SIPOS薄膜工艺及其稳定性研究

SIPOS薄膜工艺及其稳定性研究2009年10月28日电子与封装魏敦林（东南大学IC学院，南京210096）1SIPOS的器件钝化机理目前，半导体分立器件普遍采用SIPOS做为PN结的钝化层，同时在表面再覆盖上一层玻璃做为绝缘层。如果直接采用绝缘层如SiO2或玻璃等作为半导体器件钝化层，主要存在以下三个问题：(1)绝缘层中靠近硅衬底界面处有固定正电荷，会造成N型硅的电子积累和P型硅的反型层；(2)不能防止钝化层的电荷积累或Na+、K+等碱金属离子沾污，这些电荷能在靠近硅衬底表面的地方感应出相反极性的电荷，并改变其电导率；(3)由于载流子注入到二氧化硅类的绝缘体中，能进行储存和长期停留，使器件表面区的电导率发生改变，从而使PN结反向击穿电压变坏。而使用SIPOS做为钝化层，由于SIPOS的电中性，能使在外界环境下感生的电荷不堆积在硅表面，而是流入到半绝缘多晶硅，被膜中大量的陷阱所俘获，从而在多晶硅中形成屏蔽外电场的空间电荷区，使硅衬底表面的能带分布不受外电场的影响，薄膜的半绝缘性使膜中可以有电流流过，因而缓解了势垒区表面电场，从而提高了结的击穿电压。SIPOS膜包含有氧原子，这些氧原子减少了表面态密度，降低了漏电流。所以它是高压器件理想的钝化膜，再加上膜是电中性的，在电路中就更能显示它的优越性了。因此，SIPOS能够彻底解决硅器件反向特性曲线蠕动、漂移、反向漏电流大等诸多弊端，使得器件在高温环境下具有较高的稳定性和可靠性。2影响电学性能的参数筛选及实验设计钝化层的作用是为了提升器件的反向击穿电压并控制较低的漏电流，提升器件的可靠性和稳定性能。从产品的电学性能来衡量钝化层的质量主要是看反向击穿电压和反向漏电流。影响电学性能的主要是SIPOS薄膜的氧含量0％、薄膜的结构致密度及薄膜厚度。相关的LPCVD参数主要有：N2O气体与SiH4的气体流量，两种气体混合的比例，沉积温度，沉积真空压。此外炉内的位置以及晶片在SIPOS沉积前的表面处理也会对电学性能造成影响。不同的炉内位置氧含量和沉积速率不同，从气体入口端到出口端，氧含量逐渐增加而沉积速率逐渐下降，且其变化是非线性的，特别是在入口端，反应较为激烈，沉积速率较大。工艺上一般通过高温炉内有效使用区域的选择以及温度梯度的调整来获得较均匀的沉积速率。晶片在SIPOS工艺前的表面清洗处理后，表面生长的自然氧化层对晶片在SIPOS沉积后的电学性能也有一定的影响，其原因是改变了SIPOS与硅衬底间的界面态密度。因此在前处理的工艺中除了注意化学清洗的洁净度外，还需要控制晶片表面自然氧化层的状况。2．1沉积速率实验分析薄膜结构致密度及薄膜厚度与薄膜的沉积速率密切相关，沉积速率越大，结构越松散，反之结构越致密。因此沉积速率的实验研究对SIPOS工艺的掌握和稳定性控制非常重要。下面从LPCVD的主要参数气体流量、真空压、沉积温度、气体混合比例对SIPOS薄膜沉积速率进行实验分析。在温度为645℃、N2O与SiH4的气体比例为20％的条件下，设定不同的气体流量与真空压，分析气体流量与真空压对沉积速率的影响，如表1和图1所示。实验结果显示，流量越大则沉积速率越快。降低真空压会使沉积速率下降，但能获得更致密的薄膜质量，同时对于从炉口到炉尾不同位置的晶片的沉积速率均匀性也会有所改善。在总的气体流量为110sccm、真空压为300mtorr的条件下，设定不同的温度和气体比例，分析温度和气体比例对沉积速率的影响，如表2和图2所示。实验结果显示，随着温度的上升，沉积速率上升。随着反应气体N2O／SiH4比例上升，沉积速率下降明显。2.2退火对SIPOS薄膜的影响在温度为645℃、N20与Sill4的气体比例为20％的条件下沉积SIPOS薄膜1h，测量其薄膜厚度，再经过高温900℃氮气氛围下30min退火，测量薄膜厚度，发现薄膜厚度降为原来的94％左右，如表3所示。SIPOS薄膜经过高温退火处理后结构变得更为致密。为了获得理想的SIPOS薄膜的致密度，工艺上可以通过调节LPCVD的气体流量、工作真空压、温度和气体比例来得到，同时可以用退火工艺使薄膜致密度得到增强。2．3实验设计从器件的应用上，SIPOS薄膜工艺就是要制作出符合器件特性要求的薄膜氧含量O％、薄膜结构密度和薄膜厚度。从前面的实验数据可知，真空压从260mtorr到340mtorr以及总气体流量从90sccm到130scem时薄膜沉积速率的变化。在实际应用中，真空压和气体流量的波动范围较小，在工艺的程序设计上可以认为是次要因子。