PECVD法制備SiO2膜均勻性研究

龍長(zhǎng)林,吳 限,陳國欽,程文進(jìn)

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所,湖南 長(zhǎng)沙 410205)

1 引 言

等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)是借助于輝光放電等離子體使含有薄膜組成的氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)薄膜材料生長(zhǎng)的一種新的制備技術(shù)。與常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)和低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)利用熱能來激活和維持化學(xué)反應(yīng)相比,PECVD 技術(shù)是通過反應(yīng)氣體放電來制備薄膜的,有效地利用了非平衡等離子體的反應(yīng)特征,從根本上改變了反應(yīng)體系的能量供給方式。

PECVD方法淀積的SiO2薄膜優(yōu)于其具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、抗侵蝕能力強(qiáng)以及良好的介電性質(zhì),常作為金屬層間介質(zhì)、鈍化層等,被廣泛運(yùn)用在半導(dǎo)體材料,集成電路的制造工藝中[1]。本文在介紹PECVD設(shè)備的基礎(chǔ)上探討了PECVD法制備SiO2薄膜的膜厚均勻性與結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)之間的關(guān)系。

2 系統(tǒng)原理

PECVD法制備SiO2薄膜的基本原理如圖1所示。

圖1 PECVD法制備SiO2薄膜的原理Fig.1 Principle of SiO2 thin films prepared by PECVD

為了采用PECVD法制備均勻的SiO2薄膜,通常利用SiH4和N2O實(shí)現(xiàn)以下反應(yīng):

SiH4+N2O → SiO2+H2+N2

PECVD設(shè)備的工作原理,是將基片放置在兩平行平板電極之間,兩電極為上下結(jié)構(gòu),工藝氣體通入反應(yīng)室后,兩電極之間的反應(yīng)氣體在射頻電磁場(chǎng)的作用下輝光放電形成低溫低壓等離子體,離子化的氣態(tài)原子重新組合形成新的固態(tài)物質(zhì)沉積在基片上。反應(yīng)氣體經(jīng)多孔噴淋板形成均勻的氣流,噴淋到基片表面,保證沉積薄膜的均勻性。

3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由反應(yīng)室、射頻源、噴淋板、基片臺(tái)、真空氣路系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等部分組成,如圖2所示。

圖2 設(shè)備組成示意圖Fig.2 Equipment composition diagram

3.1 傳送腔

傳送腔配置有局部?jī)艋蜋C(jī)械手等，主要負(fù)責(zé)將基片自動(dòng)送入和取出反應(yīng)室，并保證在裝載基片和傳送過程中的潔凈環(huán)境。

3.2 反應(yīng)室

反應(yīng)室底面裝有水冷環(huán)，在加熱過程中對(duì)腔室起到冷卻作用，從而使反應(yīng)室環(huán)境溫度基本保持不變，保證鍍膜工藝穩(wěn)定；側(cè)壁上配置有觀察窗，可以查看反應(yīng)室內(nèi)部輝光放電情況。

3.3 噴淋板

噴淋板安裝在反應(yīng)室內(nèi)部上蓋部分，其主要作用是將反應(yīng)氣體均勻分散在襯底表面，以促進(jìn)更加均勻的薄膜沉積。噴淋板同時(shí)用作PECVD裝置的上電極，配合下電極在反應(yīng)室內(nèi)將氣體激發(fā)為等離子體。

3.4 基片臺(tái)

基片臺(tái)安裝在反應(yīng)室內(nèi)部底板上，作為電極板的下電極，在射頻源的作用下，配合上電極實(shí)現(xiàn)等離子體的激發(fā)。同時(shí)基片臺(tái)提供加熱功能，采用電阻絲加熱，基片溫度由熱偶檢測(cè)，反饋至工控機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫。

3.5 射頻源

系統(tǒng)配備了高頻(13.56 MHz)和低頻(400 kHz)兩種電源，兩種電源可選同時(shí)工作、交替工作、單獨(dú)工作三種模式[2]，在本文的實(shí)驗(yàn)中，選取高頻電源單獨(dú)工作模式。

3.6 真空氣路系統(tǒng)

真空系統(tǒng)主要用來保證工藝反應(yīng)腔的潔凈度及反應(yīng)所需的壓力，氣路系統(tǒng)采用質(zhì)量流量控制器和氣動(dòng)閥，精準(zhǔn)和穩(wěn)定控制反應(yīng)物的成分與比例。

3.7 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用工控機(jī)與PLC相結(jié)合的總體設(shè)計(jì)，以PLC作為下位機(jī)的控制核心單元，實(shí)現(xiàn)真空氣路泵閥、射頻電源等部件級(jí)的底層控制及安全互鎖。上位機(jī)主要面向用戶提供友好的人機(jī)界面和操作提示。

