鱼 茎 鱼 团 ＬＰＣＶＤ制备二氧化硅薄膜工艺研究 王俭峰，佟丽英，李亚光，李秀强 （中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津３００２２０） 摘 要：采用ＴＥＯＳ源ＬＰＣＶＤ法制备了ＳｉＯ 薄膜，采用膜厚仪对薄膜的厚度进行测试 通过不 同条件下Ｓｉ０２薄膜的厚度变化，讨论了ＴＥＯＳ源温度、反应压力及反应温度等工艺条件对淀积 速率和均匀性的影响。结果表明，在４０℃，５０ Ｐａ左右，淀积速率随ＴＥＯＳ源温度、反应压力基本 呈线性增大．通过多次试验改进．提出了ＳｉＯ，膜淀积的典型工艺条件 关键词：ＴＥＯＳ源；ＬＰＣＶＤ；淀积速率；均匀性 中图分类号：ＴＮ３０４．０５５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—４５０７（２０１ １）０６．００２４．０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＳｉＯ２ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｂｙ ＬＰＣＶＤ ＷＡＮＧ Ｊａｎｆｅｎｇ，ＴＯＮＧ Ｌｉｙｉｎｇ，ＬＩ Ｙａｇｕａｎｇ，ＬＩ Ｘｉｕｑｉａｎｇ （Ｔｈｅ ４６ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００２２０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ ＴＥＯＳ ｓｏｕｒｃｅ ｂｙ ＬＰＣＶＤ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｔｈｅ ＳｉＯ２ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ，ｗｉｔｈ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｇａｕｇｅ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍｓ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ＳｉＯ，ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，Ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ＴＥＯＳ ｓｏｕｒｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｒｅａｃｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ’ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｓ，ａｔ ａｂｏｕｔ ４０℃，５０Ｐａ，ｗｉｔｈ ＴＥＯＳ ｓｏｕｒｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｉｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｌｉｎｅａｒｌｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｅｖｅｒａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ＳｉＯ２ ｆｉｌｍ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴＥ０Ｓ ｓｏｕｒｃｅ；ＬＰＣＶＤ：Ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ：Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ 当前ＣＭＯＳ已成为ＭＯＳ电路的主流，为解 一层ＳｉＯ 膜，以达到消除杂质对外延工艺的不利 决问锁效应和软失效，在ＣＭＯＳ电路生产中大黾 使用外延片。这种ＣＭＯＳ用的外延片，多用背面 影响。目前，由于相对其他方法在均匀性、淀积速 率及使用安全性方面具有更大优势，ＴＥＯＳ源 ＬＰＣＶＤ（低压化学气相淀积）法已逐步成为淀 ＳｉＯ，膜的主流＿Ｔ 艺。 多晶硅作为吸除源，并用低温ＳｉＯ 封闭，以防止 在硅外延过程中杂质对正在生长外延层的“掺 杂”，从而使外延层不受破坏ｌ】］。因此，在硅抛光片 加工工艺中广泛应用了吸杂和背封技术。背封技 本文对ＴＥＯＳ源ＬＰＣＶＤ（｛￣压化学气相淀积） 法淀积ＳｉＯ 膜的淀积速率及均匀性方面进行了 有益探索，并在此基础上总结出了一组较好的淀 术中一般是用化学气相淀积方法在硅片背面生长 收稿日期：２ｏｌ１．Ｏ５．１ ８ － 电子工业专用设备 材料制备工艺与设备 积工艺条件。 在其他条件ｆ淀积温度、反应压力等）相同的情 况下通过改变ＴＥＯＳ源温度，对于不同的ＴＥＯＳ源 温度所生长的ＳｉＯ 膜，结合淀积时间算出Ｔ＝７１０℃ 时，淀积速率与ＴＥＯＳ源温度关系如图１所示。 １实验及原理 ＳｉＯ２膜的淀积采用ＬＰＣＶＤ法，使ＴＥＯＳ（ｔ硅 由图中可以看出，随着ＴＥＯＳ源温度的增加， 酸乙酯）在７００℃，５０ Ｐａ左右的条件下热分解制得。 化学气相反应可以概括描述为： Ｓｉ（０ Ｃ２Ｈｓ）４＿＿＋ＳｉＯ２＋４Ｃ２Ｈ４＋２Ｈ２０ （１） ＴＥＯＳ也就是Ｓｉ（Ｏ Ｃ Ｈ ） ，学名正硅酸乙 脂，又称四乙氧基硅烷，常温下为无色液体，淀积 时在钢瓶中挥发进入炉管内，ＴＥＯＳ的流量由 ＴＥＯＳ源瓶的温度来控制。 反应物在炉中的分压主要由源温度和反应压 力共同决定。只要其中一个条件改变，反应物分压 就会改变。当ＴＥＯＳ源（下面简称源）进入反应室， 由于边界层的存在，源只能扩散进入衬底表面，而 生长表面有一定密度的活性点，气态源分子可以与 其结合形成活化络合物，发生表面反应，生成固态 粒子和吸附态气体副产物，之后吸附态的副产物解 吸离开表面。在这个过程中，可知吸附速率为： ｒ源＝ 源‘Ｏ＇ｐ源 其中：０为未被占据的表面活性点占总数的 百分数，Ｐ源为源分压。 若吸附后为分解而解吸，则： ｒ一源＝ 一源。０源 在表面分解时淀积速率： ｒ＝ ・０源 反应后副产物解吸： ｒ一气＝ 一气・０气 而 ＋ 源＋０气＝１ 由以上各式得 淀积速率 ｒ： ・ 源・Ｐ源／（ｋ一源＋ ＋（１＋ ／ 一气） 源‘Ｐ源） ２结果与讨论 ２．１ ＴＥＯＳ源温度对淀积速率的影响 ＴＥＯＳ源的温度直接影响了ＴＥＯＳ的流量，从 而影响反应物分压，故若ＴＥＯＳ源的温度过低，则 淀积会由于反应物过少而根本长不上膜，而过高 会使均匀性变差。 ＳｉＯ：的淀积速率呈线性增大。 手 董 槲 图１淀积速率与ＴＥＯＳ源温度的关系 ５＝） ．宴 导 要 图２ Ｋ 与ＴＥＯＳ源温度关系 若设Ｋ１＝Ｃ・Ｖ／Ｔ源，其中Ｃ为系数， 为淀积 速率， 为ＴＥＯＳ源温度。