Материаловедческие и технологические основы МНСТ

Перейти в раздел "Научные публикации"

26.06.2017

УДК 53.08                                                                                                         DOI: 10.17587/nmst.19.331-337

Е. Э. Гусев, аспирант, инженер, e-mail: bubbledouble@mail.ru, А. А. Дедкова, инженер, e-mail: my_name9999@mail.ru

Н. А. Дюжев, канд. физ.-мат. наук, директор, e-mail: djuzhev@unicm.ru, Национальный исследовательский университет "МИЭТ", Москва,

А. С. Ковалёв, канд. тех. наук, нач. лаб., АО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург,

А. П. Онуфриенко, начальник участка диффузии и осаждения слоев, e-mail: onufrienko@unicm.ru, АО "Зеленоградский нанотехнологический центр", Москва


ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА PECVD НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОК ДИОКСИДА КРЕМНИЯ


Поступила в редакцию 06.02.2017

Исследованы ключевые параметры пленки оксида кремния: скорость роста, механические напряжения и показатель преломления. Влияние операционных параметров на скорость роста пленки оценивалось по толщине пленки, которая определялась с помощью эллипсометра. Механические напряжения рассчитывали по разработанной авторами ранее методике на основании изгиба пластины. Определены оптимальные операционные параметры для формирования пленок плазмохимического оксида кремния, позволяющие изготавливать малонапряженные структуры материала.

Ключевые слова: механические напряжения, плазмохимическое осаждение из газовой фазы, оксид кремния


Введение

Для электрической изоляции уровней металлизации используется слой оксида кремния. Эта пленка обеспечивает такие свойства, как хорошая адгезия и конформность, поэтому ее можно использовать как межслойный диэлектрик [1]. Механические напряжения в SiO2 влияют на планарность поверхности. Проведение технологических операций реактивно-ионного травления и термо­обработки позволяет изменить поверхность плас­тины, сделав ее более ровной [2]. Однако, управляя механическими напряжениями в процессе форми­рования пленки, можно сократить число операций для подготовки поверхности с требуемым релье­фом. Для достижения результирующего значения механических напряжений, стремящихся к нулю, можно провести операцию осаждения пленки с на­пряжениями сжатия на образец с растягивающими напряжениями (с лицевой стороны). В некоторых случаях операция пассивации поверхности на ли­цевой стороне пластины связана с технологичес­кими сложностями либо отсутствует материал с необходимым знаком напряжений. Один из спосо­бов решения проблемы — осаждение слоя на об­ратную сторону образца.

Для получения пленок SiO2 используются раз­ные методы: 

—  термическое окисление кремния в атмосфере кислорода при атмосферном давлении; 
—  термическое окисление кремния в парах деионизованной воды при атмосферном и повышен­ном давлении; 
—  химическое осаждение из газовой фазы при пониженном давлении (LPCVD); 
—  плазмохимическое осаждение из газовой фазы (PECVD).
Для осаждения диоксида кремния обычно используется реакция силана с закисью азота в плаз­ме [1, 3, 4]:

SiH4 + 2N2O → SiO2 + 2N2 + 2H2.

При осаждении необходимо очень тщательно контролировать многие параметры процесса: час­тоту и мощность разряда, общее давление газовой смеси и парциальное давление реагентов, темпера­туру подложки и скорость откачки, а также опти­мизировать геометрию реактора и внимательно подбирать материал электродов. Следует отметить, что от конструкции реактора сильно зависят пара­метры процесса, так что режим осаждения должен подбираться для каждого реактора индивидуально, что затрудняет сравнение свойств пленок, полу­ченных на различных реакторах [3]. Однако тен­денция зависимостей должна быть идентичной, что и будет представлено в данной работе.

Целью работы было оптимизировать операционные параметры технологического процесса для PECVD оксида кремния, получаемого на установке Novellus, для формирования малонапряженной пленки материала.


Эксперимент

Пленки плазмохимического оксида кремния SiO2 получали методом стимулированного плазмой химического осаждения из газовой фазы (PECVD), из газовой смеси закиси азота N2O, азота N2 и моносилана SiH4 на установке Novellus. Закись азота препятствует зародышеобразованию в газовой фазе, что повышает чистоту осаждаемой пленки. Во всех экспериментах температура осаждения составляла 350 °C. В работе использовался ВЧ генератор часто­той 13,57 МГц с максимальной мощностью 5 кВт.

При проведении процессов варьировались мощность разряда в плазме (400...1450 Вт), давление в реакционной камере (1000...3000 мТорр), расход силана SiH4 (100...400 см3/мин), расход закиси азота N2O (3000...12 000 см3/мин), расход азота N2 (0...3000 см3/мин), общий расход газов (5650... 13 560 см3/мин), время осаждения (50...300 с).