4 工藝試驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

基片采用8英寸Si片,采用的射頻頻率為 13.56 MHz,射頻功率的調(diào)整范圍為 50～120 W；沉積前的本底壓力為5×10-3Pa,工藝壓力由蝶閥調(diào)節(jié),工藝壓力范圍為10～100 Pa；SiH4與N2O的流量比例以及基片臺(tái)加熱溫度保持恒定；噴淋板的孔結(jié)構(gòu)粗通孔、細(xì)通孔、細(xì)錐孔三類結(jié)構(gòu)形式,如圖3所示為噴淋板的俯視示意圖,圖4(a)所示為粗通孔結(jié)構(gòu),圖4(b)所示為細(xì)通孔結(jié)構(gòu)、圖4(c)所示為細(xì)錐孔結(jié)構(gòu)。通過光學(xué)測(cè)厚儀測(cè)量,SiO2薄膜的厚度和折射率。

圖3 噴淋板結(jié)構(gòu)俯視示意圖Fig.3 Top view of spray plate structure

圖4 噴淋板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of spray plate

4.2 膜厚均勻性實(shí)驗(yàn)

4.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在等離子增強(qiáng)化學(xué)沉積技術(shù)中,結(jié)構(gòu)參數(shù)如噴淋板孔徑尺寸及孔結(jié)構(gòu)類型(如通孔、錐形孔)、極板間距等,均能影響薄膜的均勻性[3]。同時(shí),工藝參數(shù)如壓力大小也能改變薄膜的均勻性。本文重點(diǎn)研究8 in SiO2薄膜的膜厚均勻性與噴淋板孔徑大小、孔結(jié)構(gòu)類型之間的關(guān)系,以及工藝壓力對(duì)薄膜均勻性的影響。

4.2.2 測(cè)試方法

每片取若干特定測(cè)量點(diǎn),用光學(xué)膜厚儀測(cè)量基片表面膜層厚度,并記錄全部測(cè)量值,經(jīng)數(shù)據(jù)處理計(jì)算膜厚均勻性數(shù)值。特定測(cè)量點(diǎn)取點(diǎn)方法:基片為Φ200 mm圓片,按9點(diǎn)法取測(cè)量點(diǎn),測(cè)量點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 基片膜厚測(cè)量取點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of substrate film thicknessmeasurement points

測(cè)量完成后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理:

工藝試驗(yàn)所得的所有基片根據(jù)特定點(diǎn)取點(diǎn)示意圖位置所得測(cè)量值,按公式(1)計(jì)算基片的膜厚均勻性S1:

4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖6、表1及圖7可以看出,SiO2薄膜的膜厚均勻性數(shù)值隨噴淋板孔徑的減小而降低,并且錐孔結(jié)構(gòu)優(yōu)于通孔結(jié)構(gòu)。其原因是,噴淋板孔徑較大時(shí),噴淋板下方的等離子體通過較大的孔徑返流,產(chǎn)生異常放電和氣體堆積[4],從而導(dǎo)致薄膜均勻性變差；通過減小噴淋板孔徑,同時(shí),將氣孔入口設(shè)計(jì)得比氣孔出口略大,即設(shè)計(jì)成上大下小的錐孔等結(jié)構(gòu)形式,能防止等離子體的返流[5],從而改善膜厚的均勻性。

圖6 膜厚均勻性與噴淋板孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系Fig.6 Relationship between film thickness uniformityand hole structure of spray plate

表1 SiO2膜厚均勻性與噴淋板結(jié)構(gòu)的關(guān)系Tab.1 Relationship between uniformity of SiO2 filmthickness and spray plate structure

圖7 不同噴淋板孔結(jié)構(gòu)的SiO2薄膜實(shí)物圖Fig.7 Physical drawing of SiO2 film with differentstructure of spray plate

由圖8與表2可以看出,SiO2薄膜的膜厚均勻性數(shù)值隨工藝氣壓的降低,先減少后增大。其原因是基片上方的氣流由圓心沿徑向方向流向邊緣,在壓力過高時(shí),等離子體較多聚集在基片中間,導(dǎo)致SiO2薄膜呈現(xiàn)中間厚邊緣??；在壓力過低時(shí),等離子體較多聚集在基片邊緣區(qū)域,導(dǎo)致SiO2薄膜呈現(xiàn)中間薄邊緣厚。

圖8 膜厚均勻性與工藝壓力的關(guān)系Fig.8 Relationship between film thickness uniformityand process pressure

表2 SiO2膜厚均勻性與工藝壓力的關(guān)系Tab.2 Relationship between thickness uniformity ofSiO2 film and process pressure

5 結(jié) 論

本文采用自主研制的PECVD設(shè)備,以SiH4和N2O為反應(yīng)氣體,制備SiO2薄膜。利用光學(xué)膜厚測(cè)試儀對(duì)制得的SiO2薄膜的厚度、膜厚均勻性等性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試,探討了噴淋板孔結(jié)構(gòu)與工藝壓力對(duì)SiO2薄膜性能的影響。結(jié)果表明:SiO2薄膜的膜厚均勻性與噴淋板的孔結(jié)構(gòu)關(guān)系密切,通過減小噴淋板孔徑,同時(shí),將氣孔入口設(shè)計(jì)得比氣孔出口略大,能顯著改善膜厚均勻性；在工藝參數(shù)方面,薄膜均勻性主要受反應(yīng)腔室壓力的影響,通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化工藝壓力參數(shù),能制備出徑向方向均勻性較優(yōu)的薄膜。本文后續(xù)將研究臺(tái)階孔等結(jié)構(gòu)的噴淋板對(duì)均勻性的影響。