管式PECVD 镀膜均匀性改善

1.1 实验设计

1.1.1 实验材料、设备

      实验材料：本实验所用(yòng)硅片為(wèi)市售常规p 型多(duō)晶硅片，尺寸為(wèi)156.75mm×156.75 mm，電(diàn)阻率為(wèi)1～3 Ω•cm，厚度為(wèi)180±30 μm。

      实验设备：使用(yòng)RENA 制绒设备制绒，采用(yòng)Cent r o therm 管式PECVD 设备及设备自身配置的石墨舟镀膜，采用(yòng)致东光電(diàn)D8-4 绒面反射仪测试硅片反射率，采用(yòng)s entech 激光椭偏仪测试硅片镀膜后的膜厚及折射率，使用(yòng)GP COl-Q 颜色检验设备测试镀膜后硅片的颜色。

1.1.2 片内、片间均匀性表征方式

      镀膜均匀性包括片内均匀性和片间均匀性两方面。

      1) 片内均匀性表征方式。镀膜后的硅片用(yòng)同一激光椭偏仪测试膜厚和折射率，用(yòng)于测试的5片硅片均取自同一位置，每片硅片均测试5 个固定点，即1 个中心点和4 个角，根据测试数据用(yòng)标准差来表征片内均匀性。

      2) 片间均匀性表征方式。使用(yòng)GP COl-Q 颜色检验设备测试镀膜后硅片的颜色，根据测试数据用(yòng)标准差来表征片间均匀性。

1.2 实验内容

      1) 本实验的PECVD镀膜工艺采用(yòng)双层镀膜，工艺参数对氮化硅薄膜的沉积速率有(yǒu)重要影响。為(wèi)保证数据的准确性，将同批次的硅片均匀分(fēn)為(wèi)若干组，在其他(tā)工艺条件相同的情况下依次改变以下参数：腔體(tǐ)内、外层气压，内层反应气體(tǐ)的配比，反应气體(tǐ)总气流量，腔體(tǐ)中反应温度，射频功率。

      2) 测试不同硅片制绒面反射率对镀膜均匀性的影响。

      3) 石墨舟是承载硅片的载體(tǐ)，也是氮化硅薄膜沉积的载體(tǐ)，石墨舟状态是否良好会直接影响氮化硅薄膜沉积的均匀性。实验对比新(xīn)、旧石墨舟对镀膜均匀性的影响。

2.1 工艺参数对镀膜均匀性的影响

2.1.1 腔體(tǐ)内、外层气压

      表1 為(wèi)腔體(tǐ)内层气压固定时，不同的外层气压对镀膜均匀性的影响。

      由表1 可(kě)知， 当内层气压為(wèi)固定的1700mTorr、外层气压分(fēn)别為(wèi)1500～1800 mTorr 时，外层气压越低，片间均匀性的数值越小(xiǎo)，表明其均匀性越好。而片内均匀性的数值越小(xiǎo)，表明其均匀性有(yǒu)改善的趋势。

      本次实验中发现，外层气压并非越低越好。当外层气压分(fēn)别為(wèi)1500～1700 mTorr 时，经管式PECVD 镀膜后，硅片外观正常。但经过高温退火处理(lǐ)后，采用(yòng)Zeta 3D 显微镜观察发现，外层气压為(wèi)1500 mTorr 时，硅片表面出现了密集的小(xiǎo)白点，為(wèi)花(huā)斑片；外层气压為(wèi)1600 mTorr 时，偶尔会出现花(huā)斑片；外层气压

為(wèi)1700 mTorr 时，无花(huā)斑片。因此，外层气压為(wèi)1700 mTorr 时最佳。图1 為(wèi)在不同外层气压下镀膜并高温退火后在Zeta 3D 显微镜下的硅片表面对比图。

      硅片表面出现小(xiǎo)白点的原因主要是由于随着外层气压降低，等离子體(tǐ)沉积速率降低，膜层结构致密[3]。在膜层结构致密的情况下，高温退火处理(lǐ)时内层的Si-N 和N-H 键被破坏，大量氢原子逸出薄膜表面[4-5]，而外层高致密膜阻挡了氢原子溢出，薄膜就容易起泡，产生针孔状小(xiǎo)白点[6]。

