Меню
Методы химического осаждения из паровой фазы (CVD — Chemical Vapor Deposition), применяемых в полупроводниковых технологиях и микроэлектромеханических системах (МЭМС)
АННОТАЦИЯ
В данной статье представлен обзор и сравнение распространенных методов химического осаждения из паровой фазы (CVD — Chemical Vapor Deposition), применяемых в полупроводниковых технологиях и микроэлектромеханических системах (МЭМС). Рассмотрены методы осаждения тонких пленок диоксида кремния (SiO2), нитрида кремния (SiNₓ), аморфного кремния (Si), оксинитрида кремния (SixNy), карбида кремния (SiC) и алмазоподобного углерода (DLC — Diamond-Like Carbon) с использованием CVD при пониженном давлении (LPCVD — Low-Pressure Chemical Vapor Deposition), плазмохимического CVD (PECVD — Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) и CVD с высокоплотной плазмой (HDPCVD — High-Density Plasma Chemical Vapor Deposition).
введение
Один профессор как-то в ходе обсуждения методов осаждения заметил, что, по его мнению, величайшим даром человечеству является термическое окисление кремния, поскольку именно оно подтолкнуло к развитию КМОП-технологии и полупроводниковой электроники, увенчавшейся эрой компьютеров. Как бы справедливо ни было это утверждение, постоянно велись работы по получению диоксида кремния с характеристиками, аналогичными термическому оксиду, но при более низких температурах. По мере развития полупроводниковой индустрии задача формирования оксидных плёнок при пониженной температуре расширилась: потребовалось осаждать при сниженных температурах также и другие материалы. Мы рассмотрим осаждение SiO2, SiNₓ и Si в рамках технологии CVD и дадим общий обзор методов CVD при пониженном давлении LPCVD, плазмохимического PECVD, а также подкатегории CVD с индуктивно связанной плазмой HDPCVD.

Причины, по которым осаждение плёнок ведётся при более низких температурах на пластинах, разнообразны. Нагрев пластин до более высоких температур требует больше времени, что противоречит постоянному требованию повышения производительности. Как правило, оборудование, работающее при высоких температурах, потребляет больше энергии и требует особого подхода к конструкции и материалам. Наиболее важным фактором являются ограничения по нагреву устройств, в современных электронике, МЭМС и фотонных устройствах используются разнообразные материалы, для которых часто задаются предельные значения времени выдержки при определённой температуре. Время выдержки при высокой температуре может не только повлиять на металлизированные слои и диффузионные процессы, но и нанести вред другим материалам, перечень которых постоянно растёт. Часто приводимый пример — использование полимерных материалов, таких как фоторезист, или гибких пластин, нагрев которых может быть ограничен 100 °C. Другой пример — использование фоторезиста при процессе взрывной литографии (lift‑off).

После краткого исторического экскурса будут описаны каждая из технологий, а затем проведено сравнение их характеристик, включая свойства плёнок (скорость жидкостного травления, контроль механических напряжений, показатель преломления, конформность покрытия, содержание водорода), а также затронуты вопросы по эксплуатации оборудования для них (обработка, техническое обслуживание, производительность, воспроизводимость, равномерность, стоимость владения). Важно понимать различия между технологиями, чтобы использовать преимущества каждой и избегать присущих им ограничений. Пожалуй, главным выводом данного обзора будет понимание компромиссов, связанных с выбором между этими технологиями.
ИСТОРИЧЕСКАЯ РЕТРОСПЕКТИВА
В качестве отправной точки отметим, что термическое окисление кремния хорошо описано в литературе и проводится при высоких температурах в диапазоне 800–1200 °C. Скорость роста оксида зависит от условий (влажное или сухое окисление), требуемой толщины плёнки и температуры. Мы не будем фокусироваться на термическом оксиде, для сравнения лишь полезно отметить, что время процесса выращивания SiO2 толщиной 400 нм при 1100 °C во «влажных» условиях (в атмосфере водяного пара) составляет около 24 минут. Поскольку рост термического оксида является нелинейным процессом, проведение дополнительных сравнений усложняется. Также выделим, что этот процесс протекает при атмосферном давлении. Эволюция технологий осаждения по снижению температуры процесса показана на рисунке 1.
Рисунок 1: Тенденция снижения температуры в процессах химического осаждения из паровой фазы (CVD)
Принимая за отправную точку диапазон 800–1200 °C для термического окисления, первое снижение температуры было связано со снижением давления. Переход к давлению ниже атмосферного — от 10 до 1000 миллиторр — позволил снизить температуру осаждения большинства материалов до интервала 450–900 °C в зависимости от конкретного материала. Однако даже нижняя граница этого диапазона часто превышает допустимый максимум современных технологических процессов.

Следующий шаг был сделан благодаря внедрению плазменных технологий и появлению PECVD. Использование плазмы для генерации фрагментов, участвующих в формировании плёнки, позволило снизить температуру процессов для многих применений до диапазона 200–400 °C. За счёт ВЧ-мощности энергия активации реакции значительно уменьшается. При этом можно достичь более высокой скорости осаждения, чем при LPCVD. Методом PECVD возможно осаждение и при более низких температурах, но для ряда применений свойства плёнок при этом оказываются неудовлетворительными, подробнее об этом будет сказано ниже.

Достигнув успеха при PECVD, исследователи пошли дальше и применили высокоплотную плазму для осаждения тонких плёнок. Использование источника с индуктивно связанной плазмой позволяет генерировать высокоплотную плазму, более того конструкция HDPCVD обеспечивает возможность раздельного приложения смещения на пластину. Эта технология очень похожа на распространённый метод плазмохимического травления с индуктивной связью (ICP — Ion Coupled Plasma), но может обозначаться как ICPCVD (исходя из способа генерации плазмы) или HDPCVD (выделяя применение высокоплотной плазмы). Сочетание высокоплотной плазмы и смещения на пластине (неотъемлемая часть конфигурации реактивного ионного травления с индуктивной связью) обеспечивает ионную бомбардировку растущей плёнки, что позволяет проводить осаждение при температурах ниже 200 °C, а для некоторых применений — даже при 50–75 °C, получая при этом нужные свойства плёнок. Кроме того, были открыты новые возможности, такие как «заполнение» или конформное покрытие канавок и вертикальных переходов (vias) с более высоким аспектным соотношением, чем при PECVD, а также проведение процессов взрывной литографии (lift‑off) с использованием HDPCVD вместо традиционного физического осаждения (PVD).
ОБЗОР МЕТОДА ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ ПРИ ПОНИЖЕННОМ ДАВЛЕНИИ (LPCVD)
Плёнки, осаждённые методом LPCVD, находят разнообразное применение в полупроводниковых приборах, оптоэлектронике и МЭМС, что стало возможным благодаря широкому спектру типов материалов и их составов. В таблице 1 приведён частичный перечень материалов, которые могут быть получены этим методом, с указанием типовых температур и скоростей осаждения, а также областей применения.
Таблица 1.

