Deposição de filmes de alta qualidade utilizando plasma indutivamente acoplado - Chemical Vapour Deposition (ICP-CVD) pela Oxford Instruments Tecnologia Plasma

Temas Abordados

Deposição de filmes de alta qualidade usando ICP-CVD

Uma grande variedade de filmes finos isolantes são usados ​​em circuitos VLSI moderna proporcionando isolamento elétrico entre a realização de regiões dentro de um dispositivo, e como uma camada de passivação final de nivelamento. Dióxido de silício, nitreto de silício e oxynitrides são amplamente utilizados. Diversos métodos de deposição são dependentes disponíveis na temperatura de deposição.

Pressão atmosférica, deposição química a vapor de baixa pressão e métodos de deposição de vapor químico normalmente requerem altas temperaturas na região de> 400 ° C que a utilização de plasma maior PECVD deposição de vapor químico) normalmente requer temperaturas de deposição de <400 ° C.

Considerável interesse tem sido dirigido para a capacidade de depositar filmes dielétricos de alta densidade em temperaturas ainda mais baixas (<150 ° C), especialmente nos sensíveis à temperatura dispositivos como LEDs orgânicos. Usando o ICP-CVD técnica, Oxford Instruments desenvolveu um processo de deposição em que os filmes de alta qualidade pode ser depositado com plasma de alta densidade, pressão baixa deposição e temperaturas.

Fontes de alta densidade de plasma de Oxford Instruments

Depoimentos de baixa temperatura são normalmente conseguido através de plasma na qual os gases reagem de uma descarga luminescente. Esta descarga ioniza os gases, criando espécies ativas que reagem na superfície do wafer. O método mais comum é um reator de placas paralelas em que a amostra fica em um eletrodo de fundo aterrado ea tensão de rádio freqüência é aplicada ao eletrodo superior. Isso cria uma descarga luminescente entre as duas placas eo fluxo de gases radialmente através da descarga. Normalmente o eletrodo inferior é aquecido a 100-400 ° C e este método é normalmente referido enriquecidos com plasma de deposição de vapor químico (PECVD). No entanto, a fim de depositar filmes de alta densidade dielétrica filmes em temperaturas ainda mais baixas (<100 ° C) OIPT desenvolveram uma alta densidade de plasma (HDP) de origem no qual os elétrons do plasma está animado em uma direção paralela às fronteiras de câmara.

A fonte utilizada é o HDP plasma indutivamente acoplado (ICP) de câmara, em que o plasma é conduzido por um potencial magnético criado pela bobina de uma ferida fora das paredes dielétricas (design típico ver figura 1). A direção da corrente de elétrons é oposto ao das correntes de bobina que são, por design, paralela às superfícies de câmara. Quando o plasma está animado desta forma a pressão de operação pode ser reduzido posteriormente. O limite inferior da pressão normalmente é ditada pela eficiência da fonte particular. Na maioria dos materiais de processamento de plasmas o aquecimento de elétrons é principalmente resistiva, a impedância e das escalas de plasma com a densidade dos neutros disponíveis para colisões inelásticas. Como a impedância (pressão) é reduzido assim como a habilidade da fonte para conduzir o plasma.

Figura 1. OIPT sistema ICP-CVD

Características adicionais do sistema para deposição de plasma

Para depoimentos plasma existem recursos de sistema adicionais: -

• A bobina indutivamente acoplado é ligado a um 13,56, 3.0kW MHz gerador de RF através de uma unidade correspondente.
• A potência da bobina ICP controla a dissociação do plasma ea densidade dos íons incidentes na câmara.
• Quanto menor o eletrodo é alimentado separadamente por outro gerador de 13,56 MHz de 300W, o que permite o controle independente da tensão de polarização, ou seja, a energia dos íons na amostra.
• , A fim de reduzir os danos plasma induzido durante os processos de deposição e o nível de stress em filmes depositados, o ICP-CVD sistema foi operado em um "ICP" puramente modo aplicando potência de RF (100 a 2000W) para apenas a bobina ICP, mas nenhum poder RF na parte inferior do eletrodo.
• Pressão de hélio foi aplicado a parte de trás do wafers para proporcionar bom contato térmico entre Chuck e wafer.
• O sistema tem controle preciso da temperatura do substrato de -150 ° C a 400 ° C usando aquecedor elétrico e nitrogênio líquido. Esta ampla faixa de temperatura é importante para os processos de plasma avançadas deposição de materiais diferentes substratos.
• Silano puro (100% SiH ₄₎ é introduzido na câmara de deposição através de um anel de distribuição de gás. Outros gases como N ₂ e N ₂ O são introduzidos na câmara de fonte de ICP
• Controlador automático de pressão (APC) é usado para controlar a pressão (2 a 20mTorr).

