD

Een breed scala van isolerende dunne films worden gebruikt in de moderne VLSI circuits die galvanische scheiding tussen het uitvoeren van regio's binnen een apparaat en als laatste aftopping passiveerlaag. Siliciumdioxide, siliciumnitride en oxynitriden worden veel gebruikt. Verschillende depositie methoden zijn beschikbaar afhankelijk van de depositie temperatuur.

Atmosferische druk chemical vapour deposition en lage druk chemical vapour deposition methoden vergen doorgaans hoge temperaturen in de regio van> 400 ° C, terwijl het gebruik van de Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition PECVD) vereist meestal depositie temperatuur van <400 ° C.

Veel belangstelling is gericht op de mogelijkheid om hoge dichtheid diëlektrische films te deponeren bij nog lagere temperaturen (<150 ° C), in het bijzonder in de temperatuur-gevoelige apparaten zoals organische LED's. Met behulp van de ICP-CVD -techniek, Oxford Instruments hebben een depositie proces waarbij een hoge kwaliteit films kunnen worden neergelegd met een hoge dichtheid plasma, lage depositie drukken en temperaturen.

High Density Plasma Bronnen uit Oxford Instruments

Lage temperatuur afzettingen worden gewoonlijk bereikt door het gebruik plasma waarin de gassen reageren in een glimontlading. Deze kwijting ioniseert de gassen, het creëren van actieve soorten die reageren op het oppervlak van een wafer. De meest voorkomende methode is een parallelle plaat reactor waarin de steekproef zit op een geaarde bodem elektrode en radiofrequentie spanning wordt toegepast op de bovenste elektrode. Dit creëert een glimontlading tussen de twee platen en de gassen stromen radiaal door de ontlading. Meestal de onderste elektrode wordt verhit tot 100-400 ° C en deze methode wordt meestal aangeduid met Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD). Maar om een hoge dichtheid films diëlektrische films te deponeren bij nog lagere temperaturen (<100 ° C) OIPT hebben een high-density-plasma (HDP) bron waarin het plasma elektronen zijn verheugd in een richting parallel aan de kamer grenzen.

De gebruikte bron is de HDP inductief gekoppeld plasma (ICP) kamer, waarin het plasma wordt aangedreven door een magnetische potentieel is opgezet door een spoel gewonden buiten diëlektrische muren (typisch ontwerp zie figuur 1). De richting van de elektronenstroom is tegengesteld aan die van de spoel stromen die zijn door het ontwerp, parallel aan de kamer oppervlakken. Wanneer het plasma wordt opgewekt op deze manier de werkdruk kunnen vervolgens worden verlaagd. De ondergrens van de druk wordt meestal bepaald door de efficiëntie van de bijzondere bron. In de meeste materialen die de verwerking van plasma's het elektron verwarming is in de eerste plaats resistief, en de impedantie van de plasma-schalen met de dichtheid van neutrale beschikbaar voor inelastische botsingen. Als de impedantie (druk) is verlaagd zodat is het vermogen van de bron naar de plasma rijden.

