Nedfallet av hög kvalitet filmer med induktivt kopplad plasma - Kemisk förångningsdeposition (ICP-CVD) av Oxford Instruments Plasma Technology

Ämnen som tas upp

Nedfallet av hög kvalitet Films Med ICP-CVD

Ett brett utbud av isolerande tunna filmer som används i modern VLSI-kretsar med elektrisk isolering mellan ledande regioner inom en enhet och som en sista tak passivering lager. Kiseldioxid, kiselnitrid och oxynitrides används i stor utsträckning. Olika typer av nedfall metoder finns tillgängliga beror på nedfall temperaturen.

Atmosfärstryck kemisk förångningsdeposition och lågt tryck kemisk ånga metoder deposition kräver normalt höga temperaturer i regionen> 400 ° C medan användningen av plasma förbättrad kemisk förångningsdeposition PECVD) kräver normalt nedfall temperaturer <400 ° C.

Stort intresse har riktats mot möjligheten att deponera hög filmer densitet dielektrisk vid ännu lägre temperaturer (<150 ° C), särskilt i temperaturkänsliga enheter såsom organiska lysdioder. Genom att använda ICP-CVD teknik, Oxford Instruments har utvecklat en deposition process där högkvalitativa filmer kan deponeras med hög densitet plasma, låga tryck nedfall och temperaturer.

High Density plasmakällor från Oxford Instruments

Låg temperatur depositioner är vanligtvis uppnås genom att använda plasma där gaserna reagerar i en glöd utsläpp. Denna urladdning joniserar gaser, skapar aktiva arter som reagerar på wafer ytan. Den vanligaste metoden är en parallell platta reaktor där provet sitter på en jordad botten elektrod och radiofrekvens spänning till toppen elektroden. Detta skapar en glöd urladdning mellan två tallrikar och gaserna flödet radiellt genom utsläpp. Typiskt ner elektroden värms till 100-400 ° C och denna metod brukar kallas plasma förbättrade kemiska förångningsreaktorer (PECVD). Men för att deponera hög densitet filmer dielektrisk film med ännu lägre temperaturer (<100 ° C) OIPT har utvecklat en hög densitet-plasma (HDP) källa där plasma elektroner exciteras i en riktning parallellt med kammaren gränser.

Den HDP källa som används är induktivt kopplad plasma (ICP) kammare, där plasma är drivas av en magnetisk potential som inrättats av en spole sår utanför dielektriska väggar (typiskt utformning se figur 1). Riktningen på elektronen nuvarande är motsatt den i spolen strömmar som är, genom design, parallellt med kammaren ytor. När plasma är glada på detta sätt drifttrycket kan därefter sänkas. Den undre gränsen för trycket är normalt dikteras av effektiviteten i viss källa. I de flesta materialbearbetning plasmor elektronen uppvärmningen är i första hand resistiva, och impedansen av plasma skalor med tätheten av neutrala för oelastiska kollisioner. Som impedans (tryck) sänks så är förmågan av källan att köra plasma.

Figur 1. OIPT ICP-CVD-system

Ytterligare System Funktioner för Plasma deposition

För plasma depositioner finns ytterligare system funktioner: -

• Den induktivt kopplad spolen är ansluten till ett 13,56 MHz, 3.0kW RF generator via en matchande enhet.
• ICP spole makt styr dissociation av plasma och tätheten av händelsen joner i kammaren.
• Den nedre elektroden separat drivs av en annan 13,56 MHz 300W generator, som tillåter oberoende kontroll av bias-spänning, dvs energi av joner på provet.
• För att minska plasma-inducerade skador under nedfall processer och stressnivån i filmer som deponerats, den ICP-CVD har systemet varit i drift på ett rent "ICP"-läge genom att RF-effekt (100 till 2000W) för att bara ICP spolen, men ingen RF-effekten på den nedre elektroden.
• Helium trycket appliceras på baksidan av rån för att ge god termisk kontakt mellan chuck och rån.
• Systemet har exakt kontroll av substrat temperatur från -150 ° C till +400 ° C med hjälp av elektriska värmare och flytande kväve. Detta breda temperaturområde är viktigt för avancerade processer plasma nedfall av olika substrat material.
• Ren silan (100% SiH ₄₎ införs i nedfall kammaren via ett distributionsnät för gas ring. Andra gaser som N ₂ och N ₂ O införs i ICP jonisationskammare
• Automatisk tryck regulator (APC) används för att kontrollera trycket (2 till 20mTorr).

