LTPS-CVD工藝設(shè)備介紹(超詳細(xì))

CVD工藝設(shè)備介紹CVD工藝設(shè)備介紹目錄CVD的概念、特點(diǎn)CVD原理介紹---PECVDCVD工藝特性參數(shù)CVD膜層介紹CVD薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)CVD設(shè)備簡(jiǎn)介一、CVD的概念、特點(diǎn)一、CVD的概念、特點(diǎn)是把含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物的氣體供給基片，利用加熱、等離子體、紫外光乃至激光等能源，借助氣相作用在基板的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（熱分解或化學(xué)合成）生成要求的薄膜CVD法是一種化學(xué)反應(yīng)方法，應(yīng)用范圍非常廣泛，可制備多種物質(zhì)薄膜，如各種單晶、多晶或非晶態(tài)無(wú)機(jī)薄膜，在以Si為中心的微電子領(lǐng)域起著重要作用Whatis“CVD”?ChemicalVaporDeposition，即化學(xué)氣相沉積是一種化學(xué)氣相生長(zhǎng)法。1、概念（1）成膜速度快每分鐘可達(dá)幾個(gè)μm甚至達(dá)到數(shù)百μm。同一腔室中可放置大量工件，能同時(shí)制得均勻的鍍層;（2）膜層均勻性好CVD反應(yīng)在低真空進(jìn)行，鍍膜的均勻性好，對(duì)于形狀復(fù)雜表面或工件深孔、細(xì)孔都能均勻鍍覆，獲得平滑的沉積表面;（3）膜層性能好能得到純度高、致密性好、殘余應(yīng)力小、結(jié)晶良好的薄膜鍍層。一、CVD的概念、特點(diǎn)2、優(yōu)點(diǎn)一、CVD的概念、特點(diǎn)（1）反應(yīng)溫度太高許多基體材料都耐受不住CVD的高溫，因此應(yīng)用上受到一定限制。（2）需要采取防止環(huán)境污染的措施在不少場(chǎng)合下，參加沉積的反應(yīng)源和反應(yīng)后的余氣易燃、易爆或有毒；對(duì)設(shè)備來說，往往還有耐腐蝕的要求。（3）PECVD工藝控制較困難關(guān)聯(lián)因素：外加電源功率、頻率，氣體流量、總壓強(qiáng)以及襯底溫度、反應(yīng)裝置與射頻電源的阻抗匹配等各種因素都會(huì)影響到成膜速率和膜的質(zhì)量。3、不足CVD工藝設(shè)備介紹二、CVD原理介紹---PECVDPECVD(

PlasmaEnhanced

ChemicalVaporDeposition)

(等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)

借助射頻等使含有薄膜組成原子的氣體，在局部形成等離子體，而等離子體化學(xué)活性強(qiáng)，促進(jìn)氣體間的化學(xué)反應(yīng)，從而低溫下也能在基片上沉積出所期望的薄膜。工作原理:它是一種化學(xué)氣相生長(zhǎng)法；它所需要的是含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物的單質(zhì)氣體；它所需要的條件是加熱、等離子體等；采用等離子輔助是對(duì)化合物進(jìn)行催化分解。目的:

利用等離子體輔助活化反應(yīng)氣體，降低反應(yīng)溫度，改善薄膜質(zhì)量。二、CVD原理介紹-PECVD1、PECVD定義2、Plasma定義及獲得

定義是：等離子體是由電子、陽(yáng)離子和中性粒子組成的整體上呈電中性的物質(zhì)集合。

物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，相互間的碰撞就會(huì)使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就變成由自由運(yùn)動(dòng)并相互作用的正離子和電子組成的混合物，即等離子體（plasma），它是除固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。

二、CVD原理介紹-PECVDTo

Pumpdiffuser13~14

MHzRF(ForDeposition)GlassCleanGas（NF3、Ar）RPSC(RemotePlasmaSourceClean)