      表2 為(wèi)腔體(tǐ)外层气压固定时，不同的内层气压对镀膜均匀性的影响。由表2 可(kě)知，内层气压越低，硅片片内均匀性略有(yǒu)改善，但片间均匀性变差。

2.1.2 内层反应气體(tǐ)的配比

      表3為(wèi)外层氮硅比(即氨气和硅烷气體(tǐ)的比值)不变时，不同内层氮硅比对镀膜均匀性的影响。

      由表3 可(kě)知，当外层氮硅比不变时，适当增加内层氮硅比，片内及片间均匀性均得到改善。其原因在于增加内层氮硅比后，等离子气體(tǐ)中的活性硅离子含量下降，导致中间态物(wù)质Si(NH2)3下降，从而降低了氮化硅薄膜生产速率[7-8]，改善了硅片片内及片间色差。

2.1.3 反应气體(tǐ)总气流量

      将同批次实验硅片均匀分(fēn)為(wèi)3 组，每组240 片，内层反应气體(tǐ)的氮硅比固定為(wèi)4.079，外层反应气體(tǐ)的氮硅比固定為(wèi)10.256；然后改变反应气體(tǐ)总气流量，观察其对镀膜均匀性的影响，具體(tǐ)影响情况如表4 所示。

      由表4 可(kě)知，内层反应气體(tǐ)总气流量相对较小(xiǎo)，增加内层反应气體(tǐ)总气流量可(kě)改善腔體(tǐ)内反应气體(tǐ)的气體(tǐ)分(fēn)布密度，缩小(xiǎo)片间差异[9]，改善片间均匀性。但是提高腔體(tǐ)内层或外层反应气體(tǐ)总气流量，单位體(tǐ)积内等离子气體(tǐ)中的活性硅离子含量也随之增加[8]，薄膜生長(cháng)速率增加，导致片内均匀性明显变差。

2.1.4 射频功率

      射频功率是影响沉积速率的主要因素，射频功率越大，沉积速率越大[6]，镀膜均匀性越差。表5 為(wèi)射频功率对镀膜均匀性的影响，由图可(kě)知，射频功率增至8000 W时，片间、片内均匀性均变差。

2.1.5 腔體(tǐ)中反应温度

      腔體(tǐ)中反应温度的控制主要表现在调节石墨舟各温區(qū)的直接链接变量(direct link varaiation，DLV) 和清理(lǐ)腔體(tǐ)内部碎片这两方面。图2 為(wèi)石墨舟各温區(qū)的示意图。

      图3 為(wèi)同机台、同炉管时，调节DLV 值控制腔體(tǐ)中石墨舟各區(qū)温度对硅片片间均匀性的影响。可(kě)以看出，调节DLV 后硅片内部厚度标准偏差有(yǒu)所降低，说明改善了硅片片间均匀性。

      图4 為(wèi)调节DLV 值前后石墨舟各温區(qū)片间均匀性对比情况。由图4 可(kě)知，DLV 调节后石墨舟各温區(qū)片间均匀性得到改善。

      腔體(tǐ)内碎片过多(duō)会影响热電(diàn)偶测温，使腔體(tǐ)内实际温度和测定温度不一致，导致等离子在石墨舟内硅片上沉积速率存在差异[10]，同时还会影响腔體(tǐ)内部进气及气流传输过程的稳定性，导致片间均匀性变差。因此需要对腔體(tǐ)内部碎片进行清理(lǐ)。图5 為(wèi)同一机台掏炉管清理(lǐ)腔體(tǐ)内部碎片前后硅片片间均匀性的差异。

      图6 為(wèi)掏炉管清理(lǐ)腔體(tǐ)内部碎片前后石墨舟内各温區(qū)片间均匀性的差异。由图可(kě)知，各温區(qū)片间均匀性均有(yǒu)明显改善。