1、 第1期 2010年2月 微处理机 MICROPROCESSORS No1 Feb，2010 PECVD淀积SiO2薄膜工艺研究崇 亢 拮，黎威志，袁 凯，蒋亚东 (电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都610054) 摘 要：研究了等离子增强化学气相淀积(PECVD)制备非晶SiO：薄膜的工艺。系统地研究 了反应气体流量比、射频功率、淀积腔内压强、淀积时间等工艺条件对SiO：薄膜质量的影响，采用 椭偏仪测量了不同工艺条件下淀积的SiO：薄膜的厚度和折射率。根据以上测试结果分析了各工 艺参数对SiO 薄膜淀积速率、折射率以及均匀性的影响规律，并定性讨论了其机理。找到了比
2、较 合适的制备高均匀性和典型折射率SiO 薄膜的工艺参数。 关键词：等离子增强化学气相淀积；氧化硅；淀积速率；折射率 DOI编码：103969iissn100222792010O1007 中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：10022279(2010)01002304 Study of Si0。Thin Film Deposition bV PECVD KANG Zhe，LI Weizhi，YUAN Kai，JIANG Yadong (State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices，Scho
3、ol of Optoelectronic Information，University ofElectronic Science and Technology ofChina，Chengdu 610054，China) Abstract：A series of amorphous silicon dioxide(SiO2)films were deposited Oil 100一mm silicon wafers by the technics of plasma enhanced chemical vapor deposition(PECVD)，during which RF power，
4、gas flow ratio，chamber pressure and deposition time were altered in turn，while keeping other parameters unchangedFilm thickness(hence the deposition rate)and refractive index(RI)was measured by eUip someter，and the influence of above parameters on film qualities was qualitatively discussed according
5、 to the resultsIn addition，a suitable deposition condition for relatively good SiO2 film(high uniformity and suitable RI)was achieved Key words：PECVD；SiO2；Deposition rate；Refractive index 1 引 言 常压CVD(APCVD)、低压CVD(LPCVD)和等 离子体辅助CVD是现在采用最为广泛的几种CVD 淀积工艺。等离子增强化学气相淀积(PECVD)过 程使用等离子体能量来产生并维持CVD反应。 PECVD的系
6、统反应压强和LPCVD的系统反应压强 是可以比拟的，不同的是，PECVD的反应温度远远 低于LPCVD的反应温度，通常低于350。同时， PECVD是典型的冷壁等离子体反应，硅片被加热到 较高温度而其他部分不加热，冷壁反应产生的颗粒 较少，因此减少了停工清洗时间。 PECVD工艺使用等离子的能量来触发并维持 淀积所需的化学反应的好处在于：更低的工艺温 度；较好的间隙填充能力；淀积的薄膜对硅片有 优良的粘附性；高的淀积速率；较少的针孔缺 陷。 PECVD方法淀积的SiO 薄膜由于其具有硬度 高、耐磨性好、绝热性好、抗侵蚀能力强以及良好的 介电性质(表1)，常作为金属层间介质(ILD)、钝化 层等
