高品質的薄膜 - 電感耦合等離子體化學氣相沉積牛津儀器等離子技術（ICP - CVD沉積）

討論主題

高品質的ICP - CVD薄膜的沉積

一個絕緣薄膜，廣泛用於現代超大規模集成電路的電路之間提供電氣隔離地區內的設備，並作為最後的封頂鈍化層中。二氧化矽，氮化矽和oxynitrides被廣泛使用。不同的沉積方法沉積溫度的依賴。

常壓化學氣相沉積和低壓化學氣相沉積的方法，通常需要在高溫地區> 400 °，利用等離子體增強化學氣相沉積的PECVD）彗星，而通常需要沉積溫度 <400 ° C。

相當大的興趣已經針對存款甚至更低的溫度（<150℃）高密度電介質薄膜的能力，尤其是對溫度敏感的設備，如有機發光二極管。 牛津儀器使用的ICP - CVD技術，已經開發出一種高品質的薄膜可以沉積高密度等離子體，低沉積的壓力和溫度的沉積過程。

牛津儀器的高密度等離子體源

低溫沉積通常通過使用等離子在其中的氣體中產生輝光放電反應。這種放電電離氣體，創建在晶圓表面反應活性物種。最常用的方法是一個平行板反應器樣品坐落在一個接地的底部電極和無線電頻率施加電壓的電極頂端。這將創建一個兩塊板之間的和徑向的氣體流過放電的輝光放電。通常情況下，底部電極加熱到100-400 ° C和這種方法通常被稱為等離子體增強化學氣相澱積（PECVD）。不過，為了存款甚至更低的溫度（<100℃）高密度薄膜介電薄膜 OIPT已經開發出一種高密度等離子體（HDP）源等離子體電子室邊界平行的方向感到非常興奮。

HDP源電感耦合等離子體（ICP）室，在其中的血漿是由介質城牆外的線圈傷口（典型的設計見圖 1）設立一個磁勢驅動。電子電流的方向相反，設計，腔表面平行的線圈電流。當以這種方式激發等離子體的經營壓力也隨之降低。下限的壓力通常取決於特定源的效率。在大多數材料加工等離子體電子加熱主要是阻性的，而等離子與中性粒子的密度，可用於非彈性碰撞級的阻抗。由於阻抗（壓力）降低，因此是驅動等離子體源的能力。

圖1。OIPT ICP - CVD系統

等離子沉積等更多系統特性

對於等離子體沉積有額外的系統功能： -

• 電感耦合線圈連接到一種 13.56 MHz，3.0KW RF發生器，通過匹配的單位。
• ICP線圈功率控制的等離子和在會議廳內的入射離子密度的解離。
• 另外的13.56 MHz 300W的發電機，它允許獨立的偏置電壓控制，即對樣品的離子的能量較低的電極是分開供電。
• 為了減少在沉積過程中等離子體引起的損傷，在沉積薄膜的應力水平， 已經營的ICP - CVD系統在一個純粹的“ICP備”的模式，通過應用射頻功率（100〜2000W）只有ICP備線圈，但沒有下電極上的RF功率。
• 氦氣壓力應用提供良好的夾頭和晶圓之間的熱接觸的晶圓背面。
• 該系統具有精確控制基板溫度從 -150 ° C至+400 ° C使用電加熱器和液氮。這種寬廣的溫度範圍是很重要的，不同的襯底材料為先進的等離子沉積過程。
• 純矽烷（100％SIH _4）是通過氣體分佈環引入沉積室。其他氣體如N ₂和N _{2 O}引入ICP源室
• 自動壓力控制器（APC）是用來控制的壓力（2 20mTorr）。

