SIPOS薄膜工藝及其穩(wěn)定性研究

SIPOS薄膜工藝及其穩(wěn)定性研究東南大學(xué)IC學(xué)院

魏敦林1SIPOS的器件鈍化機(jī)理

目前，半導(dǎo)體分立器件普遍采用SIPOS做為PN結(jié)的鈍化層，同時(shí)在表面再覆蓋上一層玻璃做為絕緣層。如果直接采用絕緣層如SiO2或玻璃等作為半導(dǎo)體器件鈍化層，主要存在以下三個(gè)問題：(1)絕緣層中靠近硅襯底界面處有固定正電荷，會造成N型硅的電子積累和P型硅的反型層；(2)不能防止鈍化層的電荷積累或Na+、K+等堿金屬離子沾污，這些電荷能在靠近硅襯底表面的地方感應(yīng)出相反極性的電荷，并改變其電導(dǎo)率；(3)由于載流子注入到二氧化硅類的絕緣體中，能進(jìn)行儲存和長期停留，使器件表面區(qū)的電導(dǎo)率發(fā)生改變，從而使PN結(jié)反向擊穿電壓變壞。而使用SIPOS做為鈍化層，由于SIPOS的電中性，能使在外界環(huán)境下感生的電荷不堆積在硅表面，而是流入到半絕緣多晶硅，被膜中大量的陷阱所俘獲，從而在多晶硅中形成屏蔽外電場的空間電荷區(qū)，使硅襯底表面的能帶分布不受外電場的影響，薄膜的半絕緣性使膜中可以有電流流過，因而緩解了勢壘區(qū)表面電場，從而提高了結(jié)的擊穿電壓。SIPOS膜包含有氧原子，這些氧原子減少了表面態(tài)密度，降低了漏電流。所以它是高壓器件理想的鈍化膜，再加上膜是電中性的，在電路中就更能顯示它的優(yōu)越性了。7因此，SIPOS能夠徹底解決硅器件反向特性曲線蠕動(dòng)、漂移、反向漏電流大等諸多弊端，使得器件在高溫環(huán)境下具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。2

影響電學(xué)性能的參數(shù)篩選及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)鈍化層的作用是為了提升器件的反向擊穿電壓并控制較低的漏電流，提升器件的可靠性和穩(wěn)定性能。從產(chǎn)品的電學(xué)性能來衡量鈍化層的質(zhì)量主要是看反向擊穿電壓和反向漏電流。影響電學(xué)性能的主要是SIPOS薄膜的氧含量0％、薄膜的結(jié)構(gòu)致密度及薄膜厚度。相關(guān)的LPCVD參數(shù)主要有：N2O氣體與SiH4的氣體流量，兩種氣體混合的比例，沉積溫度，沉積真空壓。此外爐內(nèi)的位置以及晶片在SIPOS沉積前的表面處理也會對電學(xué)性能造成影響。不同的爐內(nèi)位置氧含量和沉積速率不同，從氣體入口端到出口端，氧含量逐漸增加而沉積速率逐漸下降，且其變化是非線性的，特別是在入口端，反應(yīng)較為激烈，沉積速率較大。工藝上一般通過高溫爐內(nèi)有效使用區(qū)域的選擇以及溫度梯度的調(diào)整來獲得較均勻的沉積速率。晶片在SIPOS工藝前的表面清洗處理后，表面生長的自然氧化層對晶片在SIPOS沉積后的電學(xué)性能也有一定的影響，其原因是改變了SIPOS與硅襯底間的界面態(tài)密度。因此在前處理的工藝中除了注意化學(xué)清洗的潔凈度外，還需要控制晶片表面自然氧化層的狀況。2.1