Deposition:SiNX,Si,SiO2,etc.AdjustablePlasmaCleaning:NF3N2+F+F+SiSiF4ProcessGas（SiH4、N2O、N2

、NH3etc.）二、CVD原理介紹-PECVD3、PE-CVD原理分子到達(dá)glass表面黏附表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成核核長(zhǎng)成大島島橫向/縱向生長(zhǎng)島連接起來形成薄膜二、CVD原理介紹-PECVDPECVD成膜原理作用1將反應(yīng)物中的氣體分子激活成活性離子，降低反應(yīng)所需的溫度2使用等離子體能量來產(chǎn)生并維持CVD反應(yīng)3加速反應(yīng)物在表面的擴(kuò)散作用(表面遷移率)，提高成膜速率4

Plasma的離子轟擊能夠去除表面雜質(zhì)，增強(qiáng)黏附性5增強(qiáng)反應(yīng)物中的原子、分子、離子和電子之間的碰撞、散射作用，使形成的薄膜厚度均勻二、CVD原理介紹-PECVD4、Plasma成膜F+SiO2→SiF4+O等離子體F+Si3N4→SiF4+N等離子體原因CVD成膜過程中堆積在腔壁的膜會(huì)成為particle的來源原理使用含F(xiàn)的化合物氣體，在Plasma作用下，可被分解釋放出F自由基，F(xiàn)+可移除SiO及SiN等。方法RemotePlasmaSourceCleaning(RPSC)遠(yuǎn)程等離子源清洗在腔室外連接一個(gè)NF3等離子體室進(jìn)行清洗反應(yīng)方程式

5、Plasma清洗二、CVD原理介紹-PECVDNitride:

SiH4+NH3+N2→SiNx:HOxide:

SiH4+N2O→SiOx:Ha-Si:SiH4(+H2)→a-Si:H6、CVD主要的化學(xué)反應(yīng)二、CVD原理介紹-PECVDCVD工藝設(shè)備介紹三、CVD工藝特性參數(shù)溫度氣體流量比(Si:H,N:H,Si:N)RFpowerPressureSpacing(上下電極間距)三、CVD工藝特性參數(shù)溫度升高，可以提高氣體的表面遷移率，降低基片表面過剩硅原子，同時(shí)Si-H鍵在400℃以上會(huì)大量斷裂，減少薄膜氫元素含量，使薄膜內(nèi)應(yīng)力越正，并且造成Si/N摩爾比增加，導(dǎo)致致密性&絕緣性增強(qiáng)。圖1.富含氫的SIN圖2.去氫后的SIN表1.溫度對(duì)氮化硅的影響表面吸附率和脫附率會(huì)影響沉積速率，隨著溫度的增大，脫附率增加速度會(huì)逐漸大于吸附率增加速度，因此當(dāng)溫度增加到某一程度后，沉積速率不升反降。沉積速率的降低會(huì)導(dǎo)致大量島狀物的產(chǎn)生，影響薄膜的均勻性。注：

去氫后的SIN結(jié)構(gòu)變的致密200℃300℃400℃三、CVD工藝特性參數(shù)1、溫度總結(jié)：溫度的變化會(huì)影響薄膜的致密性、絕緣性、應(yīng)力、氫含量、沉積速率、厚度均勻度。氮化硅具有極高的電阻率，當(dāng)SiH4/NH3比增加時(shí)，薄膜內(nèi)Si含量增加，折射率增大，而Si-Si大量增加，會(huì)導(dǎo)致電阻率下降，絕緣性變差；決定沉積速率的通常是SiH4的濃度，隨著SiH4/NH3比的增加，SiH4濃度增加，沉積速率增加；

