PECVD原理与工艺

2009-9-281PECVD&氧化原理与工艺钟飞2009-9-282主要内容PECVD原理与工艺¾CVD原理¾PECVD设备¾PECVD工艺¾PECVD样品准备氧化原理与工艺¾氧化机理¾干氧氧化¾湿氧氧化¾火焰式湿法氧化2009-9-283CVD原理¾CVD定义¾CVD传输及反应步骤¾CVD特点¾CVD分类2009-9-284CVD原理¾CVD定义¾CVD传输及反应步骤¾CVD特点¾CVD分类2009-9-285CVD定义应用：介质薄膜（例如SiO2、SiNx等）半导体薄膜（例如GaAs、GaN等）导体薄膜（例如钨）定义：化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,CVD)是指以单独的或综合的利用热能、等离子体放电、紫外光照射等形式的能量，使气态物质在固体的表面上发生化学反应并在该表面上沉积，形成稳定的固态薄膜的过程。2009-9-286CVD原理¾CVD定义¾CVD传输及反应步骤¾CVD特点¾CVD分类2009-9-287CVD传输及反应步骤图CVD反应器衬底连续薄膜8)副产物移除1)反应物传输副产物2)生成次生分子3)次生分子扩散4)次生分子吸附5)次生分子在衬底表面扩散6)表面反应7)副产物的脱附出口气体传输圖11.82009-9-288CVD原理¾CVD定义¾CVD传输及反应步骤¾CVD特点¾CVD分类2009-9-289CVD特点¾反应物和副产物为气体¾成膜速度快¾薄膜的成分精确可控¾淀积膜结构完整、致密，与衬底粘附性好¾极佳的台阶覆盖能力¾可以获得平滑的沉积表面¾CVD某些成膜温度远低于体材料的熔点，可得到高纯度、结晶完全的膜层2009-9-2810CVD原理¾CVD定义¾CVD传输及反应步骤¾CVD特点¾CVD分类2009-9-2811¾APCVD（常压CVD）¾LPCVD（低压CVD）¾PECVD（等离子体增强CVD）¾MOCVD（金属有机物CVD）¾HDPCVD（高密度等离子体增强CVD）CVD的分类2009-9-2812¾APCVD（常压CVD）¾LPCVD（低压CVD）¾PECVD（等离子体增强CVD）¾MOCVD（金属有机物CVD）¾HDPCVD（高密度等离子体增强CVD）CVD的分类2009-9-2813APCVD连续供片APCVD反应器反应气体加热器衬底N2N2N2N2N2N2常压工作连续送片200-400℃工作高速N2保护生长速率快，常用于低温SiO22009-9-2814¾APCVD（常压CVD）¾LPCVD（低压CVD）¾PECVD（等离子体增强CVD）¾MOCVD（金属有机物CVD）¾HDPCVD（高密度等离子体增强CVD）CVD的分类2009-9-2815LPCVD三段加热线圈热电偶(外部、控制)阀门由真空泵抽出气体进入热电偶(內部)工作气压：0.1-10Torr工作温度：600-900℃装片量大、污染小、温度控制均匀2009-9-2816¾APCVD（常压CVD）¾LPCVD（低压CVD）¾PECVD（等离子体增强CVD）¾MOCVD（金属有机物CVD）¾HDPCVD（高密度等离子体增强CVD）CVD的分类2009-9-2817PECVD射频输入PEVCD反应器连续薄膜8.副产物去除1.反应物进入反应室衬底2.电场分解反应物3.次生分子扩散4.次生分子吸附5.次生分子扩散入衬底6.表面反应7.副产物脱附抽出气体传送副产物下电极上电极RF场2009-9-2818PECVD工作原理等离子体的存在可以促进气体分子的分解、化合、促进反应活性基团（即所谓的次生分子）的生成，同时为扩散至衬底表面的次生分子提供能量，使得它们在没有高衬底温度条件下进一步沿表面扩散，因而某些原来需要在高温下进行的反应过程得以在低温下实现。LPCVD生长Si3N4750℃PECVD生长Si3N4350℃2009-9-2819CVD反应器优缺点优点缺点应用APCVD反应器简单反应温度低沉积速率快台阶覆盖差均匀性差颗粒污染严重低温氧化层LPCVD均匀性优台阶覆盖优产量大生长温度高沉积速率低氧化硅氮化硅多晶硅、钨硅等PECVD生长温度低沉积速率快应力可控制针孔密度较高存在颗粒污染差的化学配比氧化硅氮化硅非晶硅2009-9-2820PECVD的优点¾在较低的温度下可达到高沉积速率（生长温度200-400度）¾可以控制沉积薄膜的应力（高低频脉冲调制）¾Plasma的离子轰击可以去除表面杂质，增强粘附性¾可以利用以氟为主的等离子体对反应腔室进行干式清洗2009-9-2821PECVD设备简介¾OxfordSystem100设备图¾PECVD设备示意图¾PECVD操作界面2009-9-2822OxfordSystem1002009-9-2823PECVD设备示意图2009-9-2824PECVD操作界面2009-9-2825真空界面2009-9-2826生长界面时间控制温度控制功率控制气压控制流量控制2009-9-2827编程界面2009-9-2828程序编写2009-9-2829PECVD工艺•PECVD中的化学反应•PECVD工艺流程•PECVD工艺示例•工艺参数对SiO2薄膜性质影响示例•PECVD中的应力控制2009-9-2830PECVD中的化学反应PECVDNitride:SiHx+NHxÎSiNx(+H2)orSiHx+NÎSiNx(+H2)PECVDSiOx:SiHx+N2OÎSiOx(+H2+N2)PECVDa-Si:HSiHxÎSi(+H2)PECVDSiONx:SiHx+N2O+NH3ÎSiONx(+H2+N2)适用范围：主要用于沉积SiOx，SiNx，SiONx，a-Si2009-9-2831Step1:Briefpumpdown0-1minutes（抽真空1分钟）Step2:Pre-heat/purge7minutesforwafersoncarrierplate（预加热7分钟）(e.g.710sccmN2,2Torr)Step3:Pre-cleanplasma1minute(optional)（预清洗1分钟）(e.g.710sccmN2O,1Torr,40Watts)Step4:PECVDprocess（SiO2生长）(e.g.50sccmSiH4,156sccmN2O,2000sccmN2,2Torr,80Watts)Step5:Briefpumpdown0-1minutes（抽真空1分钟）典型的PECVD工艺流程2009-9-2832RUNTimeRFPowerTableTempSiH4N2N2OSetPressMinsWDegCSCCMSCCMSCCMmTorr1232035041807102000实验结果ThicknessR.I.