牛津儀器的ICP - CVD系統

一個摘要ICP - CVD系統配置，在下文表1所示：

表1 ICP - CVD工具，從牛津儀器

材料使用的ICP - CVD沉積

ICP - CVD ，可用於存款多種材料如SiO ₂的_{，SIO X} N _仙X，Y，a - Si和碳化矽。在本文中，我們將主要集中於存款的能力低_的高品質的SiO 2和氮化矽薄膜在襯底溫度為20 ° C。在ICP - CVD腔的二氧化矽薄膜沉積反應矽烷是通過配氣環和一氧化二氮，這是通過ICP源介紹介紹。此外，氮化矽薄膜沉積使用矽烷是通過配氣環和氮，這是通過源介紹介紹。另外氨還可以用於存款氮化矽，但在使用更高質量的電影將在稍後詳細解釋氮結果。

這裡討論的是典型的過程參數包括沉積速率，薄膜厚度均勻，折射率，薄膜應力，濕蝕刻率，和擊穿電壓。

典型的ICP - CVD沉積速率

傳統的ICP - CVD過程比PECVD薄膜沉積速率較低結果。典型的沉積速率，氧化矽和氮化矽> 8nm/min，但現在可以在下一節中，結果可以看到較高的沉積速率。以類似的方式，以傳統的平行板沉積方法，許多工藝參數可以調整，以控制這一進程。下面的圖 2和圖 3顯示典型的沉積速率的趨勢，不同的工藝參數。

圖2 ICP功率，壓力和矽烷流量，ICP - CVD _氮化矽 x沉積速率的影響。

ICP功率，壓力和矽烷流量的ICP - CVD SiO _2的沉積速率的影響圖3 。

ICP - CVD沉積薄膜折射率

折射率可控制由不同比例的Si：氮化矽沉積或Si N：O為氧化矽沉積。氮化矽薄膜具有典型的折射率2.00（633納米），雖然這個值可以通過不同的矽烷和氮氣流量的調整。二氧化矽薄膜具有典型的折射率為 1.46。 RI值可以調整不同的矽烷和氮氧化物流動。在這兩部電影的一個更高的折射率值通常表示一個矽豐富的電影。圖 4和5下面顯示折射率與不同的氣體流量比的關係。

圖4折射率的變化與_{SIH 4：N} 2氣比

圖5折射率的變化_：SIH 4，N ₂ O的氣體比例

ICP - CVD和薄膜應力

在一些應用程序如MEMS薄膜應力的控制能力是非常重要的。通常是計算薄膜應力測量曲率變化前和電影後期沉積。這曲率薄膜沉積的結果差異來計算斯托尼的方程，其中涉及的的基板，的薄膜和基板的厚度雙軸模量，以及對曲率半徑的方式強調前，和後處理。

ICP - CVD氮化矽和氧化矽沉積的薄膜應力，可以通過改變各種參數控制。過程壓力氮化矽薄膜應力的影響最大，下面是在圖 6a所示。增加過程壓力，可以控制從壓縮拉伸薄膜應力。圖 6a還顯示，非常低的壓力可以通過微調過程中的壓力得到的。

ICP - CVD氧化矽薄膜的壓應力。可以調整薄膜應力通過改變參數包括SIH _4：二氮比，溫度和射頻功率。下面的圖6b和6c顯示效果_：SIH 4 N _{2 O}的氣比和薄膜應力與溫度。低壓縮薄膜應力可通過增加SIH _{4：N 2 O的}氣體比例和降低沉積溫度。

圖6a仙_x薄膜應力與變化過程壓力。

圖6b。變化的SiO ₂薄膜應力與溫度

圖6c SiO2薄膜應力變化與SIH _{4：N 2 O的}氣體比例

ICP - CVD和電影質量

濕蝕刻緩衝氧化腐蝕劑（京東方）這是典型的混合49％的氫氟酸（HF）和40％的氟化銨_{（NH 4}樓）在各種預定的比率，通常是最容易表現出電影質量。通常京東方緩衝氧化層蝕刻劑使用的二氧化矽層蝕刻窗戶。主要應用是集成電路生產中的熱氧化層的蝕刻。影片的蝕刻率水NH4F/HF解決方案，帶或不帶表面活性添加劑，取決於三個主要因素_{：NH 4}樓範圍，蝕刻溫度，以及具體的高頻內容。標準京東方腐蝕劑（40％NH _4樓 / 49％的高頻混合）含有NH _4樓 ，高頻內容蝕刻率的主要影響範圍在30％以上。