SIH4:NH3對(duì)WER&n的影響

SIH4:NH3對(duì)D.R的影響

SIH4:NH3對(duì)K的影響總結(jié)：SiH4/NH3比的變化會(huì)影響薄膜的沉積速率、致密性、折射率、介電常數(shù)。三、CVD工藝特性參數(shù)2、氣體流量比射頻功率對(duì)沉積速率的影響射頻功率對(duì)折射率的影響隨著RFpower的增加,沉積速率也會(huì)增加；折射率隨之減小3、RFpower三、CVD工藝特性參數(shù)當(dāng)前使用的射頻為13.56MHz，當(dāng)功率增大時(shí)，氣體激活效率提高，反應(yīng)物濃度增大，使薄膜生長(zhǎng)速度增加。薄膜生長(zhǎng)速度過大都會(huì)降低薄膜均勻性和致密性，使結(jié)構(gòu)疏松，針孔增多，抗腐蝕性變差。4、Pressure三、CVD工藝特性參數(shù)當(dāng)壓力增大時(shí)，反應(yīng)氣體濃度增大，離子平均自由程縮短，聚合反應(yīng)明顯增強(qiáng)，成膜速率上升。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力增大時(shí)，薄膜折射率下降。反應(yīng)室氣壓過低，會(huì)影響薄膜的淀積機(jī)理，造成針狀形態(tài)的缺陷的形成。壓力對(duì)WER&n的影響壓力對(duì)D.R的影響壓力對(duì)k的影響總結(jié)：壓力的變化會(huì)影響薄膜的沉積速率、折射率。5、Spacing三、CVD工藝特性參數(shù)（1）上下極板間距太大，會(huì)影響淀積速度，造成particle問題，嚴(yán)重影響成膜質(zhì)量；（2）如果間距太小，從diffuser出來的強(qiáng)氣流直接噴到玻璃基板：強(qiáng)氣流直接沖擊玻璃基板，離子可能來不及淀積就被強(qiáng)氣流帶走，就會(huì)降低成膜速率；間距太小，使得離子反應(yīng)速度過快，即使離子沒有被強(qiáng)氣流帶走而淀積到玻璃基板上，那么成膜的質(zhì)量也是很差的；板極過近會(huì)造成成膜過程中arcing，擊穿glass及susceptor表面陽(yáng)極膜，造成設(shè)備損傷；CVD工藝設(shè)備介紹四、CVD膜層介紹（LTPS）四、CVD膜層介紹GlassDriverareaPixelareaP-channelN-channelGateSDGateInsulatorILDPassivationITO1ITO2LDDPolyCHDPLN膜層結(jié)構(gòu)膜厚/AITO2ITO500PV2

SiN1000ITO1ITO500PLNPLN22000M2Ti700Al4000Ti500ILDSiO3000SIN2300PDB+LDDP+M1Mo2200GISiN400SiO800NDP+CHDB+poly-Sia-Si450bufferSiO3000LSMo500四、CVD膜層介紹四、CVD膜層介紹SIO作用：防止玻璃中的金屬離子(鋁,鋇,鈉等)在熱工藝中擴(kuò)散到LTPS的有源區(qū)；降低熱傳導(dǎo)，減少ELA時(shí)硅的冷卻速度，有助于形成較大的結(jié)晶晶粒；SiO與熔融Si的濕潤(rùn)角87°（SiN濕潤(rùn)角僅25°），有助于形成（100）晶格方向硅薄膜。1、2layer緩沖層反應(yīng)方程：SIOA-SiSiH4+N2O→SiOx:HSiH4(+H2)→a-Si:H(100)晶格方向XYZA-Si作用：A-Si在ELA之后形成P-Si，作為器件的有源層。氫爆示意圖A-Si氫含量：A-SiH%含量，以FTIR測(cè)量，通常為3~5%，需高溫（530℃）去氫，必須使H%<1%，避免ELA氫爆。成膜溫度：420/440℃去氫條件：530℃/540s四、CVD膜層介紹2、GI柵絕緣層反應(yīng)方程：SIOSIN