Материал

Температура, °C

Скорость осаждения, нм/мин

Применение

Легированный поликремний

600–650

6–20

Легирование для регулировки механических напряжений и проводимости. Используется в тонкоплёночных фотоэлектрических элементах, резисторах, затворах МОП-транзисторов, тонкоплёночных транзисторах на основе аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H), ячейках DRAM, заполнении канавок (trench fill), эмиттерах биполярных транзисторов. Легированный поликремний обладает достаточной проводимостью для использования в межсоединениях, электростатических устройствах и пьезорезистивных тензодатчиках. Популярный материал в МЭМС.

Аморфный кремний

500–550

1–3 нм/мин

Некристаллическая форма кремния, используемая в солнечных элементах.

Поликремний

580–850

6–20 нм/мин

Структуры МЭМС, резисторы, затворы МОП-транзисторов, ячейки DRAM, заполнение канавок, эмиттеры биполярных транзисторов, солнечные элементы.

Эпитаксиальный кремний

830–950

3–15 нм/мин

Микроэлектронные приборы, эмиттеры солнечных элементов.

Низкотемпературный оксид (LTO)

400–650

15–22,5 нм/мин

Жертвенные слои, маски для диффузии, маски для ионной имплантации, маски для травления, изоляция, пассивация.

Высокотемпературный оксид (HTO)

800–900 °C

5–10 нм/мин

Флэш-память, изоляция мелких канавок (STI – Small Tench Insulation), спейсеры на боковых стенках, межполикремниевые диэлектрики.

Нитрид кремния

800–840

3–4,5 нм/мин

Структуры МЭМС, диффузионные барьеры, пассивирующие слои, маски для окисления, маски для травления, маски для ионной имплантации, изоляция, герметизация, механическая защита, подзатворные диэлектрики, оптические волноводы, стоп-слои для химико-механической планаризации и травления.

Оксинитрид кремния

770–910

1,5–8 нм/мин

Оптические волноводы, регулируемый температурный коэффициент расширения, пассивация, просветляющие покрытия.

Кремний-германий

350–550

7–13 нм/мин

ВЧ-резонаторы, гетеробиполярные транзисторы, КМОП-транзисторы, термоэлектрические устройства, ВЧ-переключатели и различные электронные приборы

Поликристаллический карбид кремния

700–900

6–9 нм/мин

МЭМС для работы при высоких температурах и в агрессивных средах, силовые приборы, резонаторы, пассивация

Оксид TEOS (TEOS-оксид)

625–725

15–25 нм/мин

Диэлектрические и изолирующие слои, материалы жёстких масок (hard mask), оптические волноводы

Толщина плёнок может составлять от нескольких нанометров до нескольких микрометров в зависимости от применения; при этом с хорошей конформностью и равномерностью. Основным механизмом осаждения в LPCVD является термическое разложение газофазного реагента на поверхности пластины. Выбор реагента зависит от осаждаемого материала, но для кремнийсодержащих материалов наиболее распространены силан (SiH4) и дихлорсилан (SiH2Cl4). Часто добавляется дополнительный газофазный реагент, такой как NH3 или N2O, для получения SiNₓ или SiO2. Для протекания этих реакций температура поверхности пластины должна находиться в диапазоне 350–950 °C. Газы адсорбируются на поверхности пластины, формируя тонкую плёнку SiNₓ или SiO2, при этом с поверхности выделяются побочные продукты в виде летучих газов.

Для достижения требуемых температур обычно используются трубчатые печи. Горизонтальные печи, более распространённые благодаря удобству ручной загрузки, за последние 20 лет были вытеснены вертикальными автоматическими системами, обеспечивающими лучшие чистоту и равномерность осаждения по пластинам. Низкая скорость осаждения в LPCVD при длительных циклах нагрева и охлаждения компенсируются возможностью обработки больших партий пластин. Современные печи позволяют загружать до 175 пластин за один цикл, что увеличивает производительность и снижает себестоимость одной пластины на данном этапе.

В типовом технологическом процессе температура кварцевой трубы реактора печи поддерживается на уровне 400 °C. После того как кварцевая лодка с пластинами вводится в процессную зону, происходит откачка реактора, и температура поднимается до заданного значения. Затем подаются технологические газы для осаждения, и плёнки растут со скоростью несколько нанометров в минуту. После осаждения труба продувается, затем вакуумируется, а температура снижается до тех же 400 °C. Каждый цикл роста и снижения температуры составляет от 60 до 90 минут. На завершающем этапе труба реактора продувается, и лодка с пластинами извлекается для охлаждения до температуры ниже 100 °C перед выгрузкой пластин.

По мере осаждения материала на стенках трубы реактора также образуется плёнка, при последующих процессах из-за перепадов температур в ней возникают собственные напряжения, которые вызывают отслаивание и образование частиц. Это ограничивает количество последовательных циклов, поскольку требуется замена трубы и оснастки для очистки. Каждая замена выводит систему из эксплуатации на 4–6 часов, после чего может потребоваться настройка рецептов. Контрольные пластины равномерно распределяются по лодке, загружаются в печь и проходят весь цикл по рецепту. Затем эти пластины проверяются путем измерений, полученные значения анализируются, при необходимости параметры рецепта корректируются, прежде чем печь будет готова к производству. Были разработаны реакторы с холодными стенками и усовершенствованы материалы и покрытия внутренних стенок труб, которые продлевают время между чисткой.

Преимущество LPCVD является и его самым серьёзным ограничением — температура. Высокая температура процесса может превышать пределы нагрева некоторых материалов, вызывать замыкание контактов и потенциально приводить к нежелательной диффузии легирующих примесей в пластину. Поэтому в некоторых случаях проводят предварительную обработку пластин методом LPCVD до процессов формирования КМОП или других чувствительных к температуре операций, но это не всегда возможно.