则Ｋ１可以表达每ＴＥＯＳ 源温度对淀积速率的影响。由于其他条件不变，Ｃ 为常数。若设Ｃ＝Ｉ，则如图２所示，可以看出随着 ＴＥＯＳ源温度的增加，ＴＥＯＳ源温度中的每～摄氏 度对淀积速率的影响几乎不变且保持在较高数 值。这说明在此条件范围内，到达硅片表面的反应 物的量一直都是淀积速率的重要因素。增大 ＴＥＯＳ源温度可有效地增大淀积速率。 分析其原因，在衬底表面，由公式（１）可知，反 应前后气体分子由一个ＴＥＯＳ分子转变为四个 Ｃ２Ｈ 分子和两个Ｈ Ｏ水分子，当反应室压力一定 时，随反应的进行，必然导致ＴＥＯＳ分子所占分压 在较低水平。此时，提高ＴＥＯＳ温度，则使ＴＥＯＳ 源释放率增大，从而使室内源分子所占比例增大， 材料制备工艺与设备 淀积速率增大。 ２．２反应压力对淀积速率的影响 电子工业董用设备 性。经验证明，对于片内均匀性来说，片距起重要作 用。片距较小时，片间容易存积过多热分解产乍的 附产物而使片间气态ＴＥＯＳ源不均匀，从 导敛硅 片各部分淀积速率快慢 一。片距较大时，反之；而 由图３可以看出，在反应室内随着反应压力 的升高，ＳｉＯ 的淀积速率基本呈线性增大。 ＿ｃ ｇ ｇ 料 图３反应压力与淀积速率关系 图４ Ｋ 与反应压力的关系 若设Ｋ２＝Ｃ・Ｖ／Ｐ，其中Ｃ为系数， 为淀积速 率，Ｐ为反应压力。则Ｋ 可以表达每反应压力对 淀积速率的影响。由于其他条件不变，Ｃ为常数。 若设Ｃ＝１，则如图４所示，可以看出随着反应压力 的增加，每帕压力对淀积速率的影响逐渐减弱且 降低速率随压力升高逐渐放缓。这说明在低压范 围内反应压力对淀积速率有更大影响。分析其原 因为，在低压时，淀积速率较低，反应室内气体中 气态ＴＥＯＳ源占有较大分压，而随压力升高，反应 速率增大，附产物分子气体产生的速率也逐渐增 大，气态ＴＥＯＳ源所占分压逐渐减小，致使压力升 高对淀积速率的增益逐渐减小。 ２．３ ＳｉＯ：膜的均匀性 对于淀积ＳｉＯ 膜来说，均匀性是一个很大的 问题。薄膜的均匀性一般分片内均匀性和片问均匀 压力较低时，反应室内气态ＴＥＯＳ源所占分 比较 稳定，片内各点淀积速率比较一致。随着压力的丌 高，反应室内硅片表面附近气态ＴＥＯＳ源所占分压 趋于 稳定，从而使硅片各部分淀积速率难以控 制，导致片内均匀性变差。片距在５ ｃｍ芹右，压力 ５０ Ｐａ以下时对ＳｉＯ 膜质量来说町以接受。此外， 同位置及反应温度对片内均匀性也有一定影响。 图５为对炉内３点位置硅片ＳｉＯ 膜片内均 匀性的统计图。在靠近炉ｕ部分，源供应充足，硅 片内各点源浓度较一致，而对ｆ炉尾部分，山ｒ前 面反应消耗，源浓度占气氛百分比较低，使硅”表 面各点源浓度不容易达到均衡，而高的反应温度 又增强了这个结果。故而出现了从炉口 炉尾的 不均匀性的增大。 ＼ 炉口（７００）炉中（７０５）炉尾（７ｌＯ）／％ 图５不同位置硅片的片内均匀性 对于片间均匀性来说，反应温度的影响为ｔ 要因素。如图６所示，在源温度为４２℃、压力为 ４８ Ｐａ时同样淀积６０ ｍｉｎ，一炉和 炉的炉口、炉 中、炉尾温度分别为７００℃、７０￣Ｃ、７１５。Ｃ，６９０℃、 ７１０℃、７１５℃。当只降低炉口温度１０℃时，炉Ｌ｝』 各点硅片厚度就有很大差别。之所以出现这种情 况，分析认为是由于源释放率即源流量不是很高 时，由于源由炉口出进入，使得炉口处硅片得以首 先发生反应。至于炉中的硅片能得到多少源进行 反应，很大程度上取决于炉口硅片的反应速率。而 炉尾硅片反应所需的源更是由前两部分反应速率 所决定。这就是所谓的输运耗散。