SiH4+N2O→SiOx:HSiH4+NH3+N2→SiNx:HSIO作用：緩沖層，與Poly-Si應(yīng)力匹配好，其可作為金屬與P-Si之間的絕緣層存在，提供柵極電荷存儲(chǔ)區(qū)域。SIN作用：隨著器件面積減小，電荷存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)電荷容量減少，為了保證閾值電壓（Vth）和導(dǎo)通電流（Ion）的穩(wěn)定，必須使用高介電常數(shù)的介電層，SIN介電常數(shù)6.8，遠(yuǎn)高于SIO介電常數(shù)4，因此使用SiN。成膜溫度：420/440℃四、CVD膜層介紹3、ILD間絕緣層反應(yīng)方程：SINSIO

SiH4+N2O→SiOx:HSiH4+NH3+N2→SiNx:HSIN作用：作為M2金屬的介電質(zhì)層存在；低溫（360℃）沉積，使SIN富含氫元素，用于修補(bǔ)TFT溝道（氫原子可填補(bǔ)界面態(tài)，改善晶粒間界態(tài)和柵絕緣層的缺陷）SIO作用：作為M2金屬的介電質(zhì)層存在；SiO低針孔密度，低氫氧含量，良好的臺(tái)階覆蓋性，較好的應(yīng)力改善成膜溫度：340/360℃四、CVD膜層介紹4、PVSIN作用：作為Pixel電容；外圍電路保護(hù)，抵擋外來水氣和機(jī)械刮傷鈍化層反應(yīng)方程：SINSiH4+NH3+N2→SiNx:H成膜溫度：230/240℃CVD工藝設(shè)備介紹五、CVD薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)五、CVD薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)簡(jiǎn)寫作用說明折射率RI或n能反應(yīng)薄膜中Si含量的變化厚度THK表征薄膜的實(shí)際厚度沉積速率D.R表征薄膜的生長(zhǎng)速度濕式蝕刻速率WER表征薄膜的致密性厚度均勻度U%表征薄膜的平坦程度應(yīng)力Stress表征薄膜內(nèi)應(yīng)力的大小氫含量H%表征薄膜內(nèi)氫元素的含量介電常數(shù)k表征薄膜對(duì)電荷的存儲(chǔ)能力總電荷電量Qtot表征薄膜內(nèi)電荷含量表面陷阱密度Dit表征薄膜接觸面缺陷態(tài)密度平帶電壓Vfb表征MOS管中克服金屬-氧化物功函數(shù)差達(dá)到平帶所需的電壓電容-電壓曲線CVcurve表征薄膜電學(xué)特性的曲線五、CVD薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.折射率（RefractiveIndex）折射率永遠(yuǎn)大于1折射率對(duì)反應(yīng)氣體流量的變化非常敏感，能有效的監(jiān)控工藝過程中氣體流量的變化；折射率能反應(yīng)薄膜中Si的含量；折射率主要是對(duì)工藝過程中的參數(shù)起監(jiān)控作用，因此越穩(wěn)定越好；

2.厚度（Thickness）最重要的評(píng)價(jià)參數(shù)，過厚和過薄都會(huì)影響器件的性能3.沉積速率（DepositionRate)表征薄膜的生長(zhǎng)速度，與氣體流量、溫度、壓力、射頻、Spacing相關(guān)；在不影響器件性能的前提下，D.R越快越好，以此縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提高產(chǎn)能；4.濕式蝕刻速率（WetEtchRate)用BOE液（或者1%HF）對(duì)薄膜進(jìn)行浸泡，對(duì)比浸泡前后的厚度差，以薄膜對(duì)酸液的抗腐蝕能力表征薄膜的致密性；WER越低，致密性越高；薄膜的致密性要配合工藝的整體要求，并非越致密越好；五、CVD薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)