7、，被广泛运用在半导体材料，集成电路和MEMS 器件的制造工艺中。 在PECVD中，淀积腔压强，温度，气体流速和 流速比率，射频功率以及频率是主要的变量，将影响 淀积的速率和淀积薄膜的性能，因此有必要对 PECVD淀积SiO 薄膜的工艺进行研究。 I基金项目：电子科技大学青年科技基金(Nojx0838) 作者简介：亢拮(1984一)，男，辽宁锦州人。硕士研究生，主研方向：PECVD介质薄膜的制备和研究。 收稿日期：20090218 24 微处理机 2010拄 表1 SiO：的物理性能 电阻率(ncm)，25 10 22 3839 1210 O5 17oo 146 密度(gera) 介电常数 介电
8、强度(Vm) 热膨胀系数(10 C) 熔点() 折射率 2实验 实验采用英国STS公司制造的Mesc Mutiplex PECVD设备，用4寸(1OOmm)P型单晶硅 片作为衬底。PECVD方法制备SiO：薄膜，通常是 使用硅烷(SiH )和笑气(N 0)在等离子状态下反 应，工艺温度一般低于350。与APCVD相比， PECVD淀积的SiO 更不容易开裂，更均匀，缺陷更 少。其反应方程式为： Sill4(气态)+220(气态)一s 0：(固态)+ 2N2(气态)+日：(气态) (1) 生成的SiO ，尽管在膜中含有一些H和少量的 N，但仍接近于化学计量分析值。H能够以siH、 SiOH、HO
9、H的形式存在，H会使薄膜的特 性蜕化，因而要尽可能的减少。本实验使用纯硅烷 和笑气作为反应气体，氮气作为稀释气体。 PECVD属于低温低压CVD工艺，反应气体到 达硅片的速度要大于表面化学反应的速度，因此淀 积速度是受到反应速度限制的，且反应速率随温度 的增加呈指数上升趋势(直到出现反应气体质量传 输限制，通常将远远高于PECVD典型淀积温度)。 受温度影响的参数还有淀积薄膜的含H量、应力、 致密性等。本实验考虑到工艺的稳定性和薄膜的实 用性，始终采用300250(分别为下电极和上电极 温度)的典型淀积温度。 而射频频率主要影响的是淀积薄膜的应力， PECVD射频频率有一些常用的典型值。但一般
10、达 到实验要求后就不再改变，以保持较好的薄膜力学 性能。本实验使用的射频频率为低频380kHz。 在硅片上淀积的SiO 薄膜使用椭偏仪对其进 行中心及边缘5点的测试，得出其厚度，折射率等参 数，并用公式： 眭= (2) 计算得出相应的均匀性参数。很明显，此值越 大，说明厚度(折射率)均匀性越差。 3结果与讨论 31 射频功率对薄膜质量的影响 保持其他参数不变，改变射频功率淀积SiO 薄 膜。具体工艺参数如下： SiH445seem，N20365sccm，N2790sccm，气 压一600mT，时间一4min，功率一30W300W 椭偏仪测试结果如图1所示。 L气 ， 上 一、 ； 薤 f l
11、1 50 1 49 1 48 1470 1 48 1 45 1 44 Power(w) 图1 薄膜厚度和折射率随射频功率变化曲线 图中表明随功率的增加，相同时间内薄膜厚度 (即表示淀积速率)先迅速增加，然后增加逐渐变 缓，最后又逐渐降低。淀积速率随功率增加而增大 的原因是：功率越大，提供反应活性粒子的能量越 高，增大了相互反应的几率，从而增加了淀积速率； 而随着功率增加到一定值，淀积速率增幅明显变缓， 这是由于参与反应的活性粒子的数目随功率增加逐 渐趋于饱和，使得淀积速率也逐渐趋于饱和最后稳 定；而功率进一步增加导致的薄膜厚度降低则是由 于等离子体对硅片表面的物理刻蚀作用：由于淀积 速率不再增
12、加，而物理刻蚀始终存在并随功率增加 而增加，最终使得薄膜厚度变薄。 从图1中给出的折射率随功率的变化关系，可 以看到随功率增加，薄膜折射率基本趋势是降低，且 在功率大于75W后低于146，偏离SiO 常见折射 率值(146152)。 薄膜均匀性的测试结果。当功率9O w时薄 膜厚度均匀性明显变差，60W时的均匀性值为不到 2，90W时迅速增加到55；而折射率均匀性也 是在6Ow时低于高功率时的值，不过总体说来各 功率条件下的折射率均匀性都处于可接受的水平 (3)。 结合以上结果，兼顾淀积速率(不要过低)，折 射率以及均匀性指标，以下实验中将功率确定为 60W。 32反应气体流量比对薄膜质量的影
13、响 改变N O流量，同时改变N 流量以保持N 0十 一EcJSsau)f3车 1期 亢酷等：PECVD淀积SiO 薄膜工艺研究 25 N 总流量不变。具体工艺参数如下： Sill 一8sccm，气压一600mT，功率一60w，时间一 5min，N2035765sccm，N21120390 sccm。 测试结果如图2所示。 i j i I l 1 i l j 一 i i 。 、 I i l 。 _= ll _l Oflow rato(sccrT1) 图2薄膜厚度和折射率随N 0流量变化曲线 可以看出：在N 0流量较低时(165sccm)，随 着N 0流量的增大，淀积速率迅速增大，而当N 0 流量