ICP-CVD Systems från Oxford Instruments

En sammanfattning av ICP-CVD systemkonfigurationer visas i tabell 1 nedan:

Tabell 1. ICP-CVD verktyg från Oxford Instruments

Nedfallet av material med hjälp av ICP-CVD

ICP-CVD kan användas för att sätta in flera material, t.ex. SiO _2, sin _x, SiO _x N _y, a-Si och kiselkarbid. I denna skrift kommer vi att koncentrera främst på förmågan att sätta hög kvalitet SiO ₂ och filmer SiN på underlagets temperatur så låg som 20 ° C. I en ICP-CVD kammare av kiseldioxid filmer deponeras genom att reagera silan som infördes genom gasdistribution ringen och lustgas som infördes genom ICP källa. Dessutom kiselnitrid filmer är deponerade med silan som infördes genom gasdistribution ringen och kväve som tillförs via källa. Alternativt ammoniak kan också användas för att sätta in kiselnitrid men användningen av kväve ger en högre kvalitet film som kommer att förklaras mer i detalj senare.

Typiska processparametrar som diskuteras här inkluderar förångningshastighet, skikttjocklek enhetlighet, brytningsindex, film stress, våt etch priser och uppdelning spänning.

Typiska Nedfallet av ICP-CVD

Traditionellt ICP-CVD processer resulterar i lägre nivåer i nedfall än PECVD filmer. Typiska nedfall av kiseloxid och kiselnitrid är> 8nm/min men högre nedfall är nu möjligt där resultaten kan ses i nästa avsnitt. På ett liknande sätt som konventionella parallella metoder plattan nedfall många processparametrar kan justeras för att styra processen. Figur 2 och 3 nedan visar typiska trender förångningshastighet med olika processparametrar.

Figur 2. Effekt av ICP kraft, tryck och silan flöde på ICP-CVD sin _x förångningshastighet

Figur 3. Verkan av ICP kraft, tryck och silan flöde på ICP-CVD SiO ₂ förångningshastighet

Brytningsindex ICP-CVD filmer som deponerats

Brytningsindex kan kontrolleras genom att variera förhållandet mellan Si: N för kiselnitrid avsättning och Si: O för kiseloxid nedfall. Kiselnitrid filmer har typiska brytningsindex 2,00 (vid 633nm) Även detta värde kan justeras genom att variera silan och kväve flöden. Kiseldioxid filmer har typiska brytningsindex 1,46. RI: s värde kan justeras genom att variera silan och lustgas flöden. I båda filmerna ett högre brytningsindex värde anger vanligtvis en kisel rik film. Figur 4 och 5 nedan visar relationer brytningsindex med olika nyckeltal gasflöde.

Figur 4 Variation av brytningsindex med SiH _4:. N ₂ gas-ratio

Figur 5 Variation av brytningsindex med SiH _4:. N ₂ O gas förhållandet

ICP-CVD och Film Stress

I vissa applikationer såsom MEMS förmågan att kontrollera filmen stress är mycket viktigt. Film stressen beräknas vanligen genom att mäta krökning förändring före och efter nedfall av filmen. Denna skillnad i krökning som ett resultat av film nedfall används för att beräkna stressen genom Stoney ekvation, som beskriver sambandet mellan tvåaxiala modulen för det substrat, tjockleken på film och substrat, och radien av krökningar före och efter processen.

I ICP-CVD kiselnitrid och kisel depositioner oxid filmen stress kan styras genom att ändra olika parametrar. Process trycket har den största påverkan på kiselnitrid filmen stress och visas i figur 6a nedan. Genom att öka den process trycket filmen stress kan styras från tryck-till draghållfasthet. Figur 6a visar också att mycket låg stress kan erhållas genom att finjustera processen trycket.

ICP-CVD kiseloxid filmer visar typiskt tryckspänning. Filmen stress kan ändras genom att ändra en kombination av parametrar, bland annat SiH _4: N ₂ ratio, temperatur och RF-effekt. Figurer 6b och 6c nedan visar effekten av SiH _4: N ₂ O gas-ratio och temperatur med film stress. Låg tryckspänning film stress kan erhållas genom att öka SiH _4: N ₂ O gas förhållandet och minska nedfallet temperatur.

Figur 6a. Variation av sin _x film stress med processtryck

Figur 6b. Variation av SiO ₂ film stress med temperaturen

. Figur 6c Variation av SiO2 film stress med SiH _4: N ₂ O gas förhållandet

ICP-CVD och filmkvalitet

Kvaliteten på filmen är lättast visar våtetsning, som normalt utförs med buffrade oxid etsmedel (BOE) som vanligtvis är en blandning av 49% fluorvätesyra (HF) och 40% Ammoniumfluorid (NH ₄ F) i olika förutbestämda nyckeltal. Typiskt BOE buffrad oxid etsmedel används till etch fönster öppningar i kiseldioxid lager. Det primära är etsning av termisk oxid skikt i produktion av integrerade kretsar. Den etshastighet av filmen genom vattenextraktion NH4F/HF lösningar, med eller utan tensid tillsatser, beror på tre huvudsakliga faktorer: NH ₄ F utbud, etsning temperatur och specifika HF innehåll. Standard BOE etsmedel (40% NH ₄ F / 49% HF blandningar) innehåller över 30% NH ₄ F, ett område där HF innehållet har primär påverkan på etshastighet.