5.厚度均勻度（uniformity)方差均勻度極差均勻度均勻度表征薄膜的平坦程度，均勻度越小，薄膜越平坦；一般情況下，均勻度越小越好；方差均勻度與極差均勻度區(qū)別：方差均勻度無(wú)法準(zhǔn)確辨別厚度單點(diǎn)異常的狀況，見圖1；極差均勻度無(wú)法準(zhǔn)確辨別在相同極差下厚度的整體發(fā)散狀況，見圖2；方差均勻度無(wú)法準(zhǔn)確分辨的狀況極差均勻度無(wú)法準(zhǔn)確分辨的狀況天馬使用異常異常圖1圖2五、CVD薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)

6.應(yīng)力（Stress）（1）應(yīng)力的定義應(yīng)力等于作用力除以受到作用力的面積（單位N/m^2=Pa）Area=AForce=FStress=Force/Area=F/A（3）內(nèi)應(yīng)力分類按產(chǎn)生的原因分類：熱應(yīng)力——主要由熱膨脹系數(shù)，沉積和測(cè)量溫度決定本征應(yīng)力——由于薄膜和襯底接觸層的錯(cuò)位，或者是因?yàn)楸∧?nèi)部的一些晶格失配等缺陷和薄膜固有的分子排列結(jié)構(gòu)造成，與薄膜的生長(zhǎng)模式、成分、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；（2）應(yīng)力的分類外應(yīng)力——由外部作用力產(chǎn)生的應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力——無(wú)外界作用力情況下，存在于材料自身的應(yīng)力，比如材料內(nèi)部的晶格失配、分子排列構(gòu)造、溫度等都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。*我們所關(guān)注的一般是薄膜的內(nèi)應(yīng)力五、CVD薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)按力的方向分類：張（正）應(yīng)力——使材料拉伸方向的應(yīng)力，方向定義為正（Tensile+）；壓（負(fù)）應(yīng)力——使材料壓縮方向的應(yīng)力，方向定義為負(fù)（Compressive-）；（4）內(nèi)應(yīng)力形成機(jī)理本征應(yīng)力：當(dāng)薄膜的缺陷或空洞較多時(shí)，空洞周圍的薄膜分子以相互吸引力來維持薄膜的狀態(tài)，薄膜呈現(xiàn)張應(yīng)力；當(dāng)游離的Si或N單質(zhì)填充到空洞中，游離的單質(zhì)分子對(duì)空洞周圍的薄膜分子產(chǎn)生擠壓力，薄膜呈現(xiàn)壓應(yīng)力。熱應(yīng)力：當(dāng)襯底比薄膜收縮得更慢時(shí)，薄膜快速收縮導(dǎo)致襯底邊緣向上翹曲，薄膜呈現(xiàn)張應(yīng)力；當(dāng)襯底比薄膜收縮得更快時(shí)，薄膜緩慢收縮導(dǎo)致襯底邊緣向下彎曲，薄膜呈現(xiàn)壓應(yīng)力；五、CVD薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)

