LPCVD制備二氧化硅薄膜工藝研究

王儉峰，佟麗英，李亞光，李秀強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220)

當(dāng)前CMOS已成為MOS電路的主流，為解決問鎖效應(yīng)和軟失效，在CMOS電路生產(chǎn)中大量使用外延片。這種CMOS用的外延片，多用背面多晶硅作為吸除源，并用低溫SiO2封閉，以防止在硅外延過程中雜質(zhì)對(duì)正在生長(zhǎng)外延層的“摻雜”，從而使外延層不受破壞[1]。因此，在硅拋光片加工工藝中廣泛應(yīng)用了吸雜和背封技術(shù)。背封技術(shù)中一般是用化學(xué)氣相淀積方法在硅片背面生長(zhǎng)一層SiO2膜，以達(dá)到消除雜質(zhì)對(duì)外延工藝的不利影響。目前，由于相對(duì)其他方法在均勻性、淀積速率及使用安全性方面具有更大優(yōu)勢(shì)，TEOS源LPCVD(低壓化學(xué)氣相淀積)法已逐步成為淀積SiO2膜的主流工藝。

本文對(duì)TEOS源LPCVD(低壓化學(xué)氣相淀積)法淀積SiO2膜的淀積速率及均勻性方面進(jìn)行了有益探索，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出了一組較好的淀積工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)及原理

SiO2膜的淀積采用LPCVD法，使TEOS(正硅酸乙酯)在700℃，50 Pa左右的條件下熱分解制得。

化學(xué)氣相反應(yīng)可以概括描述為:

TEOS也就是 Si（O C2H5）4，學(xué)名正硅酸乙脂，又稱四乙氧基硅烷，常溫下為無(wú)色液體，淀積時(shí)在鋼瓶中揮發(fā)進(jìn)入爐管內(nèi)，TEOS的流量由TEOS源瓶的溫度來(lái)控制。

反應(yīng)物在爐中的分壓主要由源溫度和反應(yīng)壓力共同決定。只要其中一個(gè)條件改變，反應(yīng)物分壓就會(huì)改變。當(dāng)TEOS源（下面簡(jiǎn)稱源）進(jìn)入反應(yīng)室，由于邊界層的存在，源只能擴(kuò)散進(jìn)入襯底表面，而生長(zhǎng)表面有一定密度的活性點(diǎn)，氣態(tài)源分子可以與其結(jié)合形成活化絡(luò)合物，發(fā)生表面反應(yīng)，生成固態(tài)粒子和吸附態(tài)氣體副產(chǎn)物，之后吸附態(tài)的副產(chǎn)物解吸離開表面。在這個(gè)過程中，可知吸附速率為：

其中：θ為未被占據(jù)的表面活性點(diǎn)占總數(shù)的百分?jǐn)?shù)，p源為源分壓。

若吸附后為分解而解吸，則：

在表面分解時(shí)淀積速率： r=k·θ源

反應(yīng)后副產(chǎn)物解吸： r－氣=k－氣·θ氣

而 θ＋θ源＋θ氣=1

由以上各式得

淀積速率

2 結(jié)果與討論

2.1 TEOS源溫度對(duì)淀積速率的影響

TEOS源的溫度直接影響了TEOS的流量，從而影響反應(yīng)物分壓，故若TEOS源的溫度過低，則淀積會(huì)由于反應(yīng)物過少而根本長(zhǎng)不上膜，而過高會(huì)使均勻性變差。

在其他條件(淀積溫度、反應(yīng)壓力等)相同的情況下通過改變TEOS源溫度，對(duì)于不同的TEOS源溫度所生長(zhǎng)的SiO2膜，結(jié)合淀積時(shí)間算出T=710℃時(shí)，淀積速率與TEOS源溫度關(guān)系如圖1所示。

由圖中可以看出，隨著TEOS源溫度的增加，SiO2的淀積速率呈線性增大。

圖1 淀積速率與TEOS源溫度的關(guān)系

圖2 K1與TEOS源溫度關(guān)系

若設(shè)K1=C·V/T源，其中C為系數(shù)，V為淀積速率，T為TEOS源溫度。則K1可以表達(dá)每TEOS源溫度對(duì)淀積速率的影響。由于其他條件不變，C為常數(shù)。若設(shè)C=1，則如圖2所示，可以看出隨著TEOS源溫度的增加，TEOS源溫度中的每一攝氏度對(duì)淀積速率的影響幾乎不變且保持在較高數(shù)值。這說(shuō)明在此條件范圍內(nèi)，到達(dá)硅片表面的反應(yīng)物的量一直都是淀積速率的重要因素。增大TEOS源溫度可有效地增大淀積速率。

分析其原因，在襯底表面，由公式（1）可知，反應(yīng)前后氣體分子由一個(gè)TEOS分子轉(zhuǎn)變?yōu)樗膫€(gè)C2H4分子和兩個(gè)H2O水分子，當(dāng)反應(yīng)室壓力一定時(shí)，隨反應(yīng)的進(jìn)行，必然導(dǎo)致TEOS分子所占分壓在較低水平。此時(shí)，提高TEOS溫度，則使TEOS源釋放率增大，從而使室內(nèi)源分子所占比例增大，淀積速率增大。