Осаждение проводили на лицевую сторону крем­ниевых пластин КДБ12(100), диаметром 150 мм и толщиной 670 мкм. Толщины осажденных пленок и показатель преломления определяли с помощью эллипсометра Horiba Auto SE. Ранее авторами были разработаны методики измерения механических на­пряжений ơ c помощью профилометра [5] и с использованием растрового электронного микроскопа [6]. В данной работе использовался метод контроля по изгибу пластины посредством оптического профилометра Veeco Wyko NT9300. Методика включает в себя программу, реализующую алгоритм анализа рельефа для вычисления радиуса кривизны поверх­ности в локальной области [7]. Значения радиусов кривизны поверхности подставляются в формулу Стони для вычисления величины ơ. В графиках для каждого случая использовалось среднее ариф­метическое значение ơ по всей пластине.

Авторами проводилось исследование скорости осаждения пленки, показателя преломления, механических напряжений ơ осаждаемой пленки путем изменения операционных параметров процесса.


Исследование влияния мощности разряда в плазме

1.jpg

Вначале было исследовано влияние мощности разряда в плазме на параметры осаждаемой плен­ки. Мощность изменяли от 400 до 1450 Вт при давлении в реакционной камере 2400 мТорр, рас­ходах силана SiH4 300 см3/мин, закиси азота N2O 9500 см3/мин, азота N2 1500 см3/мин, времени осаждения 100 с и температуре подложки 350 °C.

Из рис. 1, а видно, что изменение мощности разряда в плазме не оказывает существенного влияния на скорость роста пленки (пунктирная кривая). Показатель преломления уменьшается при увеличении мощности плазмы и достигает значения 1,46 при мощности плазмы 1100 Вт. Это свидетельствует о том, что при значениях мощности менее 1100 Вт пленка получается нестехиометрической из-за не­полного окисления силана SiH4 и ее насыщения свя­зями Si—H. Из рис. 1, b можно сделать вывод, что с увеличением мощности плазмы механическое на­пряжение сжатия пленки ơ по модулю возрастает. Эта зависимость имеет линейный характер.

Рис. 1. Зависимость характеристик пленки от мощности плазмы: а — скорость роста пленки (пунктирная кривая) и показатель преломления; b — механические напряжения

Исследование влияния давления в реакционной камере

Далее было проведено исследование влияния давления в реакционной камере на параметры пленки. Давление изменяли от 1000 до 3000 мТорр, мощность плазмы — 1100 Вт. Остальные парамет­ры процесса остались прежними.

Из рис. 2 видно, что изменение давления ока­зывает большое влияние на скорость осаждения, показатель преломления и механические напряже­ния осаждаемой пленки. С ростом давления увели­чивается скорость роста пленки (пунктирная кри­вая), достигая максимума при давлении 2400 мТорр. Зависимость показателя преломления от давления аналогична зависимости показателя преломления от мощности плазмы: при повышении давления показатель преломления плавно уменьшается с 1,55 до 1,46. Следовательно, при значениях давле­ния менее 2400 мТорр происходит неполное окис­ление силана SiH4 и насыщение осаждаемой плен­ки связями Si—H, что аналогично при осаждении при низкой мощности разряда в плазме.

Значение механических напряжений (по моду­лю) возрастает с увеличением давления в камере. Можно предположить, что повышение давления в камере приводит к увеличению вероятности стол­кновения реагентов в камере с подложкой с неко­торой энергией. Причем величина энергии будет достаточна для проведения химической реакции, следовательно, на выходе пленка формируется за меньшее время (возрастает скорость осаждения), но более напряженная.


Исследование влияния скорости расхода силана SiH4

Было проведено исследование влияния скоро­сти расхода силана SiH4 (рис. 3). Скорость расхода менялась от 100 до 400 см3/мин, давление в реак­ционной камере было постоянным 2400 мТорр, мощность плазмы — 1100 Вт. Остальные парамет­ры процесса остались прежними.


2.jpg


3.jpg

Рис. 2. Зависимость характеристик пленки от давления в камере: а — скорость роста (пунктирная кривая) и показатель прелом­ления; b — зависимость механических напряжений

Рис. 3. Зависимость характеристик пленки от скорости расхода силана SiH4: а — зависимости скорости роста пленки (пунк­тирная кривая) и показателя преломления; b — зависимость ме­ханических напряжений

Из рис. 3, a можно заключить, что скорость рос­та пленки (пунктирная линия) прямо пропорцио­нальна скорости расхода силана. Однако при рас­ходах силана более 300 см3/мин начинает увеличи­ваться показатель преломления (сплошная линия). Это свидетельствует о неполном окислении силана в осаждаемой пленке. На рис. 3, b заметно, что при уменьшении расхода силана осаждаемая пленка становится более сжатой, причем значение напря­жений резко увеличивается при расходах силана менее 200 см3/мин.


Исследование влияния соотношения расходов газов N2O/SiH4

Следующим шагом было проведено исследо­вание влияния соотношения расходов газов R за­киси азота и силана (N2O/SiH4). Соотношение R менялось от 10 до 40, расход N2O менялся от 3000 до 12 000 см3/мин при постоянном расходе SiH4 300 см3/мин.