沉積速率實(shí)驗(yàn)分析薄膜結(jié)構(gòu)致密度及薄膜厚度與薄膜的沉積速率密切相關(guān)，沉積速率越大，結(jié)構(gòu)越松散，反之結(jié)構(gòu)越致密。因此沉積速率的實(shí)驗(yàn)研究對SIPOS工藝的掌握和穩(wěn)定性控制非常重要。下面從LPCVD的主要參數(shù)氣體流量、真空壓、沉積溫度、氣體混合比例對SIPOS薄膜沉積速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。在溫度為645℃、N2O與SiH4的氣體比例為20％的條件下，設(shè)定不同的氣體流量與真空壓，分析氣體流量與真空壓對沉積速率的影響，如表1和圖1所示。\o"1_氣體流量與真空壓對沉積速率的影響.jpg下載次數(shù):0"\o"1_t_氣體流量與真空壓對沉積速率的影響.jpg下載次數(shù):1"實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，流量越大則沉積速率越快。降低真空壓會使沉積速率下降，但能獲得更致密的薄膜質(zhì)量，同時(shí)對于從爐口到爐尾不同位置的晶片的沉積速率均勻性也會有所改善。;在總的氣體流量為110sccm、真空壓為300mtorr的條件下，設(shè)定不同的溫度和氣體比例，分析溫度和氣體比例對沉積速率的影響，如表2和圖2所示。\o"2_溫度與氣體比例對沉積速率的影響.jpg下載次數(shù):0"\o"2_t_溫度與氣體比例對沉積速率的影響.jpg下載次數(shù):1"實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著溫度的上升，沉積速率上升。隨著反應(yīng)氣體N2O／SiH4比例上升，沉積速率下降明顯。3e!e*E5_7c+L)\2.2退火對SIPOS薄膜的影響在溫度為645℃、N20與Sill4的氣體比例為20％的條件下沉積SIPOS薄膜1h，測量其薄膜厚度，再經(jīng)過高溫900℃氮?dú)夥諊?0min退火，測量薄膜厚度，發(fā)現(xiàn)薄膜厚度降為原來的94％左右，如表3所示。SIPOS薄膜經(jīng)過高溫退火處理后結(jié)構(gòu)變得更為致密。\o"3_退火對薄膜厚度的影響.jpg下載次數(shù):1"為了獲得理想的SIPOS薄膜的致密度，工藝上可以通過調(diào)節(jié)LPCVD的氣體流量、工作真空壓、溫度和氣體比例來得到，同時(shí)可以用退火工藝使薄膜致密度得到增強(qiáng)。2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)從器件的應(yīng)用上，SIPOS薄膜工藝就是要制作出符合器件特性要求的薄膜氧含量O％、薄膜結(jié)構(gòu)密度和薄膜厚度。'從前面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，真空壓從260mtorr到340mtorr以及總氣體流量從90sccm到130scem時(shí)薄膜沉積速率的變化。在實(shí)際應(yīng)用中，真空壓和氣體流量的波動(dòng)范圍較小，在工藝的程序設(shè)計(jì)上可以認(rèn)為是次要因子。爐內(nèi)位置的不均勻性可以通過設(shè)定一定的溫度梯度進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)也跟爐內(nèi)恒溫區(qū)使用長度及每爐工藝處理的晶片數(shù)量有關(guān)。其中最為重要的是溫度、氣體比例和薄膜厚度這三個(gè)工藝控制因子。溫度和氣體比例對薄膜的結(jié)構(gòu)、氧含量、電學(xué)特性有著重要的影響。薄膜厚度則對鈍化的效果及器件的漏電流有重要的影響。因此主要針對這三個(gè)因子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)。以1200V整流高壓二極管為例，二極管輸出電學(xué)特性有反向擊穿電壓VB(Breakdownvoltage)、常溫反向漏電流RTIR(RoomTemperaturereverseleakagecurrent)、高溫反向漏電流．HTIR(HighTemperaturereverseleakagecurrent)，HTIR在150℃高溫下測試所得。、試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選擇完全析因設(shè)計(jì)。由于存在3個(gè)變量，因此有23(8)次試驗(yàn)，再插入兩個(gè)中間值實(shí)驗(yàn)組，則共有10次實(shí)驗(yàn)。這就包括了3個(gè)因子的所有組合以及用中間值來檢驗(yàn)線性度，其中每個(gè)因子具有2個(gè)水平。輸出的響應(yīng)為VB、RTIR和HTIR，當(dāng)實(shí)驗(yàn)完成時(shí)，則可在表中填入輸出響應(yīng)值，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過JMP軟件處理得到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸郊邦A(yù)測公式值，并分析實(shí)際實(shí)驗(yàn)值與公式預(yù)測值之間的余差Residual，結(jié)果如表4所示。\o"4_實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析表.jpg下載次數(shù):2"對VB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到實(shí)驗(yàn)交互作用剖面圖及等值線圖，如圖3、4、5、6。\o"t3_Vb交互作用剖面圖.jpg下載次數(shù):2"\o"t4_薄膜厚度與溫度對Vb的等值線圖.jpg下載次數(shù):2"從圖中可以看出溫度、薄膜厚度、氣體比例對反向擊穿電壓VB的影響。首先影響最大的是氣體比例，氣體比例越低則VB越高。其次是薄膜厚度，厚度越厚則VB越高，溫度越低時(shí)，薄膜厚度對VB的影響越為顯著。溫度對VB也有一定的影響，溫度越高相對VB也高，但在薄膜厚度達(dá)到一定的程度后，溫度對VB的影響顯著變小。實(shí)驗(yàn)分析推導(dǎo)出VR公式模型為：VR=2381．275+5．525×溫度+0．054625×薄膜厚度-9．975×氣體比例0．004825×(溫度-645)×(薄膜厚度-6000)-0．002025×(薄膜厚度6000)×(氣體比例20)+0．002025X(薄膜厚度6000)×(氣體比例20)。;對VB實(shí)驗(yàn)公式模型進(jìn)行分析，得到實(shí)際實(shí)驗(yàn)值與公式預(yù)測值之間的余差，如圖7所示，余差控制在很小的范圍之內(nèi)，說明實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀兄^高的精確度，可以很好地應(yīng)用于工藝參數(shù)調(diào)整的參考。\o"t7_實(shí)際實(shí)驗(yàn)值與公式預(yù)測值的余差.jpg下載次數(shù):1"對RTIR和HTIR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到實(shí)驗(yàn)交互作用圖形如圖8、9所示。\o"t8_RTIR和HTIR交互作用剖面圖.jpg下載次數(shù):1"從圖8、圖9可以看出溫度、薄膜厚度、氣體比例對反向漏電流IR(ReverseLeakageCurrent)的影響。氣體比例越高則常溫漏電流RTIR(RoomTemperatureIR)和高溫漏電流HTIR(HighFemperatureIR)越低。薄膜厚度越薄則RTIR和HTIR越低。而溫度對IR的影響則較小。從以上分析我們可以知道，當(dāng)薄膜厚度增加、氣體比例下降時(shí)會提升反向擊穿電壓VB，但同時(shí)也會造成漏電流IR的增大。因此在調(diào)整參數(shù)時(shí)，應(yīng)從器件本身的特性出發(fā)，根據(jù)器件電學(xué)性能的需求進(jìn)行調(diào)整，有所取舍。3