Несмотря на ограничения из-за температурного режима, из длинного списка применений очевидно, что LPCVD до сих пор является востребованной технологией. Плёнки LPCVD отличаются хорошими равномерностью, плотностью, комформностью и высоким значением напряжения пробоя. Эти плёнки обычно имеют низкое содержание водорода (что часто является желательной характеристикой), низкую скорость травления в жидких травителях и хорошие оптические свойства.
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ (PECVD)
Благодаря применению плазмы к газообразным реагентам многие материалы могут осаждаться при значительно более низких температурах, чем при стандартном LPCVD. Плазма служит средством подвода энергии, благодаря которому эффективно снижается энергетический барьер активации процесса осаждения плёнки. При более низком барьере активации реакция может протекать быстрее при более низкой температуре пластины.

Плазма может генерироваться во многих конфигурациях, но для PECVD чаще всего это делается путём введения газов-реагентов между двумя параллельными электродами — такая конфигурация часто называется ёмкостно-связанной плазмой (CCP). ВЧ-мощность подаётся на верхний электрод, который также служит распределительной панелью (Showerhead) для ввода газа. Нижний электрод заземлён и выполняет функцию нагреваемого столика для пластины. Типовые процессы PECVD проводятся в диапазоне температур 250–350 °C. Хотя большинство PECVD-систем являются однопластинными, они могут быть масштабированы для обработки нескольких пластин.

В основе плазменного осаждения лежат те же принципы, что и в плазменном травлении, с той разницей, что плёнка осаждается, а не удаляется. Процесс PECVD включает следующие пять основных этапов:

  1. Подача газов.
  2. Ускорение электронов инициирует плазму с каскадной цепной реакцией, генерирующей всё больше свободных электронов. Взаимодействие электронов с газами-реагентами вызывают диссоциацию и образование ионов.
  3. Транспортировка активных частиц к поверхности пластины.
  4. Реакция на поверхности пластины. Свойства плёнки (например, показатель преломления, содержание водорода) определяются этими поверхностными реакциями. Побочные продукты реакции выделяются и откачиваются в стационарном режиме.
  5. Завершение процесса по достижении требуемой толщины плёнки. Большинство процессов управляется по времени, но существуют методы контроля и управления толщиной плёнки in situ.
Поперечное сечение конструкции типичного PECVD-реактора показано на рисунке 2. Как и в случае LPCVD, необходимо соблюдать осторожность при обращении с газами, поскольку распространённый прекурсор SiH4 является пирофорным. Для равномерной подачи реагентов к пластине необходима тщательно продуманная конструкция распределительной панели и распределённого вакуумного коллектора, поскольку потоки технологических газов и давление находятся в вязкостном режиме течения. Давление регулируется с помощью обратной связи между манометром и регулируемым дроссельным клапаном. Одним из отличий между процессами PECVD и травления является система откачки. В то время как камеры травления обычно работают при давлении <100 мТорр и расходе технологических газов <100 стандартных кубических сантиметров в минуту (sccm), типичные условия PECVD - давление около 1000 мТорр и расход газа в несколько тысяч sccm. Соответственно, камеры травления оснащаются турбомолекулярными насосами, тогда как в PECVD-системах используются бустерные насосы.

Распределительная панель также служит верхним электродом, который подключён к ВЧ-источнику питания и ВЧ-согласующему устройству. Большинство PECVD-систем работают на частоте 13,56 МГц. Существуют и другие частоты, которые могут использоваться как отдельно, так и совместно с 13,56 МГц. Наиболее распространённая двухчастотная (также известная как дуальная) схема — это комбинация 13,56 МГц и импульсной частоты 380 кГц. Конфигурация плазмы с параллельными пластинами считается низкоплотной. При отсутствии магнитного поля, которое заставляло бы электроны двигаться по более сложным траекториям, позволяя им взаимодействовать с большим количеством реагентов, плотность ионов ниже, чем в конфигурациях с магнитным полем.
Рисунок 2: Базовая конфигурация PECVD-реактора.
После того как пластина загружена в технологическую камеру, её температура быстро стабилизируется на уровне температуры нижнего электрода. После этого короткого (< 2 мин) этапа стабилизации подаются газы и зажигается плазма. При необходимости используется шлюзовая загрузочная камера (load lock) для изоляции технологической камеры от внешней среды.

В отличие от LPCVD, в PECVD может использоваться дополнительная плазменная очистка in situ для периодического удаления осаждённого материала с внутренних поверхностей камеры. При введении соответствующего фторсодержащего газа (например, SF6 с N2O) в плазменных условиях внутренние поверхности камеры могут быть эффективно и быстро очищены от осаждений. Частота проведения таких циклов очистки зависит от конструкции камеры и типа осаждаемых плёнок. Очистка обычно выполняется после осаждения каждых нескольких микрометров плёнки в зависимости от режима использования. Ручная очистка с вскрытием камеры может требоваться не чаще одного раза в 6–12 месяцев.

Как показано в таблице 2, для PECVD по сравнению с LPCVD характерны более низкие температуры и более высокие скорости осаждения. Более низкие температуры не позволяют осаждать поликремний, эпитаксиальный кремний, кремний-германий и поликристаллический карбид кремния, поскольку эти материалы обладают определённой степенью кристалличности, что требует высокой температуры.
Таблица 2.

Материал

Типичная температура

Типичная скорость осаждения*

Типичное применение

Аморфный кремний и легированный a-Si

250–300 °C

10–20 нм/мин

Некристаллическая форма кремния, используемая в фотоэлектрических элементах и тонкоплёночных транзисторах ЖК-дисплеев.

Оксид кремния

200–450 °C

50–500 нм/мин

Герметизация, МЭМС, материалы жёстких масок

Оксидные стёкла – BPSG, BSG, PSG

350–450 °C

50–100 нм/мин

Низкотемпературные оксиды используются в качестве жертвенных слоёв, масок для диффузии, масок для ионной имплантации, масок для травления, изоляции, пассивации и компенсации механических напряжений.