14、增加到165sccm之后，薄膜淀积速率随N 0流 量的增加明显减缓，在实验范围内的165765sccm 流量范围内薄膜厚度基本稳定在215nm，即淀积速 率为43nmmin。以上结果表明，在功率为60W条 件时，对于流量为8sccm的Sill 气体，对应的N 0 流量在165seem达到饱和，即这个流量值下的N，0 刚好把Sill 消耗完并生成SiO：，再增加N 0时由于 Sill 已经消耗殆尽，因此淀积速率不再随N，0增加 而提高。但是另一方面，从(1)反应式可以看出，为 生成SiO ，Sill 与N 0的消耗量之比应该为1：2，而 实验结果表明二者消耗量之比为8：165 1：20两 个结果
15、相差甚远。导致这样的差异应该有两方面的 原因：首先是N：0的离解率低，即在所给功率条件 下并非所有N：0都能离解成参与反应的活性粒子 (主要是0-自由基)；其次是生成的活性粒子并未 全部都与si结合而生成SiO ，如0与H就可以结 合生成OH，甚至H 0。当然这里只是很粗略的推 断，要完全正确的解释实验现象必须要对等离子体 反应的微观机理有很深人的了解。 折射率的结果。当N：0流量小于165sccm，随 着流量增加，折射率迅速降低，从30sccm时的161 下降到165sccm时的149；而当流量大于165seem 后折射率随流量增加而降低的趋势变得缓慢，最大 流量为765sccm时的折射率为
16、146，仅比165sccm 时下降了003。很明显，折射率随N：0流量的变化 是因为薄膜内氧硅比的变化引起的。随着N O流 量的增加，薄膜逐渐从富硅过渡到富氧状态，薄膜密 度逐渐降低，因此折射率降低。 薄膜均匀性与N：0流量的关系。N 0量增大， 薄膜厚度均匀性仅略有降低，而最大值也不超过 3；折射率均匀性最大也不超过06。表明N 0 流量对氧化硅均匀性影响很小。 在以下实验中，将N：O流量设定为165sccm。 33工作气压对薄膜质量的影响 保持其他工艺参数不变，改变淀积时腔内压强。 具体工艺参数如下。 Sill445sccm，N20一l65sccm，N2990sccm，功 率一60W，时间
17、一4min，气压一200roT1000mT。 椭偏仪测试结果如图3所示。 。 u 一一一。 ：i 、 ， ：ll - 。 _ 150 1 49 1 48 1-47 146 Preure(rn“I) 图3 薄膜厚度随腔内压强变化曲线 可以看到随压强增加，相同时间内的薄膜厚度 增加，即淀积速率增加。这个结果容易理解：随着压 强的增加，反应气体的浓度增加，因此反应产物 SiO：的浓度相应增加，从而提高了薄膜淀积速率； 不过当压强越高，淀积速率增加得越缓慢，这是因为 在更高的反应压强条件下，更多的气体分子参与反 应，同时导致更多的离子间碰撞，在没有足够的时间 获得电离所需能量的情况下，过于频繁的碰撞将
18、使 等离子体密度下降，限制反应速率。因此在特定功 率条件下时，气压增加到一定值时淀积速率将不再 发生变化。 随着气压增加，薄膜折射率逐渐下降。不过下 降的幅度并不明显，如1000mT薄膜的折射率为 1486，仅比300mT时的1504下降13。可见压 强对于折射率的影响并不明显。 薄膜均匀性测试结果。当气压为200mT时薄膜的 厚度均匀性明显较其它压强值差。这可能是气压过 低时腔体内部的反应气体流速过快，局部产生湍流， 以至于不能够在腔体内均匀分布，从而使得腔体内 不同位置的气体浓度不同，不同位置的薄膜淀积速 率也因此出现较大的差异。以下实验中将气压设定 为600mT。 34淀积时间对薄膜质量
19、的影响 保持淀积工艺不变，只改变淀积时间，以观察淀 瑚 抛 毫 喜cJs善一LL1 一Ec aLDI。 26 微处理机 积速度的稳定性。时问变化从1min到8min。具体 工艺参数如下。 Sill445sccm，N20165sccm，N2-990sccm，功 率一60W，气压一600mT，时间一l一8min。 椭偏仪测试结果如图4所示。 l _ i 一l一 7 一 j i l i i i l j - - 1 f 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11me(min) 18 17 16 15 14 13 12 11 10 图4薄膜厚度和折射率随淀积时间变化曲线 从图4可以看出，在第一分钟内几