Figuur 1. OIPT ICP-CVD-systeem

Extra Kenmerken van het systeem voor plasma-depositie

Voor plasma afzettingen zijn er aanvullende systeem is voorzien van: -

• De inductief gekoppelde spoel is verbonden met een 13.56 MHz, 3.0kW RF-generator via een matching-eenheid.
• De ICP spoel stroom regelt de dissociatie van het plasma en de dichtheid van het incident ionen in de kamer.
• De onderste elektrode wordt afzonderlijk aangedreven door een andere 13,56 MHz 300W generator, waardoor onafhankelijke controle van de bias spanning, de energie van de ionen dat wil zeggen op het monster.
• Om de plasma-geïnduceerde schade tijdens het opdampen en de stress niveau in gedeponeerd films te verminderen, de ICP-CVD is het systeem al gebruikt in een zuiver "ICP" mode door het toepassen van RF-vermogen (100 tot 2000W), om alleen de ICP spoel, maar er is geen RF-vermogen op de onderste elektrode.
• Helium druk werd toegepast op de achterkant van de wafers een goed thermisch contact tussen de boorkop en de wafer te bieden.
• Het systeem heeft een nauwkeurige controle van de ondergrond temperatuur van -150 ° C tot +400 ° C door het gebruik van elektrische verwarming en vloeibare stikstof. Deze brede temperatuurbereik is van belang voor de geavanceerde plasma-depositie processen van de verschillende substraat materialen.
• Pure silaan (100% SiH ₄₎ wordt geïntroduceerd in de afzettingskamer via een gasdistributie ring. Andere gassen zoals N ₂ en N ₂ O worden ingevoerd in de ICP bronkamer
• Automatische drukregelaar (APC) wordt gebruikt om de druk (2 tot 20mTorr) controle.

ICP-CVD Systems uit Oxford Instruments

Een samenvatting van de ICP-CVD -systeem configuraties zijn weergegeven in tabel 1 hieronder:

Tabel 1. ICP-CVD tools van Oxford Instruments

Afzetting van materialen met behulp van ICP-CVD

ICP-CVD kan worden gebruikt om verschillende materialen zoals SiO _2, sin _x, SiO _x N _y, a-Si en SiC. borg In dit artikel zullen we vooral concentreren op de mogelijkheid om hoge kwaliteit SiO ₂ en SiN films te deponeren bij een oppervlakte temperatuur zo laag als 20 ° C. In een ICP-CVD de kamer van de siliciumdioxide films worden gedeponeerd door te reageren silaan die wordt geïntroduceerd door de gasdistributie ring en lachgas die wordt geïntroduceerd door de ICP bron. Daarnaast siliciumnitride films zijn afgezet met behulp van silaan die wordt geïntroduceerd door de gasdistributie ring en stikstof die wordt geïntroduceerd door de bron. Als alternatief ammoniak kan ook worden gebruikt om silicium nitride storten, maar het gebruik van stikstof resulteert in een hogere kwaliteit film die zal worden toegelicht later in meer detail.

Typische procesparameters, die hier worden besproken zijn onder neersmeltsnelheid, laagdikte uniformiteit, brekingsindex, film stress, nat etsen tarieven, en de doorslagspanning.

Typische depositie van ICP-CVD

Traditioneel ICP-CVD processen resulteert in een lagere depositie dan PECVD films. Typische deposities voor silicium oxide en silicium nitride zijn> 8nm/min maar hogere depositie tarieven zijn nu mogelijk in die resultaten kunnen worden gezien in de volgende paragraaf. Op een vergelijkbare manier met conventionele parallelle plaat depositie methoden vele proces parameters kunnen worden aangepast om het proces te controleren. Figuur 2 en 3 hieronder tonen typische depositie de rente-ontwikkeling met verschillende procesparameters.

Figuur 2. Effect van ICP kracht, druk en silaan doorstroming op ICP-CVD SiN _x neersmeltsnelheid

Figuur 3. Effect van ICP kracht, druk en silaan doorstroming op ICP-CVD SiO ₂ neersmeltsnelheid

Brekingsindex van ICP-CVD gedeponeerde Films

De brekingsindex kan worden gecontroleerd door het variëren van de verhouding van de Si: N voor siliciumnitride afzetting of Si: O voor het silicium oxide depositie. Siliciumnitride films hebben typisch brekingsindex van 2,00 (bij 633nm), maar deze waarde kan worden aangepast door het variëren van de silaan en stikstof stromen. Siliciumdioxide films hebben typisch brekingsindex van 1,46. De RI-waarde kan worden aangepast door het variëren van de silaan en lachgas stromen. In beide films een hogere brekingsindex waarde geeft meestal een silicium rijke film. Figuur 4 en 5 hieronder tonen de relaties van de brekingsindex met verschillende gasstroom verhoudingen.