Нитрид кремния

200–350 °C

20–150 нм/мин

Структуры МЭМС, диффузионные барьеры, пассивирующие слои, маски для окисления, маски для травления, маски для ионной имплантации, изоляция, герметизация, механическая защита, вакуумно-плотная герметизация, подзатворные диэлектрики, оптические волноводы, стоп-слои для CMP и травления, компенсация механических напряжений.

Оксинитрид кремния

250–350 °C

20–150 нм/мин

Оптические волноводы, пассивация, просветляющие слои.

Карбид кремния

300–400 °C

10–30 нм/мин (>180 нм/мин возможно)

МЭМС для работы при высоких температурах и в агрессивных средах.

Оксид TEOS (TEOS-оксид)

200–350 °C

15–25 нм/мин

Диэлектрические слои, изолирующие слои, материалы жёстких масок, изоляция сквозных кремниевых переходов, оптические волноводы.

Алмазоподобный углерод (DLC)

20–40 °C

50–100 нм/мин

Защита от абразивного износа

* Более высокие скорости достижимы при использовании чистого SiH4, однако по соображениям безопасности часто применяется предварительно приготовленная смесь в инертном газе-носителе.
Химическое осаждение из паровой фазы с индуктивно связанной плазмой
HDPCVD представляет собой особую форму PECVD, в которой используется источник с индуктивно связанной плазмой (ICP), позволяющий генерировать более высокую плотность плазмы по сравнению со стандартной PECVD-системой. Конфигурация с индуктором создаёт магнитное поле, заставляющее свободные электроны двигаться по спиралевидной траектории и взаимодействовать с большим количеством газовых частиц. Вторым важным отличием между обычными PECVD-установками и HDPCVD является то, что в конфигурации HDPCVD предусмотрена возможность подачи смещения на пластину. В PECVD-реакторе, где ВЧ-мощность подаётся на верхний электрод, смещение формируется на этом электроде, тогда как в системе HDPCVD ВЧ-мощность подаётся на электрод, на котором размещена пластина.

Рабочий диапазон HDPCVD-систем аналогичен таковому в системах травления: давление ~10–30 мТорр, суммарный расход газов < 100 sccm. Регулирование давления осуществляется аналогично PECVD с помощью обратной связи между манометром и регулируемым дроссельным клапаном. Более низкое давление и меньший расход газа требуют использования турбомолекулярного насоса вместо бустерного. В этом режиме работы преобладает молекулярное течение, и необходимость в распределительной панели (showerhead) отсутствует. Поперечное сечение HDPCVD-системы показано на рисунке 3.

Возможность использования индуктивно генерируемой плазмы позволяет применять другие газы по сравнению с PECVD. Если в PECVD для получения нитрида кремния используются SiH4 и NH3, а для получения диоксида кремния — SiH4 и N2O, то в HDPCVD NH3 может быть заменён на N2, а N2O — на O2. Низкоплотная плазма PECVD требует использования NH3 из-за меньшей энергии разрыва связей для высвобождения азота. Хотя N2 может использоваться и в PECVD, технологическое окно при этом уже, поскольку сложно разорвать прочную связь в молекуле N2 и получить свободный азот. Высокоплотная плазма HDPCVD обеспечивает достаточную диссоциацию N2. Как следствие, при отсутствии NH3 в плёнках нитрида кремния содержится меньше связей N–H.

Благодаря тому, что в HDPCVD газовые потоки находятся в молекулярном течении и нет необходимости в распределительной панели для обеспечения вязкостного течения, O2 и SiH4 подаются отдельно.

Рисунок 3: Компоненты HDPCVD-системы.

Для ВЧ-блока в ICP обычно используются частоты 2 МГц или 13,56 МГц. При 2 МГц ёмкостная связь меньше, что приводит к меньшему ионному распылению диэлектрической катушки (см. рисунок 3). Электрод, на котором расположена пластина, чаще всего смещается на частоте 13,56 МГц. Подача ВЧ-мощности на электрод пластины создаёт смещение, которое ускоряет ионы по направлению к пластине. Хотя ВЧ-мощность подаётся на электрод, важным параметром является напряжение постоянного тока смещения (dc bias). Мощность обычно находится в диапазоне 100 Вт, а напряжения смещения составляют от 30 до 200 В. Хотя температура осаждения для HDPCVD может быть значительно ниже, температура электрода-держателя пластины всё равно требует контроля.

В отличие от PECVD, где пластина просто находится на нагреваемом электроде и достигает теплового равновесия благодаря наличию технологического газа между пластиной и электродом, в HDPCVD пластина должна быть закреплена на электроде механическим зажимом. Зазор между пластиной и электродом заполняется гелием с обратной стороны (backside helium), который служит средой для теплопередачи. Поскольку давление в камере составляет десятки миллиторр, а давление гелия с обратной стороны — 4–8 Торр, пластина удерживается на месте. Без такой системы зажима и гелия с обратной стороны ионная бомбардировка, вызванная смещением, может привести к тому, что температура пластины превысит желаемые значения.
LPCVD vs. PECVD vs. HDPCVD
Хотя технологии PECVD и HDPCVD являются плазмохимическими, что позволяет рассматривать HDPCVD как особую подкатегорию плазмохимического осаждения, они имеют принципиально разные аппаратные решения и технологические режимы, что приводит к существенно разным характеристикам осаждаемых материалов.

При сравнении трёх технологий в таблице 3 становится очевидным, что плазменные аспекты трёх подходов значительно различаются: LPCVD не использует плазму, PECVD работает с низкоплотной плазмой, а ICP — с высокоплотной плазмой. Это является основной причиной различий в температурных режимах их работы.

Эти различия в генерации плазмы обусловливают и другие отличия, такие как режим давления. Как отмечалось ранее, PECVD работает при давлении более чем в 50 раз выше, чем HDPCVD. Хотя ICP может работать при давлении в сотни миллиторр, природа процесса с высокоплотной плазмой может приводить к образованию частиц.

Как видно из таблицы, расходы газов существенно различаются, что с аппаратной точки зрения влечёт за собой разные режимы откачки. Высокие расходы газов в LPCVD и PECVD необходимы для обеспечения достаточного количества реагентов, а поскольку процессы протекают в вязкостном режиме течения, необходимо учитывать газодинамику. Это требует тщательного проектирования систем подачи газов и использования вакуумных насосов с высокой производительностью (пропускной способностью) по откачке, но не ориентированных на обеспечение сверхнизкого остаточного давления. Напротив, HDPCVD с более низким рабочим давлением и меньшим расходом газа работает в молекулярном режиме течения и требует характеристик турбомолекулярных насосов, обеспечивающих более низкое остаточное давление.
Таблица 3.