（632.8nm）RatioDepRateUniformitynmSiH4/N2Onm/min205.631.4720.01168.540.80%SiOx生长工艺SiHx+N2OÎSiOx(+H2+N2)工艺参数2009-9-2833实验结果ThicknessR.I.（632.8nm）RatioDepRateUniformitynmSiH4/NH3nm/min147.652.011.449.221.24%SiNx生长工艺RUNTimeSiH4N2NH3HFHFTimeLFLFTimeSetPressTableTempMinsSCCMSCCMSCCMWsecWsecmTorrDegC8314100010671053101500330SiHx+NHxÎSiNx(+H2)工艺参数2009-9-2834a-Si生长工艺RUNTimeRFPowerTableTempSiH4HeSetPresssecWDegCSCCMSCCMmTorr710020350255701400实验结果ThicknessR.I.（632.8）DepRateUniformitynmnm/min29.714.9217.95.4%衬底为6寸BK7玻璃SiHxÎSi(+H2)2009-9-2835PECVD的应用薄膜类型掺杂源薄膜名称应用SiO2GeH4光波导PH3PSG回流B2H6,PH3BPSGa-Si（非晶硅）PH3N型掺杂B2H6P型掺杂SiNx钝化LOCOS隔离SiONx抗反膜2009-9-2836N2O/SIH4比所致的氧化硅折射率图2009-9-2837气压对SiOx生长速率的影响2009-9-2838气压对SiOx均匀性的影响2009-9-2839SiOx折射率随温度变化曲线2009-9-2840PECVD中的应力控制压应力拉应力PECVD系统中，应力控制主要是针对SiNx和SiNOx薄膜低频导致压应力高频导致拉应力通过高低频调制沉积工艺控制所生长薄膜应力2009-9-2841100PlusFilmStress-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60102030405060708090100PercentageHFFilmStress(GPa)SiO2SiNSiON线性(SiN)PercentageHF=100*HF/(HF+LF)Where:HF=HFpulsetime,LF=LFpulsetime,TotalHF+LFpulsetimetypically20secs.0%=continuousLF,100%=continuousHFPECVD薄膜的应力控制Tensile(+ve)Compressive(-ve)2009-9-2842设备注意事项开机前注意检查下列参数是否满足：¾冷却水压差介于0.7bar－4.2bar之间¾冷却水绝对压力小于4.2bar，回水压力小于0.5bar¾N2压力1.5bar¾CDA压力6bar¾打开PECVD设备前必须先打开燃烧式尾气处理设备¾特气开关操作必须由授权操作人员执行¾禁止在未打开燃烧式尾气处理设备时进行工艺操作¾禁止非授权操作人员执行开机和关机步骤。2009-9-2843样品准备•单次衬底尺寸和数量2''5片，4''1片，6''1片，碎片若干•生长前参照不同样品清洗工艺对样品进行清洗•清洗后样品烘烤（120℃10min）•生长温度：50-400℃2009-9-2844热氧化原理与工艺2009-9-2845氧化反应始终发生在Si/SiO2的界面处氧化机理反应方程式：Si+O2→SiO2;或Si＋H2O→SiO2＋H2硅硅O2orH2OO2orH2O2009-9-28462009-9-28471个单位厚度的Si可生成2.2个单位厚度的二氧化硅氧化初始硅表面氧化前SiliconSiO244%56%氧化后SiliconCSi=5.0×1022cm-3CSiO2=2.2×1022cm-3dSi/dSiO2=CSiO2/CSidSidSiO22009-9-2848影响氧化速率的主要因素¾化学机制,干法或湿法氧化¾温度¾厚度¾压力¾硅片取向(100vs.111)¾硅片掺杂2009-9-2849反应方程式：Si+O2→SiO2氧化膜质量最好应用：栅介质、氧化的起始阶段缺点：氧化速率慢，难以形成厚膜。硅的干氧氧化2009-9-2850硅干氧氧化速率与温度关系24681012141618200.200.40.60.81.01.2OxidationTime(hours)OxideThickness(micron)1200°C1150°C1100°C1050°C1000°C950°C900°C100SiliconDryOxidation2009-9-2851湿法(水蒸汽)氧化¾Si+2H2OSiO2+2H2¾在高温时，H2O解离为H＋和H-O－¾与O2相比，H-O－在SiO2中扩散更快¾湿法氧化的生长速率比干法快得多2009-9-2852硅湿法氧化速率与温度关系24681012141618200.501.01.52.02.53.0OxidationTime(hours)OxideThickness(micron)1150°C1100°C1050°C1000°C950°C900°C100SiliconWetOxida