炉内位置的不均匀性可以通过设定一定的温度梯度进行调节，同时也跟炉内恒温区使用长度及每炉工艺处理的晶片数量有关。其中最为重要的是温度、气体比例和薄膜厚度这三个工艺控制因子。温度和气体比例对薄膜的结构、氧含量、电学特性有着重要的影响。薄膜厚度则对钝化的效果及器件的漏电流有重要的影响。因此主要针对这三个因子进行实验设计(DOE)。以1200V整流高压二极管为例，二极管输出电学特性有反向击穿电压VB(Breakdownvoltage)、常温反向漏电流RTIR(RoomTemperaturereverseleakagecurrent)、高温反向漏电流．HTIR(HighTemperaturereverseleakagecurrent)，HTIR在150℃高温下测试所得。试验设计方法选择完全析因设计。由于存在3个变量，因此有23(8)次试验，再插入两个中间值实验组，则共有10次实验。这就包括了3个因子的所有组合以及用中间值来检验线性度，其中每个因子具有2个水平。输出的响应为VB、RTIR和HTIR，当实验完成时，则可在表中填入输出响应值，并对实验数据进行分析，通过JMP软件处理得到实验模型公式及预测公式值，并分析实际实验值与公式预测值之间的余差Residual，结果如表4所示。对VB实验数据分析，得到实验交互作用剖面图及等值线图，如图3、4、5、6。从图中可以看出温度、薄膜厚度、气体比例对反向击穿电压VB的影响。首先影响最大的是气体比例，气体比例越低则VB越高。其次是薄膜厚度，厚度越厚则VB越高，温度越低时，薄膜厚度对VB的影响越为显著。温度对VB也有一定的影响，温度越高相对VB也高，但在薄膜厚度达到一定的程度后，温度对VB的影响显著变小。实验分析推导出VR公式模型为：VR=2381．275+5．525×温度+0．054625×薄膜厚度-9．975×气体比例0．004825×(温度-645)×(薄膜厚度-6000)-0．002025×(薄膜厚度6000)×(气体比例20)+0．002025X(薄膜厚度6000)×(气体比例20)。对VB实验公式模型进行分析，得到实际实验值与公式预测值之间的余差，如图7所示，余差控制在很小的范围之内，说明实验模型有着较高的精确度，可以很好地应用于工艺参数调整的参考。对RTIR和HTIR实验数据分析，得到实验交互作用图形如图8、9所示。从图8、图9可以看出温度、薄膜厚度、气体比例对反向漏电流IR(ReverseLeakageCurrent)的影响。气体比例越高则常温漏电流RTIR(RoomTemperatureIR)和高温漏电流HTIR(HighFemperatureIR)越低。薄膜厚度越薄则RTIR和HTIR越低。而温度对IR的影响则较小。从以上分析我们可以知道，当薄膜厚度增加、气体比例下降时会提升反向击穿电压VB，但同时也会造成漏电流IR的增大。因此在调整参数时，应从器件本身的特性出发，根据器件电学性能的需求进行调整，有所取舍。3工艺稳定性控制了解工艺参数与薄膜特性及电学性能的相互关系，进而建立起输入与输出之间的关联性，当产品的电学性能出现异常时，通过检查相关的工艺参数，及时找到异常发生的原因并加以解决。从工艺稳定的角度出发，可以对输入的关键参数进行有效的监控。对于重要的LPCVD设备参数如温度、真空压、气体流量等，设备系统本身都有一套较高精度及稳定性的控制系统进行监控，但由于外界环境因素、人为因素的影响、系统本身的老化等原因，一些参数会不可避免地出现变异和偏差。由于各个参数的变化都会影响到沉积速率，进而影响到薄膜厚度，工艺上常采用监控并定期量测SIPOS薄膜厚度的方法来确定LPCVD系统是否稳定。当薄膜厚度出现偏差时，则表示相关的工艺参数已经出现波动。根据前面分析的相关参数与沉积速率的关系，查找相关的工艺参数，及时发现变异点，并及时调整到最佳的设定状态，使输入参数的偏差能够很好地控制在可接受的范围之内，从而保证工艺及产品电学性能的稳定。4结语在SIPOS工艺中，由于涉及的输入因子较多，从而使SIPOS的工艺控制变得比较困难。通过对SIPOS沉积的工艺条件的分析，我们了解了SIPOS工艺中输入因子与输出响应之间的关系，进而了解了不同输入因子对工艺控制参数、电学性能的敏感程度。调节输入因子的参数设定，使其尽可能落在对输出响应不敏感的区域，以保证即使系统出现轻微的波动，也能使输出响应保持在可接受的控制范围之内，但事实上系统的波动是不可消除的，最多只能尽可能地减少这种波动，以避免其对输出响应可能造成的不良影响