Figuur 4 Variatie van de brekingsindex met SiH _4:. N ₂ gas-verhouding

Figuur 5 Variatie van de brekingsindex met SiH _4:. N ₂ O gasverhouding

ICP-CVD en Film Stress

In sommige toepassingen, zoals MEMS de mogelijkheid om film stress-controle is erg belangrijk. Film stress wordt meestal berekend door het meten van de kromming te veranderen pre-en post-afzetting van de film. Dit verschil in kromming als gevolg van de film depositie wordt gebruikt om de spanning te berekenen door middel van een vergelijking Stoney's, die de biaxiale modulus van het substraat, dikte van de film en substraat betrekking heeft, en de straal van de krommingen van pre-en post-proces.

In ICP-CVD siliciumnitride en siliciumoxide deposities de film stress kan worden gecontroleerd door het veranderen van de verschillende parameters. Procesdruk heeft de grootste invloed op de siliciumnitride film stress en is weergegeven in figuur 6a hieronder. Door het vergroten van het proces onder druk van de film stress kan worden bediend vanaf druksterkte op trek. Figuur 6a toont ook aan dat zeer lage spanning kan worden verkregen door fijnafstelling van het proces druk.

ICP-CVD siliciumoxide films meestal zien drukspanning. De film stress kan worden aangepast door het veranderen van een combinatie van parameters, waaronder SiH _4: N _{2-verhouding,} de temperatuur en RF-vermogen. Figuren 6b en 6c hieronder toont het effect van SiH _4: N ₂ O gas-verhouding en temperatuur met film stress. Lage druksterkte film stress kan worden verkregen door het verhogen van de SiH _4: N ₂ O gas-ratio en het verminderen van de depositie temperatuur.

Figuur 6a. Variatie van SiN _x film stress met procesdruk

Figuur 6b. Variatie van SiO ₂ film stress met temperatuur

. Figuur 6c Variatie van SiO2 film stress met SiH _4: N ₂ O gasverhouding

ICP-CVD en Film Kwaliteit

De kwaliteit van de film is het gemakkelijkst aangetoond door nat etsen, normaal gesproken uitgevoerd met gebufferde oxide etsmiddelen (BOE), die typisch zijn mengsels van 49% waterstoffluoride (HF) en 40% ammonium fluoride (NH ₄ F) in verschillende vooraf bepaalde verhoudingen. Typisch BOE gebufferde oxide etsmiddelen worden gebruikt voor het etsen raamopeningen in siliciumdioxide lagen. De primaire toepassing is het etsen van thermische oxide lagen in IC-productie. De etssnelheid van de film door waterige oplossingen NH4F/HF, met of zonder oppervlakte-actieve stof additieven, hangt af van drie primaire factoren: NH ₄ F gamma, etsen temperatuur, en specifieke HF content. Standaard BOE etsmiddelen (40% NH ₄ F / 49% HF blends) bevatten meer dan 30% NH ₄ F, een bereik waar de HF-inhoud heeft de primaire invloed op etssnelheid.

Bij het testen van nat etsen tarieven van de film zijn meestal een goede gewoonte om de ets tarief op basis van een thermische oxidelaag als referentie te meten. Een laag tarief etsen film geeft meestal een hoge dichtheid film. Figuren 7 en 8 toont natte etssnelheid gegevens van sin _x en SiO ₂ afgezet met behulp van zowel ICP-CVD en conventionele PECVD. De gegevens blijkt dat films gedeponeerd bij lage temperatuur met behulp van ICP-CVD geeft vergelijkbare film proces prestaties met films die zijn afgezet met behulp van hoge temperatuur van conventionele parallelle plaat PECVD bij 300 ° C.

Figuur 7. Variatie van SiN _x nat Etch tarief met elektrode temperatuur

Figuur 8. Variatie van SiO ₂ natte etssnelheid met elektrode temperatuur

Wat is Breakdown Voltage?

