高品质的薄膜 - 电感耦合等离子体化学气相沉积牛津仪器等离子技术（ICP - CVD沉积）

讨论主题

高品质的ICP - CVD薄膜的沉积

一个绝缘薄膜，广泛用于现代超大规模集成电路的电路之间提供电气隔离地区内的设备，并作为最后的封顶钝化层中。二氧化硅，氮化硅和oxynitrides被广泛使用。不同的沉积方法沉积温度的依赖。

常压化学气相沉积和低压化学气相沉积的方法，通常需要在高温地区> 400 °，利用等离子体增强化学气相沉积的PECVD）彗星，而通常需要沉积温度<400 ° C。

相当大的兴趣已经针对存款甚至更低的温度（<150℃）高密度电介质薄膜的能力，尤其是对温度敏感的设备，如有机发光二极管。 牛津仪器使用的ICP - CVD技术，已经开发出一种高品质的薄膜可以沉积高密度等离子体，低沉积的压力和温度的沉积过程。

牛津仪器的高密度等离子体源

低温沉积通常通过使用等离子在其中的气体中产生辉光放电反应。这种放电电离气体，创建在晶圆表面反应活性物种。最常用的方法是一个平行板反应器样品坐落在一个接地的底部电极和无线电频率施加电压的电极顶端。这将创建一个两块板之间的和径向的气体流过放电的辉光放电。通常情况下，底部电极加热到100-400 ° C和这种方法通常被称为等离子体增强化学气相淀积（PECVD）。不过，为了存款甚至更低的温度（<100℃）高密度薄膜介电薄膜 OIPT已开发的高密度等离子体（HDP）源等离子体电子室边界平行的方向感到非常兴奋。

HDP源电感耦合等离子体（ICP）室，在其中的血浆是由介质城墙外的线圈伤口（典型的设计见图1）设立一个磁势驱动。电子电流的方向相反，设计，腔表面平行的线圈电流。当以这种方式激发等离子体的经营压力也随之降低。下限的压力通常取决于特定源的效率。在大多数材料加工等离子体电子加热主要是阻性的，而等离子与中性粒子的密度，可用于非弹性碰撞级的阻抗。由于阻抗（压力）降低，因此是驱动等离子体源的能力。

图1。OIPT ICP - CVD系统

等离子沉积等更多系统特性

对于等离子体沉积有额外的系统功能： -

• 电感耦合线圈连接到一种13.56 MHz，3.0KW RF发生器，通过匹配的单位。
• ICP线圈功率控制的等离子和在会议厅内的入射离子密度的解离。
• 另外的13.56 MHz 300W的发电机，它允许独立的偏置电压控制，即对样品的离子的能量较低的电极是分开供电。
• 为了减少在沉积过程中等离子体引起的损伤，在沉积薄膜的应力水平， 已经营的ICP - CVD系统在一个纯粹的“ICP备”的模式，通过应用射频功率（100〜2000W）只有ICP备线圈，但没有下电极上的RF功率。
• 氦气压力应用提供良好的夹头和晶圆之间的热接触的晶圆背面。
• 该系统具有精确控制基板温度从-150 ° C至+400 ° C使用电加热器和液氮。这种宽广的温度范围是很重要的，不同的衬底材料为先进的等离子沉积过程。
• 纯硅烷（100％SIH _4）是通过气体分布环引入沉积室。其他气体如N ₂和N _{2 O}引入ICP源室
• 自动压力控制器（APC）是用来控制的压力（2 20mTorr）。

牛津仪器的ICP - CVD系统

一个摘要ICP - CVD系统配置，在下文表1所示：

表1 ICP - CVD工具，从牛津仪器

材料使用的ICP - CVD沉积

ICP - CVD ，可用于存款多种材料如SiO ₂的_{，SIO X} N _仙X，Y，a - Si和碳化硅。在本文中，我们将主要集中于存款的能力低_的高品质的SiO 2和氮化硅薄膜在衬底温度为20 ° C。在ICP - CVD腔的二氧化硅薄膜沉积反应硅烷是通过配气环和一氧化二氮，这是通过ICP源介绍介绍。此外，氮化矽薄膜沉积使用硅烷是通过配气环和氮，这是通过源介绍介绍。另外氨还可以用于存款氮化硅，但在使用更高质量的电影将在稍后详细解释氮结果。

这里讨论的是典型的过程参数包括沉积速率，薄膜厚度均匀，折射率，薄膜应力，湿蚀刻率，和击穿电压。

典型的ICP - CVD沉积速率

传统的ICP - CVD过程比PECVD薄膜沉积速率较低结果。典型的沉积速率，氧化硅和氮化硅> 8nm/min，但现在可以在下一节中，结果可以看到较高的沉积速率。以类似的方式，以传统的平行板沉积方法，许多工艺参数可以调整，以控制这一进程。下面的图2和图3显示典型的沉积速率的趋势，不同的工艺参数。

图2 ICP功率，压力和硅烷流量，ICP - CVD _氮化硅 x沉积速率的影响。

ICP功率，压力和硅烷流量的ICP - CVD SiO _2的沉积速率的影响图3 。

ICP - CVD沉积薄膜折射率

折射率可控制由不同比例的Si：氮化硅沉积或Si N：O为氧化硅沉积。氮化硅薄膜具有典型的折射率2.00（633纳米），虽然这个值可以通过不同的硅烷和氮气流量的调整。二氧化硅薄膜具有典型的折射率为1.46。 RI值可以调整不同的硅烷和氮氧化物流动。在这两部电影的一个更高的折射率值通常表示一个硅丰富的电影。图4和5下面显示折射率与不同的气体流量比的关系。