Параметр

LPCVD

PECVD

HDPCVD

Диапазон температур

Типичный: 400–900 °C

SiO2:

300–500 °C (SiH4)

650–750 °C (TEOS)

~900 °C (SiH2Cl2)


SiNₓ:

Может потребовать создания температурных и/или газовых градиентов для обеспечения однородности внутри партии

200–350 °C

< 200 °C

Загрузка

Загрузка при атмосферном давлении с нагревом перед процессом и циклом охлаждения в течение нескольких часов.

Открытая или ручная загрузка для НИОКР.

Шлюзовая камера для изоляции технологического модуля от атмосферы

(НИОКР, прототипирование, мелкосерийное производство).

Полная автоматизация с обработкой кассетами (кассета–кассета) для крупносерийного производства.


Открытая или ручная загрузка для НИОКР.

Шлюзовая камера для изоляции технологического модуля от атмосферы

(НИОКР, прототипирование, мелкосерийное производство).

Полная автоматизация с обработкой кассетами (кассета–кассета) для крупносерийного производства.

Зажим пластины

Нет

Нет

Требуется (для гелия с обратной стороны)

Размер пластин

До 12″ (300 мм)

До 12″ (300 мм); также доступны форматы для плоских панелей

До 12″ (300 мм), но из-за сложностей с равномерностью чаще используются ≤ 8″ (200 мм)

Обработка партии

Кассеты (до 150 пластин). Трубчатые и плоскостные конструкции.

Наилучшие характеристики – на одной пластине, но для пластин ≤ 4″ часто используется партийная обработка. Размер партии определяется габаритами электродов.

Сложно реализуема из-за необходимости гелия с обратной стороны

Плазменная конфигурация

Отсутствует

Низкоплотная плазма с параллельными пластинами. Обычно 13,56 МГц. Часто добавляется ~400 кГц.

Высокоплотная плазма ICP. Обычно 2 МГц или 13,56 МГц.

Смещение на пластине (частота)

Нет

Нет

Да

Контроль конечной точки

Недоступен

OES для очистки; лазерная интерферометрия или оптическая интерферометрия конечной точки (OEI) для контроля толщины и скорости осаждения в реальном времени.

OES для очистки; лазерная интерферометрия или оптическая интерферометрия конечной точки (OEI) для контроля толщины и скорости осаждения в реальном времени.

Суммарный расход газов

200–500 sccm

1000–3000 sccm

100–200 sccm

Режим течения газа

Вязкостный режим. Газ подаётся с торца трубчатой печи, откачка с противоположного конца. Может потребоваться распределённая подача газа.

Вязкостный режим. Распределительная панель (showerhead) для равномерной подачи и распределённые порты откачки для равномерного потока.

Молекулярный режим. Подача газа в верхней части камеры и через газовое кольцо вблизи поверхности пластины.

Газы

SiH4, SiH2Cl2, TEOS, N2O, O2, NH3.

NH3 для SiNₓ, N2O для оксидов. Концентрация SiH4 от 2% до 100% (2% и 5% распространены по соображениям безопасности). TEOS.

Концентрация SiH4 от 25% до 100%. N2 или NH3 для SiNₓ, O2 или N2O для SiO2. H2 для аморфного кремния. TEOS.

Насосы

Бустерный насос

Бустерный насос

Турбомолекулярный насос

Остаточное давление

Обычно ~1×10-² Торр

Обычно ~1×10-² Торр

Обычно ~1×10-⁶ Торр

Рабочее давление

200–400 мТорр

500–5000 мТорр

5–30 мТорр

Периодичность обслуживания

Ручная очистка каждые 2–4 мкм осаждённой плёнки.

Плазменная очистка каждые 2–4 мкм осаждения. Скорость очистки 0,1–0,3 мкм/мин. Ручная очистка (~4 часа) каждые ~3–6 месяцев в зависимости от интенсивности использования.

Плазменная очистка каждые 2–4 мкм осаждения. Скорость очистки 0,1–0,3 мкм/мин. Ручная очистка (~4 часа) каждые ~3–6 месяцев в зависимости от интенсивности использования.

Занимаемая площадь

Вертикальные и горизонтальные исполнения. Зависит от размера пластин и объёма партии.

Зависит от размера пластин и объёма партии. Может варьироваться от настольных до кластерных систем с несколькими камерами.

Обычно 1–2 м² для систем с кассетной загрузкой, кластерных или однопластинных. Зависит от конфигурации.

СРАВНЕНИЕ СВОЙСТВ ПЛЁНОК
Важно отметить, что свойства плёнок — электрические, оптические и структурные — являются чувствительной функцией технологических параметров. Оценка качества основывается на этих свойствах. Часто желательно получать стехиометрические плёнки с высоким электрическим пробоем, низким содержанием водорода и низкими механическими напряжениями.

В таблице 4 основное внимание будет уделено плёнкам, которые наиболее часто используются в полупроводниковой промышленности и обработке материалов (SiNₓ и SiO2), а также их типичным требуемым характеристикам. Используя таблицу в качестве ориентира, мы постараемся с помощью примеров более чётко определить, что означают такие качественные термины, как «хороший» или «отличный». Значения, приведённые в таблице 4, представляют собой диапазон возможных значений, когда идут на компромиссы ради других свойств плёнки.
Таблица 4.

Параметр

LPCVD

PECVD

HDPCVD

Скорость осаждения

SiNₓ: ~2–3 нм/мин

SiO2: ~5 нм/мин

SiNₓ: 10–200 нм/мин

SiO2: 10–800 нм/мин

SiNₓ: 10–150 нм/мин

SiO2: 10–150 нм/мин

Скорость травления в жидких травителях

Отлично

Хорошо (уменьшается примерно на 75% при добавлении низкой частоты)


Превосходно (при более низких температурах)

Контроль механических напряжений

SiNₓ: 0 ± 50 МПа в отдельных процессах с тонкой настройкой, но обычно >200 МПа (>1000 МПа при ~750 °C, зависит от температурного режима)

SiO2: обычно 0 ± 100 МПа

Контроль напряжений от пластины к пластине часто затруднён.