Vid testning av våta etch satser av filmen är det oftast bra att mäta etsning Pris baseras på en termisk oxidskikt som referens. En låg etsning takt Filmen visar vanligtvis en hög densitet film. Figur 7 och 8 visar våta etshastighet data av sin _x och SiO ₂ deponeras med både ICP-CVD och konventionell PECVD. Uppgifterna visar att filmer som deponeras vid låg temperatur med hjälp av ICP-CVD ger jämförbara prestanda filmen process med filmer deponeras med hög temperatur konventionella parallella plattan PECVD vid 300 ° C.

Figur 7. Variation av sin _x våt etshastighet med elektrod temperatur

Figur 8. Variation av SiO ₂ våt etshastighet med elektrod temperatur

Vad är Fördelning spänning?

Fördelningen Spänningen mäts vanligtvis genom att tillämpa en ramped spänningen över dielektriska filmen. Filmen är normalt deponeras på en ledande bottenskikt (antingen en dopad Si wafer, eller ett metallskikt) tillsammans med ett metallskikt deponeras ovanpå de deponerade filmen. Den metallskikt är oftast mönstrade antingen genom en skugga mask eller lättning till formen litet test kuddar (ofta <<1x1mm). För kontakt med sådana små kuddar en wafer sond station är vanligtvis krävs. Al / Si metallager är vanliga, men andra metaller kan användas. Det är viktigt att gränssnitten är platta och släta, dvs inga kullar eller gupp på den underliggande metall, och inga partiklar på ytan eller i filmen, annars uppdelning spänningen kommer att minska avsevärt (metallen deponeringen kan behöva optimering om Kunden har inte denna set-up som ett standardtest redan). Detta är en anledning för att ha en så liten testområde diameter eftersom det är möjligt att minimera chanserna att få en partikel inom ditt mätområde. Spänningen är sedan rampas fram en hög ström topp observeras (dvs. uppdelning av filmen). Den spänning som krävs beror på skikttjockleken (t.ex. 6MV/cm = 120Volts över en 2000a tjock film).

Ökad Fördelning Spänning på ICP-CVD filmer som deponerats

I ICP-CVD film nedfall de elektriska egenskaperna hos sin _x deponeras vid låga temperaturer (~ RT) har visat uppdelning elektriska fält av mer än 3x10 ⁶ VCM ^-1 med låga läckströmmar [1,2]. Tabell 2 nedan visar effekten av temperaturen på fördelningen spänning på ICP-CVD sin _x filmer som deponerats.

Tabell 2. ICP-CVD sin _x typiska fördelningen spänningsvärden

Figur 9. Variation av strömtäthet med elektriska fält för ICP-CVD SiO ₂ filmen deponeras 120 ° C. Resultaten visar fördelningen spänning ~> 8MV/cm.

Steg Täckning av ICP-CVD filmer som deponerats

Dessutom ICP-CVD SiO ₂ visar också hög uppdelning spänning när deponeras vid låga temperaturer. Figur 9 visar fördelningen elektriska fälten i> 8MV/cm när SiO ₂ filmen var deponeras på 150 ° C. I jämförelse en typisk SiO ₂ filmer som deponerats av PECVD vid 300 ° C resulterar i en elektrisk fördelning elektriska fält i intervallet> 5-6MV/cm.

Steget täckningen är förhållandet filmtjockleken längs väggarna i ett steg till tjockleken på filmen längst ner i steget. Detta kallas S / T och / eller S / B i figuren (10) nedan. För konform täckning förhållandet mellan S / T och / eller S / B är 1. Typiskt bra steg täckning uppnås genom höga temperaturer (> 300 ° C) men det är möjligt att uppnå utmärkt steg täckning vid låg temperatur med hjälp av ICP-CVD . Figur (10) nedan visar ICP-CVD sin _x filmen täckning när deponeras vid 20 ° C. Dessutom steg täckning beror också på steg höjd och bredd.

Figur 10a. Definition av steg täckning

Figur 10b. SEM-bilder av tvärsnitt av 50 nm ICP-CVD SiN deponeras vid 22 ° C på 150 nm, metall med bra steg täckning.

Källa: "induktivt kopplad plasma kemiska förångningsreaktorer (ICP-CVD)" av Oxford Instruments plasmateknik .

För mer information om denna källa besök Oxford Instruments plasmateknik .