ICP-CVD Sistemas de Oxford Instruments

Um resumo da ICP-CVD configurações do sistema são apresentados na tabela 1 abaixo:

Tabela 1. ICP-CVD Ferramentas de Oxford Instruments

Deposição de materiais usando ICP-CVD

ICP-CVD pode ser usado para depósito de materiais diversos, por exemplo SiO _2, SiN _x, SiO _x N _y, a-Si e SiC. Neste artigo vamos nos concentrar principalmente sobre a capacidade de depósito de alta qualidade SiO ₂ e filmes de SiN na temperatura do substrato tão baixo quanto 20 ° C. Em uma ICP-CVD câmara de dióxido de silício os filmes são depositados pela reação de silano que é introduzido através do anel de distribuição de gás e óxido nitroso, que é introduzido através da fonte de ICP. Além disso filmes de nitreto de silício são depositados utilizando silano que é introduzido através do anel de distribuição de gás e nitrogênio, que é introduzido através da fonte. Alternativamente, a amônia pode também ser utilizada para depósito de nitreto de silício, mas a utilização dos resultados de nitrogênio em um filme de alta qualidade que será explicado em mais detalhes posteriormente.

Parâmetros de processo típicas que são discutidos aqui incluem taxa de deposição, uniformidade de espessura de filme, índice de refração, stress do filme, húmida taxas etch, e tensão de ruptura.

Típicas taxas de deposição de ICP-CVD

Tradicionalmente ICP-CVD processos resulta em menores taxas de deposição de filmes PECVD. Taxas de deposição típicas para nitreto de silício óxido de silício e são> 8nm/min mas maiores taxas de deposição são agora possíveis em que os resultados podem ser vistos na próxima seção. De maneira semelhante aos métodos convencionais de deposição de placas paralelas muitos parâmetros do processo pode ser ajustada, a fim de controlar o processo. Figura 2 e 3 abaixo mostram as tendências taxa típica de deposição com diferentes parâmetros de processo.

Figura 2. Efeito da ICP potência, pressão e fluxo de silano na ICP-CVD taxa de deposição de SiN _x

Figura 3. Efeito da ICP potência, pressão e fluxo de silano na ICP-CVD taxa de deposição de SiO ₂

Índice de refração do ICP-CVD Depositado Films

O índice de refração pode ser controlado variando-se a relação entre o Si: N deposição de nitreto de silício ou Si: O para a deposição de óxido de silício. Filmes de nitreto de silício têm índice de refração típico de 2,00 (a 633 nm), embora este valor pode ser ajustado pela variação do fluxo de silano e nitrogênio. Filmes de dióxido de silício tem índice de refração típico de 1,46. O valor de RI pode ser ajustada pela variação dos fluxos de óxido nitroso e silano. Em ambos os filmes um valor mais elevado índice de refração geralmente indica um filme de silício rico. Figura 4 e 5 abaixo mostram as relações de índice de refração com taxas de fluxo diferentes gás.

Figura 4 Variação do Índice de refração com SiH _4:. N rácio de gás ₂

Figura 5 Variação do índice de refração com SiH _4:. N ₂ O rácio de gás

ICP-CVD e Stress Film

Em algumas aplicações, tais como MEMS a capacidade de controlar o estresse filme é muito importante. Estresse filme geralmente é calculada medindo a variação de curvatura pré e pós-deposição do filme. Esta diferença na curvatura como resultado da deposição de filmes é usado para calcular o estresse por meio da equação de Stoney, que relaciona o módulo biaxial do substrato, espessura do filme e substrato, eo raio de curvatura de pré e pós-processo.

Na ICP-CVD de nitreto de silício e óxido de silício depoimentos o stress filme pode ser controlado alterando vários parâmetros. Pressão do processo tem a maior influência sobre o estresse filme nitreto de silício e é mostrado na figura abaixo 6a. Ao aumentar a pressão do processo do stress filme pode ser controlada de tração a compressão. Figura 6 também mostra que o estresse muito baixa pode ser obtida por meio do ajuste fino da pressão do processo.

ICP-CVD filmes de óxido de silício normalmente apresentam tensões de compressão. O estresse filme pode ser ajustado pela mudança de uma combinação de parâmetros, incluindo SiH _4: N ₂ a temperatura poder ratio, e RF. Figuras 6b e 6c abaixo mostra o efeito de SiH _4: N ₂ O rácio de gás e temperatura com o estresse filme. Filme de baixo estresse de compressão pode ser obtida através do aumento da SiH _4: N ₂ O relação gás e diminuir a temperatura de deposição.

