PECVD法制備SiO2膜均勻性研究

龍長林,吳 限,陳國欽,程文進

(中國電子科技集團公司第四十八研究所,湖南 長沙 410205)

1 引 言

等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術是借助于輝光放電等離子體使含有薄膜組成的氣態物質發生化學反應,從而實現薄膜材料生長的一種新的制備技術。與常壓化學氣相沉積(APCVD)和低壓化學氣相沉積(LPCVD)利用熱能來激活和維持化學反應相比,PECVD 技術是通過反應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特征,從根本上改變了反應體系的能量供給方式。

PECVD方法淀積的SiO2薄膜優于其具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、抗侵蝕能力強以及良好的介電性質,常作為金屬層間介質、鈍化層等,被廣泛運用在半導體材料,集成電路的制造工藝中[1]。本文在介紹PECVD設備的基礎上探討了PECVD法制備SiO2薄膜的膜厚均勻性與結構及工藝參數之間的關系。

2 系統原理

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實現以下反應:

SiH4+N2O → SiO2+H2+N2

PECVD設備的工作原理,是將基片放置在兩平行平板電極之間,兩電極為上下結構,工藝氣體通入反應室后,兩電極之間的反應氣體在射頻電磁場的作用下輝光放電形成低溫低壓等離子體,離子化的氣態原子重新組合形成新的固態物質沉積在基片上。反應氣體經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 系統組成

系統主要由反應室、射頻源、噴淋板、基片臺、真空氣路系統以及控制系統等部分組成,如圖2所示。

圖2 設備組成示意圖Fig.2 Equipment composition diagram

3.1 傳送腔

傳送腔配置有局部凈化和機械手等，主要負責將基片自動送入和取出反應室，并保證在裝載基片和傳送過程中的潔凈環境。

3.2 反應室

反應室底面裝有水冷環，在加熱過程中對腔室起到冷卻作用，從而使反應室環境溫度基本保持不變，保證鍍膜工藝穩定；側壁上配置有觀察窗，可以查看反應室內部輝光放電情況。

3.3 噴淋板

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

3.4 基片臺

基片臺安裝在反應室內部底板上，作為電極板的下電極，在射頻源的作用下，配合上電極實現等離子體的激發。同時基片臺提供加熱功能，采用電阻絲加熱，基片溫度由熱偶檢測，反饋至工控機實現自動控溫。

3.5 射頻源

系統配備了高頻(13.56 MHz)和低頻(400 kHz)兩種電源，兩種電源可選同時工作、交替工作、單獨工作三種模式[2]，在本文的實驗中，選取高頻電源單獨工作模式。

3.6 真空氣路系統

真空系統主要用來保證工藝反應腔的潔凈度及反應所需的壓力，氣路系統采用質量流量控制器和氣動閥，精準和穩定控制反應物的成分與比例。

3.7 控制系統

控制系統采用工控機與PLC相結合的總體設計，以PLC作為下位機的控制核心單元，實現真空氣路泵閥、射頻電源等部件級的底層控制及安全互鎖。上位機主要面向用戶提供友好的人機界面和操作提示。

4 工藝試驗

4.1 實驗條件

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,工藝壓力由蝶閥調節,工藝壓力范圍為10～100 Pa；SiH4與N2O的流量比例以及基片臺加熱溫度保持恒定；噴淋板的孔結構粗通孔、細通孔、細錐孔三類結構形式,如圖3所示為噴淋板的俯視示意圖,圖4(a)所示為粗通孔結構,圖4(b)所示為細通孔結構、圖4(c)所示為細錐孔結構。通過光學測厚儀測量,SiO2薄膜的厚度和折射率。

圖3 噴淋板結構俯視示意圖Fig.3 Top view of spray plate structure

圖4 噴淋板結構示意圖Fig.4 Structural diagram of spray plate

4.2 膜厚均勻性實驗

4.2.1 實驗設計

在等離子增強化學沉積技術中,結構參數如噴淋板孔徑尺寸及孔結構類型(如通孔、錐形孔)、極板間距等,均能影響薄膜的均勻性[3]。同時,工藝參數如壓力大小也能改變薄膜的均勻性。本文重點研究8 in SiO2薄膜的膜厚均勻性與噴淋板孔徑大小、孔結構類型之間的關系,以及工藝壓力對薄膜均勻性的影響。

4.2.2 測試方法

每片取若干特定測量點,用光學膜厚儀測量基片表面膜層厚度,并記錄全部測量值,經數據處理計算膜厚均勻性數值。特定測量點取點方法:基片為Φ200 mm圓片,按9點法取測量點,測量點位置如圖5所示。

圖5 基片膜厚測量取點示意圖Fig.5 Schematic diagram of substrate film thicknessmeasurement points

測量完成后,對數據進行如下處理:

工藝試驗所得的所有基片根據特定點取點示意圖位置所得測量值,按公式(1)計算基片的膜厚均勻性S1:

4.2.3 實驗結果分析

由圖6、表1及圖7可以看出,SiO2薄膜的膜厚均勻性數值隨噴淋板孔徑的減小而降低,并且錐孔結構優于通孔結構。其原因是,噴淋板孔徑較大時,噴淋板下方的等離子體通過較大的孔徑返流,產生異常放電和氣體堆積[4],從而導致薄膜均勻性變差；通過減小噴淋板孔徑,同時,將氣孔入口設計得比氣孔出口略大,即設計成上大下小的錐孔等結構形式,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構的關系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構的關系Tab.1 Relationship between uniformity of SiO2 filmthickness and spray plate structure

圖7 不同噴淋板孔結構的SiO2薄膜實物圖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,等離子體較多聚集在基片中間,導致SiO2薄膜呈現中間厚邊緣薄；在壓力過低時,等離子體較多聚集在基片邊緣區域,導致SiO2薄膜呈現中間薄邊緣厚。

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

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

5 結 論

本文采用自主研制的PECVD設備,以SiH4和N2O為反應氣體,制備SiO2薄膜。利用光學膜厚測試儀對制得的SiO2薄膜的厚度、膜厚均勻性等性能指標進行了測試,探討了噴淋板孔結構與工藝壓力對SiO2薄膜性能的影響。結果表明:SiO2薄膜的膜厚均勻性與噴淋板的孔結構關系密切,通過減小噴淋板孔徑,同時,將氣孔入口設計得比氣孔出口略大,能顯著改善膜厚均勻性；在工藝參數方面,薄膜均勻性主要受反應腔室壓力的影響,通過實驗優化工藝壓力參數,能制備出徑向方向均勻性較優的薄膜。本文后續將研究臺階孔等結構的噴淋板對均勻性的影響。