2.2 反應(yīng)壓力對(duì)淀積速率的影響

由圖3可以看出，在反應(yīng)室內(nèi)隨著反應(yīng)壓力的升高，SiO2的淀積速率基本呈線性增大。

圖3 反應(yīng)壓力與淀積速率關(guān)系

圖4 K2與反應(yīng)壓力的關(guān)系

若設(shè)K2=C·V/P，其中C為系數(shù)，V為淀積速率，P為反應(yīng)壓力。則K2可以表達(dá)每反應(yīng)壓力對(duì)淀積速率的影響。由于其他條件不變，C為常數(shù)。若設(shè)C=1，則如圖4所示，可以看出隨著反應(yīng)壓力的增加，每帕壓力對(duì)淀積速率的影響逐漸減弱且降低速率隨壓力升高逐漸放緩。這說(shuō)明在低壓范圍內(nèi)反應(yīng)壓力對(duì)淀積速率有更大影響。分析其原因?yàn)?，在低壓時(shí)，淀積速率較低，反應(yīng)室內(nèi)氣體中氣態(tài)TEOS源占有較大分壓，而隨壓力升高，反應(yīng)速率增大，附產(chǎn)物分子氣體產(chǎn)生的速率也逐漸增大，氣態(tài)TEOS源所占分壓逐漸減小，致使壓力升高對(duì)淀積速率的增益逐漸減小。

2.3 SiO2膜的均勻性

對(duì)于淀積SiO2膜來(lái)說(shuō)，均勻性是一個(gè)很大的問題。薄膜的均勻性一般分片內(nèi)均勻性和片間均勻性。經(jīng)驗(yàn)證明，對(duì)于片內(nèi)均勻性來(lái)說(shuō)，片距起重要作用。片距較小時(shí)，片間容易存積過多熱分解產(chǎn)生的附產(chǎn)物而使片間氣態(tài)TEOS源不均勻，從而導(dǎo)致硅片各部分淀積速率快慢不一。片距較大時(shí)，反之；而壓力較低時(shí)，反應(yīng)室內(nèi)氣態(tài)TEOS源所占分壓比較穩(wěn)定，片內(nèi)各點(diǎn)淀積速率比較一致。隨著壓力的升高，反應(yīng)室內(nèi)硅片表面附近氣態(tài)TEOS源所占分壓趨于不穩(wěn)定，從而使硅片各部分淀積速率難以控制，導(dǎo)致片內(nèi)均勻性變差。片距在5 cm左右，壓力在50 Pa以下時(shí)對(duì)SiO2膜質(zhì)量來(lái)說(shuō)可以接受。此外，不同位置及反應(yīng)溫度對(duì)片內(nèi)均勻性也有一定影響。

圖5為對(duì)爐內(nèi)3點(diǎn)位置硅片SiO2膜片內(nèi)均勻性的統(tǒng)計(jì)圖。在靠近爐口部分，源供應(yīng)充足，硅片內(nèi)各點(diǎn)源濃度較一致，而對(duì)于爐尾部分，由于前面反應(yīng)消耗，源濃度占?xì)夥瞻俜直容^低，使硅片表面各點(diǎn)源濃度不容易達(dá)到均衡，而高的反應(yīng)溫度又增強(qiáng)了這個(gè)結(jié)果。故而出現(xiàn)了從爐口至爐尾的不均勻性的增大。

圖5 不同位置硅片的片內(nèi)均勻性

對(duì)于片間均勻性來(lái)說(shuō)，反應(yīng)溫度的影響為主要因素。如圖6所示，在源溫度為42℃、壓力為48 Pa時(shí)同樣淀積60m in，一爐和二爐的爐口、爐中、爐尾溫度分別為700℃、70℃、715℃，690℃、710℃、715℃。當(dāng)只降低爐口溫度10℃時(shí)，爐中各點(diǎn)硅片厚度就有很大差別。之所以出現(xiàn)這種情況，分析認(rèn)為是由于源釋放率即源流量不是很高時(shí)，由于源由爐口出進(jìn)入，使得爐口處硅片得以首先發(fā)生反應(yīng)。至于爐中的硅片能得到多少源進(jìn)行反應(yīng)，很大程度上取決于爐口硅片的反應(yīng)速率。而爐尾硅片反應(yīng)所需的源更是由前兩部分反應(yīng)速率所決定。這就是所謂的輸運(yùn)耗散。故此，為了抵消輸運(yùn)耗散對(duì)均勻性的作用，就必須調(diào)節(jié)爐內(nèi)3點(diǎn)溫度以使各處反應(yīng)速率相等或近似相等。

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)均勻性的影響

據(jù)此，通過調(diào)節(jié)各參數(shù)獲得了較好的淀積條件，其典型制備條件如表l所示。

表l二氧化硅膜的典型淀積條件

3 結(jié)論

TEOS源LPCVD法生長(zhǎng)SiO2膜具有均勻性、重復(fù)性較好且成本較低等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)此方法淀積SiO2膜的生長(zhǎng)速率及均勻性進(jìn)行了討論，詳細(xì)分析了各反應(yīng)條件與淀積速率和均勻性的內(nèi)在關(guān)系。并且依此通過不斷嘗試得出了較好的工藝條件。通過對(duì)淀積速率的定量分析，可以很容易計(jì)算出任意SiO2膜厚度的淀積條件。

[1]沈天慧，李積和，何蓮萍.用多晶硅吸雜和SiO2背封工藝提高硅片質(zhì)量，微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)[J].1997（2）：17.

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[3]劉洪俠，郝躍，朱秉升.LPCVD制SPOS薄膜淀積工藝的研究[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000，27（3）：309-311.