De doorslagspanning wordt meestal gemeten door het aanbrengen van een oplopende spanning over de diëlektrische film. De film is meestal afgezet op een geleidende onderste laag (ofwel een gedoteerde Si wafer, of een metaallaag) samen met een metaallaag afgezet op de top van de afgezette film. De metalen laag is meestal patroon hetzij door middel van een schaduw masker of met de lift-off te vormen kleine test pads (typisch <<1x1mm). Te contacteren om zulke kleine pads een wafer probe station is meestal nodig. Al / Si metaallagen zijn vaak voor, maar andere metalen kunnen worden gebruikt. Het is belangrijk dat de interfaces zijn vlak en glad zijn, dwz geen heuvels of hobbels op de onderliggende metalen, en geen deeltjes aan de oppervlakte of in de film, anders wordt de doorslagspanning wordt aanzienlijk verkort (de metalen afzetting proces kan een aantal optimalisatie indien nodig De klant heeft deze set-up niet als een standaard-test al). Dit is een reden voor het hebben van een zo klein testveld diameter, omdat het mogelijk is het minimaliseren van de kans op een deeltje binnen uw meetgebied. De spanning wordt dan opgevoerd tot een hoge stroom piek is waargenomen (dat wil zeggen verdeling van de film). De benodigde spanning is afhankelijk van de laagdikte (bijv. 6MV/cm = 120Volts over een 2000a dikke film).

Verhoogde doorslagspanning van ICP-CVD gedeponeerde Films

In ICP-CVD film deposities de elektrische eigenschappen van SiN _x gedeponeerd bij lage temperaturen (~ RT) hebben aangetoond afbraak elektrische velden van meer dan 3x10 ⁶ VCM ¹ met een lage lekstroom [1,2]. In tabel 2 hieronder toont het effect van temperatuur op de doorslagspanning van ICP-CVD SiN _x gedeponeerd films.

Tabel 2. ICP-CVD SiN _x typische doorslagspanning waarden

Figuur 9. Variatie van de stroomdichtheid met elektrisch veld voor ICP-CVD SiO ₂ film afgezet 120 ° C. De resultaten tonen aan doorslagspanning ~> 8MV/cm.

Stap Dekking van de ICP-CVD gedeponeerde Films

Daarnaast ICP-CVD SiO ₂ toont ook een hoge doorslagspanning als gedeponeerd bij lage temperaturen. Figuur 9 toont de verdeling van elektrische velden> 8MV/cm wanneer de SiO ₂ film werd gedeponeerd bij 150 ° C. Ter vergelijking: een typische SiO ₂ film gedeponeerd door de PECVD bij 300 ° C resulteert in een elektrische storing elektrische velden in het bereik van> 5-6MV/cm.

De stap dekkingsgraad is de verhouding van de laagdikte langs de muren van een stap naar de dikte van de film op de bodem van de stap. Dit wordt genoemd S / T en / of S / B in de figuur (10) hieronder. Voor conforme dekkingsgraad de verhouding van de S / T en / of S / B: 1. Typisch een goede stap dekking wordt bereikt door het gebruik van hoge temperaturen (> 300 ° C) maar het is mogelijk om uitstekende stap dekking te bereiken bij lage temperatuur met behulp van ICP-CVD . Figuur (10) toont onder de ICP-CVD SiN _x film dekking wanneer gedeponeerd bij 20 ° C. Daarnaast heeft de stap dekking ook afhankelijk van de stap hoogte en breedte.

Figuur 10a. Definitie van de dekking voor stap

Figuur 10b. SEM beelden van de doorsnede van 50 nm ICP-CVD SiN gedeponeerd bij 22 ° C op 150 nm metal met een goede stap dekking.

Bron: "inductief gekoppelde plasma chemical vapor deposition (ICP-CVD)" door Oxford Instruments Plasma-technologie .

Voor meer informatie over deze bron kunt u terecht op Oxford Instruments Plasma-technologie .