图4折射率的变化与_{SIH 4：N} 2气比

图5折射率的变化_：SIH 4，N ₂ O的气体比例

ICP - CVD和薄膜应力

在一些应用程序如MEMS薄膜应力的控制能力是非常重要的。通常是计算薄膜应力测量曲率变化前和电影后期沉积。这曲率薄膜沉积的结果差异来计算斯托尼的方程，其中涉及的的基板，的薄膜和基板的厚度双轴模量，以及对曲率半径的方式强调前，和后处理。

ICP - CVD氮化硅和氧化硅沉积的薄膜应力，可以通过改变各种参数控制。过程压力氮化硅薄膜应力的影响最大，下面是在图6a所示。增加过程压力，可以控制从压缩拉伸薄膜应力。图6a还显示，非常低的压力可以通过微调过程中的压力得到的。

ICP - CVD氧化硅薄膜的压应力。可以调整薄膜应力通过改变参数包括SIH _4：二氮比，温度和射频功率。下面的图6b和6c显示效果_：SIH 4 N _{2 O}的气比和薄膜应力与温度。低压缩薄膜应力可通过增加SIH _{4：N 2 O的}气体比例和降低沉积温度。

图6a仙_x薄膜应力与变化过程压力。

图6b。变化的SiO ₂薄膜应力与温度

图6c SiO2薄膜应力变化与SIH _{4：N 2 O的}气体比例

ICP - CVD和电影质量

湿蚀刻缓冲氧化腐蚀剂（京东方）这是典型的混合49％的氢氟酸（HF）和40％的氟化铵_{（NH 4}楼）在各种预定的比率，通常是最容易表现出电影质量。通常京东方缓冲氧化层蚀刻剂使用的二氧化硅层蚀刻窗户。主要应用是集成电路生产中的热氧化层的蚀刻。影片的蚀刻率水NH4F/HF解决方案，带或不带表面活性添加剂，取决于三个主要因素_{：NH 4}楼范围，蚀刻温度，以及具体的高频内容。标准京东方腐蚀剂（40％NH _4楼 / 49％的高频混合）含有NH _4楼 ，高频内容蚀刻率的主要影响范围在30％以上。

当测试的电影通常是很好的做法来衡量作为参考的热氧化层的蚀刻率的湿蚀刻率。低蚀刻速率薄膜通常表明高密度薄膜。图7和图8显示了仙_X和SiO _2的湿蚀刻率数据采用ICP - CVD和传统的PECVD沉积。数据显示，薄膜沉积在低温使用的ICP - CVD与电影媲美的电影过程中表现敷使用高温常规平行板的PECVD在300 ° C 。

仙_x湿蚀刻率与电极温度的变化图7 。

图8。变化的SiO ₂电极温度湿蚀刻率

击穿电压是什么？

通常是衡量一个斜坡电压两端的介质膜击穿电压。影片通常沉积在底部的导电层（无论是掺硅晶片或金属层）薄膜上沉积金属层。金属层通常是通过荫罩或剥离，形成小测试焊盘（通常<<1x1mm）图案。为了接触到这样的小垫一个晶圆探针台通常是必需的。铝/硅金属层很常见，但可用于其它金属。重要的是，接口平整，光滑，即没有对基础金属的山丘或碰伤，无颗粒表面上，或在电影，否则击穿电压将显着降低（金属沉积过程可能需要一些优化，如果作为一个标准的测试已经），客户没有这个设置。这是小测试焊盘的直径，因为它是可以尽量减少你的测量范围内的粒子的机会的原因之一。直到高电流峰值（即膜击穿）的电压，然后憋足了。所需的电压取决于薄膜的厚度（如6MV/cm =跨2000A厚膜120Volts）。

增加击穿电压的ICP - CVD沉积薄膜

ICP - CVD薄膜沉积的SiN _x的电气特性，在低温（RT）的沉积有超过^3x10 6 ^VCM -1与低漏电流击穿电场[1,2] 。表2显示的击穿电压的影响温度对ICP - CVD _仙 x沉积薄膜。

表2 ICP - CVD氮化硅_x的典型击穿电压值

ICP - CVD SiO _2的薄膜电场电流密度的变化图9。存入120 ° C 。结果表明击穿电压〜> 8MV/cm。

步骤覆盖的ICP - CVD沉积薄膜

此外ICP - CVD SiO _2的存放在低温时，也显示了较高的击穿电压。图9显示> 8MV/cm的击穿电场时的_SiO 2薄膜沉积在150 ° C 。在比较典型的SiO _2的薄膜的PECVD在300 ° C的结果在电击穿电场> 5-6MV/cm范围。

台阶覆盖薄膜厚度沿对薄膜厚度在底部的一步一步的墙壁的比例。这就是所谓的S / T和/或S / B在下面的图（10）。保形覆盖的S / T和/或S / B的比例是1。通常，良好的台阶覆盖是使用高温（> 300℃），但是它有可能实现在使用温度低， 良好的台阶覆盖的ICP - CVD。图（10）所示的ICP - CVD仙_X片覆盖，存放在20 ° C时此外，阶梯覆盖率也取决于上一步的高度和宽度。

图10a步覆盖的定义 。

图10b 50纳米的ICP - CVD氮化硅截面的SEM图像存放在22 ° 150纳米金属具有良好的台阶覆盖C 。

资料来源：“电感耦合等离子体化学气相沉积法（ICP - CVD） “牛津仪器等离子技术 。

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