Figura 6 Variação. SiN de estresse filme _x com pressão de processo

Figura 6b. Variação de SiO estresse filme ₂ com a temperatura

Figura 6c Variação de SiO2 estresse filme com SiH _4:. N ₂ O rácio de gás

ICP-CVD e filmes de qualidade

Qualidade do filme é mais facilmente demonstrado por corrosão úmida, normalmente realizado com condicionadores de óxido de buffer (BOE), que normalmente são misturas de 49% de ácido fluorídrico (HF) e fluoreto de amônio 40% (NH ₄ F) em várias proporções pré-determinado. Tipicamente BOE condicionadores de óxido de buffer são utilizados para aberturas de janela etch em camadas de dióxido de silício. A principal aplicação é a gravação de camadas de óxido térmico na produção de IC. A taxa de etch do filme por soluções aquosas NH4F/HF, com ou sem aditivos surfactante, depende de três fatores principais: NH ₄ F gama, temperatura gravura, e conteúdo específico HF. Condicionadores padrão BOE (40% NH ₄ blends F / 49% IC) conter mais de 30% NH ₄ F, uma faixa onde o conteúdo HF tem influência sobre a taxa primária etch.

Quando o teste molhado taxas etch do filme a sua prática geralmente é bom para medir a taxa de ataque com base em uma camada de óxido térmica como uma referência. Um filme baixa taxa de ataque geralmente indica um filme de alta densidade. Figuras 7 e 8 mostra dados de taxa de etch molhada de SiN _x e ₂ SiO depositados usando tanto ICP-CVD e PECVD convencionais. Os dados mostram que os filmes depositados em baixas temperaturas usando ICP-CVD dá o desempenho do processo comparável filme com filmes depositados utilizando alta temperatura de placas paralelas convencionais PECVD a 300 ° C.

Figura 7. Variação de SiN _x taxa molhada Etch com a temperatura do eletrodo

Figura 8. Variação da taxa de SiO ₂ molhado etch com a temperatura do eletrodo

O que é Tensão de ruptura?

A tensão de ruptura é geralmente medido através da aplicação de uma tensão ramped através do filme dielétrico. O filme é normalmente depositado em uma camada inferior condutora (um wafer de Si dopado, ou uma camada de metal) juntamente com uma camada metálica depositada em cima do filme depositado. A camada de metal é normalmente modelada através de uma máscara de sombra ou lift-off para formar almofadas pequeno teste (em geral <<1x1mm). Para entrar em contato com tais pequenas almofadas uma estação sonda de wafer é normalmente exigido. Camadas Al / Si de metal são comuns, mas outros metais poderiam ser usados. É importante que as interfaces são planas e lisas, ou seja, sem morros ou inchaços no metal de base, e sem partículas na superfície ou no filme, caso contrário, a tensão de ruptura será significativamente reduzida (o processo de deposição de metal pode precisar de alguma otimização, se o cliente não tem esse set-up como um teste padrão já). Esta é uma razão para ter como diâmetro pequeno bloco de um teste já que é possível para minimizar as chances de ter uma partícula dentro de sua área de medição. A tensão é então incrementada até um pico de alta corrente é observado (ou seja, quebra do filme). A tensão necessária depende da espessura do filme (por exemplo, 6MV/cm = 120Volts através de um filme de espessura, 2000a).

Tensão de ruptura do aumento da ICP-CVD Depositado Films

Na ICP-CVD depoimentos filme as características elétricas de SiN _x depositados em baixas temperaturas (~ RT) mostraram campos avaria elétrica de mais de 3x10 ⁶ Vcm ^-1 com correntes de fuga baixo [1,2]. Tabela 2 abaixo mostra o efeito da temperatura na tensão de ruptura da ICP-CVD _x SiN depositados filmes.

Tabela 2. ICP-CVD SiN _x valores de tensão típico quebra

Figura 9. Variação da densidade de corrente com o campo elétrico para o cinema SiO ICP-CVD depositados ₂ 120 ° C. Os resultados mostram tensão de ruptura ~> 8MV/cm.

Cobertura etapa da ICP-CVD Depositado Films

Além disso ICP-CVD SiO ₂ também mostra alta tensão de ruptura quando depositados em baixas temperaturas. Figura 9 mostra os campos elétricos de ruptura> 8MV/cm quando o filme SiO ₂ foi depositada a 150 ° C. Em comparação com um típico filme de SiO ₂ depositados por PECVD à 300 ° C resulta em um colapso campos elétricos elétrica na faixa de 5-6MV/cm>.

A cobertura passo é a razão da espessura do filme ao longo das paredes de um passo para a espessura de filme na parte inferior da etapa. Isso é chamado de / e S / T ou S / B na figura (10) abaixo. Para a cobertura conformal a relação de S / T e / ou S / B é de 1. Cobertura etapa tipicamente boa é conseguido através de altas temperaturas (> 300 ° C), no entanto, é possível obter uma cobertura excelente passo em baixas temperaturas usando ICP-CVD . Figura (10) abaixo mostra ICP-CVD SiN cobertura filme _x quando depositados a 20 ° C. Além disso, a cobertura etapa também depende da altura dos degraus e largura.

Figura 10a Definition. Etapa de cobertura

Figura 10b. SEM imagens de seção transversal de 50 nm ICP-CVD depositados SiN a 22 ° C em 150 nm com cobertura de metal bom passo.

Fonte: "plasma indutivamente acoplado deposição de vapor químico (ICP-CVD)" por Oxford Instruments Tecnologia Plasma .

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