工藝穩(wěn)定性控制了解工藝參數(shù)與薄膜特性及電學(xué)性能的相互關(guān)系，進(jìn)而建立起輸入與輸出之間的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)產(chǎn)品的電學(xué)性能出現(xiàn)異常時(shí)，通過檢查相關(guān)的工藝參數(shù)，及時(shí)找到異常發(fā)生的原因并加以解決。從工藝穩(wěn)定的角度出發(fā)，可以對輸入的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行有效的監(jiān)控。對于重要的LPCVD設(shè)備參數(shù)如溫度、真空壓、氣體流量等，設(shè)備系統(tǒng)本身都有一套較高精度及穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，但由于外界環(huán)境因素、人為因素的影響、系統(tǒng)本身的老化等原因，一些參數(shù)會不可避免地出現(xiàn)變異和偏差。由于各個(gè)參數(shù)的變化都會影響到沉積速率，進(jìn)而影響到薄膜厚度，工藝上常采用監(jiān)控并定期量測SIPOS薄膜厚度的方法來確定LPCVD系統(tǒng)是否穩(wěn)定。當(dāng)薄膜厚度出現(xiàn)偏差時(shí)，則表示相關(guān)的工藝參數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)波動(dòng)。根據(jù)前面分析的相關(guān)參數(shù)與沉積速率的關(guān)系，查找相關(guān)的工藝參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變異點(diǎn)，并及時(shí)調(diào)整到最佳的設(shè)定狀態(tài)，使輸入?yún)?shù)的偏差能夠很好地控制在可接受的范圍之內(nèi)，從而保證工藝及產(chǎn)品電學(xué)性能的穩(wěn)定。4

結(jié)語在SIPOS工藝中，由于涉及的輸入因子較多，從而使S