SiNₓ: хороший контроль с помощью нескольких методов, наиболее распространены разбавление гелием и низкая частота (LF).

Диапазон: от +300

МПа до –1 ГПа

(типично 0 ± 100 МПа).

SiO2: ~ –200 МПа ± 200


SiNₓ: от ~50 МПа до ~2 ГПа

SiO2: от 0 до ~ –500 МПа

Стехиометрия

Отлично

Очень хорошо

Очень хорошо

Показатель преломления

Отлично

Очень хороший контроль:

SiNₓ: 1,90–2,10

SiO2: 1,43–1,49

Очень хорошо:

SiNₓ: 1,90–2,10

SiO2: 1,43–1,49

Содержание водорода

Обычно <5%

SiNₓ: ~15–25%

SiO2: <5%

SiNₓ: ~5–15%

SiO2: <5%

Равномерность (по пластине)

Отлично для пластин до 12″ (300 мм): <3% при 3σ (исключая край 3 мм)

Отлично для пластин до 12″: <3% при 3σ

Очень хорошо для пластин до 6″ (150 мм): <5% при 3σ

Напряжение пробоя

SiNₓ: до ~10 МВ/см

SiO2: до ~8 МВ/см

SiNₓ: до ~8 МВ/см

SiO2: до ~8 МВ/см

SiNₓ: до ~8 МВ/см

SiO2: до ~8 МВ/см

Конформность

Наилучшее

Хорошее

Лучшее

Заполнение канавок (trench fill)

Очень хорошо (на основе TEOS)

Ограничено (аспектное отношение ≤ ~0,5:1 на основе SiH4)


Скорости осаждения существенно различаются между тремя технологиями. LPCVD часто ограничен несколькими нанометрами в минуту. Основной стратегией компенсации этой относительно низкой скорости осаждения является партийная обработка (до 100 пластин за цикл). Для PECVD конкретная конфигурация камеры и рабочие параметры могут сильно влиять на достижимые скорости осаждения. Многие исследователи и некоторые производственные предприятия ограничивают концентрацию силана до 2–5%, что, в свою очередь, ограничивает скорость осаждения. В промышленности чаще используют 100% SiH4, и, как и следовало ожидать, это позволяет достигать более высоких скоростей осаждения. Конструкция системы и оборудование также могут влиять на скорость осаждения. Некоторые системы разработаны для точного контроля тонких плёнок, в то время как для других применений, требующих более толстых плёнок, могут использоваться иные конструктивные решения. Для HDPCVD требования к низкому давлению настоятельно рекомендуют использовать 100% SiH4 для обеспечения технологического окна. Использование более низких концентраций ограничивает эффективность процессов, требуя большего расхода газа для подачи реагентов, что вступает в противоречие с низким рабочим давлением.

Скорость травления в жидких травителях часто используется как показатель качества плёнки. Для рассматриваемых трёх методов осаждения наблюдается существенная разница. Традиционно считается, что более низкая скорость травления обусловлена лучшей стехиометрией, меньшим содержанием водорода и более высокой плотностью плёнки. Это утверждение не совсем точно: более низкая скорость травления не обязательно напрямую указывает на стехиометричность плёнки. Прежде чем описывать различия в поведении, полезно определить методику измерений. Измерение скорости травления в жидких травителях предполагает использование раствора плавиковой кислоты (HF) известной концентрации, буферного HF или буферного травителя оксидов (BOE) при известной температуре. (Изменение температуры раствора BOE всего на несколько градусов может существенно повлиять на скорость травления.)

На рисунках 4 и 5 показаны скорости травления в жидких травителях в зависимости от температуры осаждения для PECVD и HDPCVD для SiO2 и SiNₓ соответственно. Для обеих технологий осаждения наблюдается сильная температурная зависимость. В HDPCVD способность использовать ускоренные ионы благодаря смещению является причиной более низкой скорости травления при более низкой температуре. Ионная бомбардировка уплотняет плёнки и разрывает часть связей Si–H, что приводит к снижению концентрации водорода. В PECVD при использовании низкой частоты (LF) можно получать плёнки с более низкими скоростями травления, но этот эффект, как правило, менее выражен, чем при использовании потока ионов, генерируемого ICP со смещением в HDPCVD.

Рисунок 4: Скорость травления SiO2 в буферном HF.

Рисунок 5: Скорость травления SiNₓ в буферном HF.

Механические напряжения в плёнке (film stress), являющиеся важным механическим свойством, могут контролироваться и регулироваться с помощью ионной бомбардировки, независимо от того, создаётся ли ионная бомбардировка добавлением низкой частоты (LF) в PECVD или смещением на пластине в HDPCVD. Возможность регулировки напряжений зависит от конкретного применения. Примеры включают плёнки, которые компенсируют изгиб пластины, возникающий на других технологических этапах, или плёнки с низкими напряжениями для применений с толстыми плёнками, таких как герметизация при корпусировании. Воздействие высокоэнергетических ионов неизменно приводит к сжатию плёнки (компрессионные напряжения). Один из способов использования низкочастотной мощности для контроля напряжений в PECVD проиллюстрирован на рисунке 6. Он заключается в наложении низкочастотной составляющей на существующую высокочастотную мощность. Регулировка времени включения и выключения LF-импульсов изменяет коэффициент заполнения LF. Пример на рисунке 7 соответствует температуре осаждения 330 °C, определённой ВЧ-мощности и давлении. Плёнки SiNₓ, осаждённые в PECVD с использованием ВЧ без LF, как правило, являются растягивающими (тензорными) при большинстве расстояний между электродами и в большинстве режимов осаждения. При коэффициенте заполнения 0% (LF выключена) плёнка SiNₓ имеет растягивающие напряжения, и по мере увеличения доли времени, в течение которого LF включена за цикл, плёнка SiNₓ проходит через точку нулевых напряжений и становится сжимающей. Для данного конкретного набора условий (давление, температура, расходы, ВЧ-мощность) эта точка достигается при коэффициенте заполнения ~35%. Уровни LF-мощности зависят от различных параметров рецепта и геометрии камеры, но обычно находятся в диапазоне 40–80 Вт.

Рисунок 6: Использование низкочастотной (LF) мощности в PECVD для управления механическими напряжениями.

Рисунок 7: Зависимость механических напряжений в плёнке нитрида кремния от коэффициента заполнения LF в PECVD.