7.氫含量（Hydrogen）表征薄膜內(nèi)氫元素的含量；氫含量增加會(huì)導(dǎo)致薄膜內(nèi)Si-H鍵增加，Si-H鍵是導(dǎo)電的，因此會(huì)使薄膜絕緣性變差；氫含量的增加會(huì)導(dǎo)致薄膜內(nèi)Si-O鍵（或Si-N鍵）的減少，增加缺陷密度，使薄膜的致密性下降，同時(shí)也會(huì)影響薄膜的電學(xué)特定，如電荷電量、平帶電壓、介電常數(shù)等；氫含量的增加可以提高氫化的效果，更好的以氫原子去填補(bǔ)界面態(tài)，晶粒間界態(tài)和柵絕緣層缺陷，改善器件特性除了特殊工藝要求外（如ILD-SIN氫化），通常氫含量要求越低越好五、CVD薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)9.介電常數(shù)（k)反應(yīng)薄膜電荷的含量，對(duì)于絕緣層，電荷含量越低越好；反應(yīng)薄膜對(duì)電荷的儲(chǔ)存能力，k越高，電荷存儲(chǔ)能力越大；介電常數(shù)會(huì)直接影響器件特性，需要根據(jù)器件需求決定；10.總電荷電量（Qtotal)五、CVD薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)反應(yīng)薄膜接觸面缺陷陷阱的密度，不同膜層之間界面的不連續(xù)性與不飽和鍵會(huì)導(dǎo)致缺陷陷阱的產(chǎn)生；對(duì)于絕緣層，陷阱密度越小越好；反應(yīng)MOS管介電層薄膜，克服缺陷造成的金屬氧化物功函數(shù)差，達(dá)到平帶，所需要的能量，理論上越接近零越好；11.表面陷阱密度（DensityofInterfaceTrap)12.平帶電壓（flatbandvoltage)13.電容-電壓曲線（CVcurve）反應(yīng)薄膜電學(xué)特性的曲線，項(xiàng)目9-12都可以從CV曲線反應(yīng)出來；一般情況下，越接近理想CV曲線越好；理想CV曲線CVD薄膜質(zhì)量評(píng)價(jià)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)測(cè)試機(jī)臺(tái)測(cè)試方式折射率SE橢圓偏振測(cè)量技術(shù)厚度SR&SE&SEM橢圓偏振測(cè)量技術(shù)掃描式電子顯微鏡沉積速率濕式蝕刻速率SE比對(duì)BOE液或1%HF浸泡前后厚度差均勻度SR&SE&SEM計(jì)算厚度的方差均勻度或者極差均勻度應(yīng)力Stress激光相移方式或者光學(xué)聚焦方式氫含量FTIR/SIMS傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀/二次離子質(zhì)譜儀介電常數(shù)IV-CV汞探針方式測(cè)量CV曲線總電荷電量表面陷阱密度平帶電壓電容-電壓曲線CVD工藝設(shè)備介紹六、CVD設(shè)備簡(jiǎn)介六、CVD設(shè)備簡(jiǎn)介CVD機(jī)臺(tái)總體介紹Loadlock介紹TransferChamber介紹ProcessChamber介紹HeatChamber介紹AKTCVD機(jī)臺(tái)

，每臺(tái)機(jī)臺(tái)均有一個(gè)DSSL（2層）、一個(gè)TransferChamber以及若干processchamber。機(jī)臺(tái)制程制程腔室制程溫度備注CVD1003layerCHA/B/C/D/E420/440℃去氫腔492/530℃CHE為去氫腔CVD200CHA/B/C/ECHE為去氫腔CVD300GICHA/B/C/D/E420/440℃CVD400ILDCHA/B/C/D/E340/360℃CVD500PVCHA/B/C/E230/240℃CVD600GI&ILDCHA/B/C/DGI：420/440ILD：340/360℃2腔GI、2腔ILDCVD700PVCHA/B/C/D/E230/240℃25KPXi2DSSL(DualSingleSlotLoadLock)25KPXi2TransferChamber25KPXi2

ProcessChamber（Max5）CHACHBCHCCHDCHE六、CVD設(shè)備簡(jiǎn)介CVD機(jī)臺(tái)總體介紹CVDglassprocessmonitorLoadlockprocesschambertransferchamberheatchamber

530°鍍2layer時(shí)有小部分H產(chǎn)生，未防止ELA過程中產(chǎn)生氫爆，需加熱去氫，溫度530左右，將氫含量降至1%。六、CVD設(shè)備簡(jiǎn)介pumpinglinecoolingwater1、在鍍膜前將玻璃從大氣環(huán)境轉(zhuǎn)換到真空環(huán)境2、鍍膜后主要作用降溫Gasline六、CVD設(shè)備簡(jiǎn)介DSSL-DualSingleSlotLoadLockT