20、乎没有发生 淀积，测得的厚度结果很可能是硅片上的自然氧化 层，这可以从折射率测试值看出：由于自然氧化层致 密度和均匀性极差，其折射率远远偏离正常的SiO 折射率；不过通过观察窗在第一分钟仍然观察到等 离子体辉光，因此对于第一分钟无薄膜淀积的现象 还需要进一步分析。 从第二分钟开始有薄膜淀积，且在此之后反应 速度稳定，膜厚与时间基本呈线性关系。不考虑第 一点做线性拟合，从直线斜率可以得到在此工艺条 件下的淀积速率为554nmmin。 结果表明第一分钟薄膜厚度及折射率均匀性都 很差，证实了此时的薄膜为自然氧化层而非淀积薄 膜；而此后薄膜的均匀性很稳定：折射率均匀性 05，厚度均匀性25，表明前述工
21、艺条件下 SiO 薄膜均匀性较好。 4结论 PECVD方法淀积的SiO 薄膜，其性质受多个工 艺参数的影响。通过较为系统的实验，研究了反应气 体流量比，射频功率，工作气压，淀积时间等参数对淀 积速率、薄膜折射率和均匀性的影响，定性讨论了各 参数的影响机制；同时结合淀积速率、折射率以及均 匀性指标初步确定了制备SiO 薄膜需要的较为适 宜的工艺参数。由于PECVD涉及到等离子体和流 体力学方面的诸多理论知识，必须对两方面都有深 刻的认识才能对实验结果做出正确的解释。从等离 子体微观机理出发对工艺进行更为细致的研究，并 力求对实验工作起到积极的指导作用，如预测实验 结果，随意调控工艺参数以得到所需
22、要的结果等。 (致谢：本研究工作得到电子科技大学青年科 技基金资助，特此感谢。) 参考文献： 1Michael Quirk，Julian Serda半导体制造技术M韩郑 生，译北京：电子工业出版社，2004 2Donald L Smith，Andrew S AlimondaChemistry of SiO2 Plasma DepositionJJEleetrochemSoc，1993，140 (5)：14961503 3 吕文龙，罗仲梓，何熙，等PECVD淀积SiO 的应用 J功能材料与器件学报，2008，14(1)：3337 4尹世明，吴一平，程宇航，等射频等离子体放电动态 过程的流体动力学
23、模拟J华中理工大学学报， 1998，26增刊(I)：3436 5 樊双莉低温等离子体增强CVD技术及制备氮化硅薄 膜的研究(硕士学位论文)D广州：华南师范大学， 2O05 (上接第22页) 6结束语 通过对TMS320F283xx一段时间的应用，体会 到了该款DSP强大的功能、高效的性能及程序开发 调试的便捷性。作为控制领域的新型DSP芯片， F283xx为实现复杂的控制算法提供了有利的工具， 为各种控制问题提供了更加优化的解决方法，相信 该款DSP能够在嵌入式工业控制领域得到更为广 泛的应用。 参考文献： 【1Texas Instruments IncorporatedTMS320F2833
24、5， TMS320F28334，TMS320F28332 Digital Signal Control lets(DSCs)Data Manual(SPRS439B)MDallas， TeXas：Texas Instruments Incorporated，2007 2Texas Instruments IncorporatedTMS320F2810，TMs320一 F2811TMs320 8l2 TM$320C2810，TM$320C28l1， TM$320C2812 Digital Signal Processors Data Manual (SPRS174N)MDalias，Texas：
25、Texas Instruments Incorporated2003 3Texas Instruments IncorporatedTM$320x28 l X to TMS320x2833x Migration Overview(SPRAAQ7)M Dallas。Texas：Texas Instruments Incorporated，2007 4TeXas Instruments IncorporatedC28x FPU Primer (SPRAAN9)MDallas，Texas：Texas Instruments Incorporated20o7 5德州仪器数字信号处理选择指南M美国：德州仪 器，2o08 6 徐科军，张瀚，陈智渊TMs320)(28lxDsP原理与应用 M北京：北京航空航天大学出版社，2006 言uJssaL要)lE