Одним из потенциальных недостатков добавления LF (низкочастотной составляющей) с её дополнительной ионной компонентой является возможность индуцирования повреждений в чувствительных приборах. Пример возможности повреждения, вызванного LF, показан в работе Tan и соавт. [ссылка 2]. В этой работе было доказано, что сжимающая плёнка SiNₓ, сформированная с применением НЧ, вызвала очень значительные необратимые повреждения на GaN HЕМТ-транзисторе (транзисторе с высокой подвижностью электронов на основе нитрида галлия).

Альтернативный метод регулировки механических напряжений был исследован в середине 1980-х годов [ссылка 3]. В этой работе было показано управление напряжениями в плёнках SiNₓ, осаждённых методом PECVD, путём регулирования разбавления газа-носителя N2 гелием.

На рисунке 8 представлен пример, демонстрирующий подход с добавлением He для контроля напряжений. В отсутствие гелия (крайнее правое положение на оси X) плёнки SiNₓ имеют растягивающие (тензорные) напряжения. При движении влево с увеличением процентного содержания He напряжения смещаются в сторону сжимающих, проходя через область нулевых напряжений. Показано несколько различных уровней мощности, так как существуют различия в применениях, требующих разной толщины плёнок и разной мощности осаждения для обеспечения соответствующих скоростей осаждения.


Рисунок 8: Управление механическими напряжениями в плёнках SiNₓ, осаждённых методом PECVD, с помощью разбавления гелием.

В работе Tan и соавт. [ссылка 2] было проведено сравнение повреждений при использовании LF и разбавления гелием на приборе GaN HEMT. Их результаты наглядно показали эффективность применения разбавления гелием по сравнению с LF.

Работа, выполненная Лободой и Сайферли [ссылка 4], позволяет предположить, что усиленная генерация ионов азота в гелиевой плазме увеличивает включение азотных связей в плёнку. Авторы предполагают, что увеличение числа связей с азотом приводит к расширению объёма и, соответственно, к росту сжимающих напряжений в плёнке. Хотя в работах Джонсона [ссылка 3], а также Маккензи и соавт. [ссылка 5] было показано присутствие N2 в плазме на основе LF и в плазме на основе He с N2 (рисунок 9), роль N2 во влиянии на механические напряжения остаётся неясной.

Рисунок 9: Спектры оптической эмиссии при сравнении плазмы N2 на низкой частоте (LF), плазмы N2 на высокой частоте (HF) и плазмы N2/H2 на высокой частоте (HF). [ссылка 5]

Распределение ионов по энергиям на низкой частоте имеет большую дисперсию и более высокую концентрацию высокоэнергетических частиц по сравнению с использованием только высокой частоты, как в случае разбавления гелием.

Часто возникает вопрос о включении гелия в плёнки и о стабильности таких плёнок. Будучи химически инертным и обладая малой массой, He не известен тем, что захватывается в плёнках, полученных методом PECVD, и авторам не известно о сообщениях, в которых He влиял бы на стабильность плёнок. Хотя имеются некоторые данные о влиянии ионов гелия (He+) на приборы, о чём сообщается в работе Сиуорда и соавт. [ссылка 6], это относится к плазменной системе со смещением на пластине, которое ускоряло He+ по направлению к пластине. При отсутствии смещения на пластине, как в типичных конфигурациях PECVD, считается, что He+ не представляет проблемы.

Плёнки SiO2, осаждённые методом PECVD, по своей природе являются сжимающими, и только при определенных технологических параметрах и в ущерб другим свойствам плёнки их можно сделать слегка растягивающими (до ~100 МПа). В типичных технологических условиях плёнки имеют сжимающие напряжения в несколько сотен мегапаскалей. Плёнки могут быть сделаны слабосжимающими при высоких скоростях осаждения или относительно низких температурах (<~150 °C), но с тем следствием, что такие плёнки имеют более высокие скорости травления в жидких травителях. Добавление LF-мощности делает плёнки SiO2 более сжимающими и снижает скорость травления. Работа, приведённая в [ссылке 5], посвящённая контролю напряжений в кремнийсодержащих диэлектрических плёнках PECVD, имеет отношение к данной теме.

В HDPCVD ионная бомбардировка сильно влияет на механические напряжения как для SiNₓ, так и для SiO2. При небольшом смещении на пластине напряжения в SiNₓ быстро смещаются от почти нулевых к сжимающим. Аналогично, для SiO2 сжимающие напряжения увеличиваются с ростом ионной бомбардировки. На рисунке 10 показано влияние смещения на напряжения в SiO2. Учитывая, что многие задачи HDPCVD связаны с использованием ионной бомбардировки, необходимо быть готовым к компромиссам между контролем напряжений и скоростью травления. Компромиссы между характеристиками плёнок являются фундаментальной частью технологического процесса.

Рисунок 10: Пример зависимости механических напряжений в SiO2, осаждённом методом HDPCVD, от мощности смещения.

Плёнки LPCVD имеют относительно низкие напряжения. Однако контроль напряжений от пластины к пластине в большой партии может быть затруднён и требует распределённой подачи газа вдоль печи и/или использования градиентов температуры.

Содержание водорода может существенно варьироваться между тремя технологиями. Большая часть водорода в плёнках поступает из прекурсора SiH4. Для SiNₓ в PECVD, поскольку источником азота является NH3, он также может быть источником водорода. Температура играет роль в снижении содержания водорода, как показано на рисунке 11. Более высокие температуры, используемые в LPCVD, могут значительно снизить содержание водорода в плёнках. На рисунке 11 показаны спектры, полученные с помощью Фурье-ИК-спектроскопии (FTIR), для плёнок SiNₓ, осаждённых методом PECVD при различных температурах. Качественно спектры демонстрируют сильное влияние температуры на включение водорода: при более высоких температурах водорода меньше.

Рисунок 11: Связывание водорода и сильная зависимость включения H в SiNₓ от температуры осаждения.