На рис. 4, а продемонстрировано, что на ско­рость осаждения и показатель преломления соот­ношение расходов газов R влияет незначительно. При значениях R менее 25 наблюдается повыше­ние показателя преломления, что свидетельствует о формировании пленки, обогащенной кремнием. В работе [8] Hussein и др. зафиксировали аналогич­ную зависимость показателя преломления от со­отношения расхода газов. Результаты, представленные на рис. 4, b, хорошо согласуются с данны­ми в работах [9, 10], где величина механических напряжений по модулю возрастает с увеличением R. На рис. 4, c заметно, что соотношение расходов газов R оказывает влияние на равномерность рас­пределения толщины пленки по пластине. При значениях R менее 25 среднеквадратичное откло­нение толщины пленки оказывается больше 3 % и резко увеличивается до 11 % при значении R = 10.


Исследование влияния скорости расхода азота N2

Было проведено исследование зависимости па­раметров осаждаемой пленки от скорости расхода азота N2. Расход азота меняли от 0 до 3000 см3/мин.

4.jpg

5.png

Рис. 4. Зависимость характеристик пленки от соотношения рас­ходов газов N2O/SiH4: а — зависимости скорости роста пленки (пунктирная линия) и показателя преломления; b — зависи­мость механических напряжений; c — зависимость среднеквад­ратичного отклонения толщины пленки

Рис. 5. Зависимость характеристик пленки от расхода азота: а — зависимости скорости роста пленки (пунктирная линия) и пока­зателя преломления; b — зависимость механических напряжений


Все остальные параметры процесса оставались без изменений.

На рис. 5, a видно, что расход азота N2 оказы­вает незначительное влияние на такие параметры осаждаемой пленки, как скорость осаждения, по­казатель преломления. Из рис. 5, b можно заклю­чить, что оптимальное значение расхода азота со­ставляет 1500 см3/мин.


Заключение

В процессе формирования мембран по группо­вой кремниевой технологии используются несколь­ко слоев диэлектрических материалов. Контролируя механические напряжения в каждой пленке мемб­раны, можно повысить вероятность выхода годных кристаллов. В данной работе экспериментально по­казано влияние операционных параметров осажде­ния на скорость роста пленки SiO2, показатель пре­ломления и механические напряжения. Определены оптимальные параметры для формирования пленки PECVD SiO2 на установке Novellus, позволяющие создать малонапряженную структуру материала: мощность разряда в плазме 400 Вт, давление в ка­мере 1500 мТорр, соотношение расхода газов закиси азота и силана 40, расход газа азота 1500 см3/мин.


Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по дого­вору № 02.G25.31.0200от 27апреля 2016года, шифр договора 2015-218-07-052.

 

Список литературы

1.  Рубцевич И. И., Соловьев Я. А., Высоцкий В. Б. и др. Исследование свойств пленок нитрида и оксида кремния, полученных методом плазмохимического осаждения на кремниевую подложку // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2011. № 4. С. 29—32.
2.  Дюжев Н. А., Махиборода М. А., Гусев Е. Э., Катеев М. В. Формирование планарной поверхности пластин для проведения технологических операций контактной ли­тографии и бондинга // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19, № 1. С. 30—33. DOI: 10.17587/nmst.19.30-33
3.  Королёв М. А., Крупкина Т. Ю., Ревелева М. А. Техно­логия, конструкции и методы моделирования кремниевых ин­тегральных микросхем. М.: БИНОМ, 2007. Часть 1. 397 с.
4.  Pi C.-H. and Turner K. T. Design, analysis and charac­terization stress-engineered 3D microstructures comprised of PECVD silicon oxide and nitride // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2016. Vol. 26, N. 6. DOI:10.1088/0960- 1317/26/6/065010
5.  Дюжев Н. А., Дедкова А. А., Гусев Е. Э., Новак А. В. Методика измерения механических напряжений в тонких пленках на пластине с помощью оптического профиломет- ра // Известия вузов. Электроника. 2016. № 4. C. 367—372.
6.  Djuzhev N. A., Gusev E. E., Dedkova A. A., Patiukov N. Determination of mechanical stress in the silicon nitride films with a scanning electron microscope // Proceedings SPIE 10224, International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2016. DOI: 10.1117/12.2250118.
7.  Дюжев Н. А., Гусев Е. Э., Дедкова А. А., Чиненков М. Ю. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016611518. Программа анализа рельефа с целью расчета величины кривизны поверхности в выбранном направлении на кремниевой пластине. Дейс­твует с 04.02.2016.
8.  Hussein M. G., Worhoff K., Sengo G., Driessen A. Op­timization of plasma-enhanced chemical vapor deposition silicon oxynitride layers for integrated optics applications // Thin Solid Films. 2007. Vol. 515. P. 3779—3786.
9.  Mackenzie K. D., Johnson D. J., DeVre M. W. et. al. Stress control of Si-based PECVD dielectrics // Proc. Symp. Sil­icon Nitride and Silicon Dioxide Thin Insulating Films & Other Emerging Dielectrics VIII. 2005. P. 148—159, Electrochemical Society, Pennington, NJ (2005).
10.  Ануфриев Л., Ковальчук Н., Ланин В. Совершенство­вание технологии мембранных МЭМС // Компоненты и технологии, 2013. Вып. 6 (143).

Скачать PDF


Возврат к списку