故此，为了抵消 （下转第５６页） 专用设备设计 电子工业薹用设蚤 － 精密微调后，即完成了生瓷片的对位，下…步工作 台将带动生瓷片移动到网框下方，该运动要求运 动速度快，且到位后须使工作台精确定位于…一固 定位置，因此这个运动采用伺服电机来完成。控制 方式使用位置／转矩控制模式，其结构原理如图７ 所示。工作台在运动过程中，伺服电机采用位置控 制模式，到位后转换为转矩控制模式，即电机通过 一３市场前景展望 该印刷机的研究成果适用范围很 『 ‘，既可完成 ＬＴＣＣ行业的印刷工艺，也可应用于玻璃板、薄膜、 芯片、ＨＩＣ、ＭＣＭ、ＬＣＤ、ＰＰＣ、膜片、半导体、多 芯 片、ＣＳＰ、ＳＭＴ的精密Ｅ』Ｊ刷。围内现存对此类设备的 需求量很大，所以预计此设备的ｍ场前景 阔。 参考文献： 『１１ 千睿，悦辉， 济，杜波．低温共烧陶瓷技术及其 川 『Ｊ１．硅酸盐学报，２００７，３５（Ｓ１）：１２５—１３０． ［２］ 董彦梅，宋俊耀．ＢＷＹ一３００半自动丝网 刷机的ｆＩＪ｝ 恒定转矩使工作台与限位块始终紧密接触，以 此达到了精确定位工作台的目的。 ＋＋＋ 精密工作台 ／ 制［Ｊ］．科技情报开发与经济，２００９，１９（３４）：２０２—２０４． ［３］ 熊钢．低温共烧陶瓷技术及具应用［Ｊ］，讣峻盐学报， ２００７，２７（３）：３４—３６ —限位块＼ 址—址．址．Ｓ ．址．址 ． Ｌ．ｎ．址． Ｍ ．ｎ．址 作者简介： 图７往复机构原理图 ．张忐耀（１９８１一），男，主璺从 微Ｉ ｒ 』ｆＪ设备，支ｊＬ ｌ 艺技术的研究Ｔ作。 址．址． 止．．址． 止．Ｓ — —喜ｔ—喜ｔ—喜 —Ｓｌ上— 屯． ．址．址．址．址— —Ｓｌ上 — —喜屯—址—驰 Ｓ也 ．址．Ｓ止 址．Ｓ —Ｓ —址—Ｓ —址—址—址—址—址—址—址—址．址．９Ｊ－． 止 （上接第２６页） ３结论 ＴＥＯＳ源ＬＰＣＶＤ法生长ＳｉＯ 膜具有均匀 、 输运耗散对均匀性的作用，就必须调节炉内３点 温度以使各处反应速率相等或近似相等。 重复性较好且成本较低等优点。本文对此方法淀 ｇ 积ＳｉＯ 膜的生长速率及均匀性进 了讨论，详 分析了各反应条件与淀积速率和均匀性的内在火 系。并且依此通过不断尝试得出了较好的 ｒ 艺条 Ｎ Ｑ ∽ 件。通过对淀积速率的定量分析，可以很容易计算 出任意ＳｉＯ 膜厚度的淀积条件。 参考文献： 【１］ 沈天慧，李枞和，何莲 ．用多晶硅吸杂和ＳｉＯ 背 图６反应温度对均匀性的影响 据此，通过调节各参数获得了较好的淀积条 件，其典型制备条件如表ｌ所示。 表ｌ二氧化硅膜的典型淀积条件 工艺提高硅』 ‘质量，微电了学与汁算机【Ｊ］．１９９７（２）：ｌ７． ［２］ 简崇玺．ＬＰＣＶＤ制备氮化硅薄膜工艺集成电路通讯 ［Ｊ］．２００８，２６（２）：１８－２１． ［３］ 刘洪侠，郝跃，朱秉升．ＬＰＣＶＤ剖ＳＰＯＳ薄膜淀 Ｌ 艺的研究ｌＪＪ．西安电子科技人 ＴＥＯＳ温度／￣Ｃ 反应压力／Ｐａ 炉口温度／℃ 报（ 然科 版）， ４２ ４８ —２０００，２７（３）：３０９—３１１． 址—址—Ｓｔ—喜 — —喜 —喜 —喜 —Ｓ屯 Ｌ—Ｓ止— Ｌ—Ｓ —址—Ｓ —址— Ｌ—址—Ｓ止— Ｌ— 止—址 ６９４ 作者简介： 炉中温度／￣Ｃ 炉尾温度／￣Ｃ 真空漏率／Ｐａ・ｍｉｎ 淀积时间／ｍｉｎ ７０６ ７１８ Ｏ．５～３ ６０，～７０ 工俭峰（１９８７一），男，长春人，２００９年毕、ｌ 占｝１＼人 学，现从事薄膜生长技术研究 佟 英（１９６５一）＇殳，火津人， 级：ｌ： 帅，Ｉ『｝ ｉ 嘤 从事半导体材料的测试及其性能研究。