Ещё одним фактором, влияющим на содержание водорода в плёнках, является ионная бомбардировка, характерная для HDPCVD, что показано на рисунке 12. Используя отношение полос растяжения Si–N к Si–H и N–H для PECVD (пунктирная линия) и HDPCVD (сплошная линия), можно наблюдать значительно более высокие значения этого отношения для HDPCVD, что указывает на меньшее количество связей Si–H и N–H. В литературе [ссылка 7] и в данной работе показано, что ионная бомбардировка способствует удалению водорода из плёнки. HDPCVD также позволяет снизить содержание водорода за счёт использования N2 в качестве источника азота вместо NH3. В PECVD NH3 используется как источник азота для SiNₓ, поскольку в низкоплотной плазме легче разорвать связи N–H.

Рисунок 12: Сравнение FTIR-спектров плёнок SiNₓ, осаждённых методами PECVD и HDPCVD.

Аналогичное поведение наблюдается и для SiO2, где ионная бомбардировка позволяет снизить содержание водорода. Сиуорд и соавт. [ссылка 7] отметили, что для уменьшения содержания водорода необходимо высокое отношение потока ионов к потоку реагентов, участвующих в осаждении. Компромиссы включают увеличение сжимающих напряжений и снижение скорости осаждения из-за более интенсивного распыления и уплотнения плёнки. SiO2, если только он не получен с нарушениями, всегда имеет относительно низкое содержание водорода, поскольку кремний предпочтительно связывается с кислородом, а не с водородом. Наблюдаемый водород связан с кислородом, как показано на рисунке 13. Используемый метод анализа — FTIR — позволяет обнаружить только связанный водород. Качественно очевидно, что температура играет роль в содержании связанных OH-групп. В качестве общего ориентира: плёнки SiNₓ, полученные методом PECVD, содержат 15–25% водорода, который связан либо с азотом, либо с кремнием. Для HDPCVD доля водорода составляет примерно 5–15%.

Рисунок 13: FTIR-спектры SiO2, осаждённого методом PECVD, в зависимости от температуры.

Рисунок 14: Осаждение SiNₓ методом PECVD на структурах с различными аспектными отношениями, приводящее к образованию пустоты.

Конформность плёнок существенно различается для трёх рассматриваемых методов. Относительно высокие температуры LPCVD обеспечивают достаточную подвижность поверхностных атомов, благодаря чему плёнки получаются конформными. В PECVD более низкие температуры и высокие давления (короткая средняя длина свободного пробега) приводят к усиленному осаждению на углах топологических структур. Если аспектное отношение структуры (глубина к ширине) и толщина плёнки достаточно велики, образуется пустота (void), как показано на рисунке 14.
Сравнение толщины осаждения на боковой стенке и/или дне структуры с толщиной осаждения на верхней поверхности позволяет количественно оценить конформность. Для SiNₓ и SiO2 при аспектном отношении 2:1 и температуре 300 °C покрытие составляет примерно 60% и 35% соответственно.

HDPCVD благодаря возможности ионной бомбардировки обеспечивает заполнение топологических структур — это одно из наиболее значимых отличий от PECVD. Заполнение канавок (trench fill) или зазоров (gap fill) для структур с аспектным отношением до 3:1 становится возможным благодаря преимущественному распылению материала на углах по сравнению с материалом, осаждаемым на горизонтальных поверхностях. При достаточной толщине слоя структуры могут быть полностью заполнены и практически планаризированы. На рисунке 15 показано несколько примеров для SiO2, иллюстрирующих этот эффект.
Рисунок 15: Осаждение SiO₂ в канавки методом HDPCVD: a) изолированная канавка, b) несколько канавок с аспектным отношением 3:1, заполненных и практически планаризированных, c) несколько канавок с аспектным отношением 1:1, заполненных, d) несколько канавок с аспектным отношением 1:1, заполненных и практически планаризированных.
Хотя осаждение с последующей взрывной литографией (lift‑off) обычно используется как аддитивный процесс для формирования металлических или диэлектрических структур с применением испарительных методов, возможность структурирования плёнок SiNₓ и SiO2 методом HDPCVD без травления может быть привлекательной. Благодаря низкотемпературному и низкодавленному режиму HDPCVD становится возможным использование «lift‑off» осаждения. Низкий температурный диапазон позволяет применять фоторезист в качестве материала для формирования рисунка с соответствующим подтравом для взрывной литографии (с использованием LOR — фоторезиста для взрывной литографии).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основной целью данного технического обзора было представить общий обзор и сравнение методов LPCVD, PECVD и HDPCVD. Хотя обсуждение в основном ограничивалось плёнками SiO2 и SiNₓ, все три технологии осаждения позволяют получать и другие материалы, такие как a-Si, SiOyNₓ, DLC и SiC. Кроме того, плёнки, полученные этими методами, могут быть легированы для расширения их свойств, например, для обеспечения оплавления (например, фосфоросиликатное стекло — PSG), а также для типичного применения с целью регулирования удельного электрического сопротивления.

Второй целью данной работы было подчеркнуть, что HDPCVD — это не просто PECVD с добавлением смещения на пластине. Эти технологии работают в разных режимах давления, разных режимах течения газа и предназначены для разных температурных режимов. Различны также возможности откачки: одна оптимизирована для низкого давления и малых расходов, в то время как другая оптимизирована для значительно более высоких давлений и больших расходов газа. Как следствие этих различий, у каждого подхода есть свои преимущества и недостатки, которые в значительной степени зависят от требований конкретного применения.

ИСТОЧНИКИ
1.  J-J. J. Hajjar, R. Reif, and D. Adler, J. Electron.Mat.15, 279-285 (1986).
2.  W. S. Tan, P. A. Houston, G. Hill, R. J. Airey, and P. J. Parbrook,J. Electron. Mat. 33, 400-407 (2004).
3.  D. J. Johnson, unpublished results.
4.  M. J. Loboda and J. A. Seifferly, J. Mater. Res. 11, 391-398 (1996).
5.  K. D. Mackenzie, D. J. Johnson,M. W. DeVre, R. J. Westerman, B. H. Reelfs,207th Electrochemical Society Meeting, Proc. Symp. Silicon Nitride and Silicon Dioxide Thin Insulating Films & Other Emerging Dielectrics VIII, PV2005-01, 148-159 (2005).
6.  K. L. Seaward and N. J. Moll, J. Vac. Sci. Technol. B 10, 46-52 (1992).
7.  K. L. Seaward, J. E. Turner,K. Nauka, and A. M. E. Nel, J. Vac. Sci. Technol. B 13, 118-124 (1995).


Автор: Сотрудник компании ООО "ТТМ" А. Михайлов