當測試的電影通常是很好的做法來衡量作為參考的熱氧化層的蝕刻率的濕蝕刻率。低蝕刻速率薄膜通常表明高密度薄膜。圖7和圖8顯示了仙_X和SiO _2的濕蝕刻率數據採用ICP - CVD和傳統的PECVD沉積。數據顯示，薄膜沉積在低溫使用的ICP - CVD與電影媲美的電影過程中表現敷使用高溫常規平行板的PECVD在300 ° C 。

仙_x濕蝕刻率與電極溫度的變化圖7 。

圖8。變化的SiO ₂電極溫度濕蝕刻率

擊穿電壓是什麼？

通常是衡量一個斜坡電壓兩端的介質膜擊穿電壓。影片通常沉積在底部的導電層（無論是摻矽晶片或金屬層）薄膜上沉積金屬層。金屬層通常是通過蔭罩或剝離，形成小測試焊盤（通常<<1x1mm）圖案。為了接觸到這樣的小墊一個晶圓探針台通常是必需的。鋁 /矽金屬層很常見，但可用於其它金屬。重要的是，接口平整，光滑，即沒有對基礎金屬的山丘或碰傷，無顆粒表面上，或在電影，否則擊穿電壓將顯著降低（金屬沉積過程可能需要一些優化，如果作為一個標準的測試已經），客戶沒有這個設置。這是小測試焊盤的直徑，因為它是可以盡量減少你的測量範圍內的粒子的機會的原因之一。直到高電流峰值（即膜擊穿）的電壓，然後憋足了。所需的電壓取決於薄膜的厚度（如6MV/cm =跨2000A厚膜120Volts）。

增加擊穿電壓的ICP - CVD沉積薄膜

ICP - CVD薄膜沉積的SiN _x的電氣特性，在低溫（RT）的沉積有超過^3x10 6 ^VCM -1與低漏電流擊穿電場[1,2] 。表2顯示的擊穿電壓的影響溫度對ICP - CVD _仙 x沉積薄膜。

表2 ICP - CVD氮化矽_x的典型擊穿電壓值

ICP - CVD SiO _2的薄膜電場電流密度的變化圖9。存入120 ° C 。結果表明擊穿電壓〜> 8MV/cm。

步驟覆蓋的ICP - CVD沉積薄膜

此外ICP - CVD SiO _2的存放在低溫時，也顯示了較高的擊穿電壓。圖9顯示> 8MV/cm的擊穿電場時的_SiO 2薄膜沉積在150 ° C 。在比較典型的SiO _2的薄膜的PECVD在300 ° C的結果在電擊穿電場> 5-6MV/cm範圍。

台階覆蓋薄膜厚度沿對薄膜厚度在底部的一步一步的牆壁的比例。這就是所謂的S / T和/或S / B在下面的圖（10）。保形覆蓋的S / T和/或S / B的比例是1。通常，良好的台階覆蓋是使用高溫（> 300℃），但是它有可能實現在使用溫度低， 良好的台階覆蓋的ICP - CVD。圖（10）所示的ICP - CVD仙_X片覆蓋，存放在20 ° C時此外，階梯覆蓋率也取決於上一步的高度和寬度。

圖10a步覆蓋的定義 。

圖10b 50納米的ICP - CVD氮化矽截面的SEM圖像存放在22 ° 150納米金屬具有良好的台階覆蓋C 。

資料來源：“電感耦合等離子體化學氣相沉積法（ICP - CVD） “牛津儀器等離子技術 。

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