LPCVD設(shè)備維修及應(yīng)用[1]

1、低壓化學氣相淀積設(shè)備使用與維護技術(shù)譚剛吳 嘉麗 李仁鋒中國工程物理研究院電子工程研究所傳感器研究中心四川綿陽621900摘要: LPCVD是大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)以及半導(dǎo)體光電器件工藝領(lǐng)域里的主要工藝之一。PCVD技術(shù)可以提高淀積薄膜的質(zhì)量，使膜層具有均勻性好、缺陷密度低、臺階覆蓋性好等優(yōu)點，成為制備Si3N4薄膜的主要方法。熱壁LPCVD設(shè)備使用過程中出現(xiàn)薄膜的淀積速率、薄膜的均勻性、片內(nèi)均勻性、片間均勻性不理想等問題，提出解決辦法。一、引言PCVD技術(shù)可以提高淀積薄膜的質(zhì)量，使膜層具有均勻性好，缺陷密度低，臺階覆蓋性好等優(yōu)點，成為制備Si3N4薄膜的主要方法

2、。淀積時，硅片垂直放人反應(yīng)器中，間隙緊湊，大大提高了設(shè)備的加工能力，有利于降低生產(chǎn)成本，與水平放置硅片的系統(tǒng)相比，避免了反應(yīng)器掉落微粒的沾污。熱壁LPCVD技術(shù)有如下特點:淀積溫度低、均勻性好，能很好地控制其組分，并有良好的臺階覆蓋性、可控性和重復(fù)性好，成本低、成品率高、適合大批量生產(chǎn)，且淀積薄膜不受襯底的影響。二、設(shè)備使用中的問題熱壁LPCVD Si3N4、PolySi薄膜的淀積速率不僅與參加反應(yīng)的氣體、氣體流量大小有關(guān)，還與爐溫、淀積壓力等因素有關(guān)。由于熱壁LPCVD Si3N4、Poly一Si時，一般在表面反應(yīng)控制范圍內(nèi)，所以，Si3N4和Poly一Si薄膜的淀積速率隨爐溫升高而增加，隨

3、淀積壓力的增大而加快。目前的SiH2C12+NH3氣體體系生成的Si3N4薄膜，淀積溫度為740一800，在此溫度范圍內(nèi)所淀積的薄膜質(zhì)量沒有明顯的差別。在SiH2C12+NH3反應(yīng)系統(tǒng)中，為防止淀積薄膜中有富硅，使用了較多量的NH3。一般采用SiH2C12+NH3=1:4一1:6的氣體流量比。在富氨的情況下，淀積速率與NH3流量的關(guān)系并不密切，而是隨著SiH2C12流量的加大而增高。值得注意的是，熱壁LPCVD Si3N4、PolySi的淀積速率與裝片量也有關(guān)，一般情況下隨著裝片量的增加淀積速率減慢。熱壁LpCVD與熱壁常壓CVD(APCVD)相比有一個明顯的特點:即前者有較好的薄膜(如:Si

4、3N4、Poly一Si)淀積均勻性，但不同的氣體反應(yīng)體系其均勻性相差也較大，如在熱壁LPCVD中采用SiH4+NH3反應(yīng)體系制備Si3N4，片內(nèi)膜厚的不均勻性較嚴重，可達20%，雖然通過改進石英舟結(jié)構(gòu)可使不均勻度控制在士5%以內(nèi)，但不能滿足高質(zhì)量薄膜的要求。而在熱壁LPCVD系統(tǒng)中采用SiH2C12+NH3反應(yīng)氣體制備Si3N4薄膜，不需要對石英舟作任何改進就能達到較好的均勻性，且對溫度的影響也較小。但在實際工作中可能會出現(xiàn)下列幾種情況:(l)片內(nèi)均勻性不理想熱壁LPCVD Si3N4薄膜淀積完畢后發(fā)現(xiàn)同一片內(nèi)薄膜，有一點較厚，其余三點居中。這種情況一般為硅片的圓心與石英爐管的軸心偏離位置不同

5、所引起的。在最佳位置生長狀態(tài)下，生長的薄膜用五點測試時，其最薄點應(yīng)為圓心，其余四點基本一致。由于懸臂，載片舟及硅片的位置形狀決定通過每個石英管截面的氣流模式，當硅片偏離在在爐管中最佳位置范圍時，流過管內(nèi)每個截面各部分的氣壓差、流速變大，氣體不在均勻地從爐口走向爐尾。解決方法：遇到這種情況，一般是先正確地找到測厚點的位置，然后適當?shù)卣{(diào)整石英舟徑向位置，即調(diào)整懸臂位置，讓測厚點接近爐臂，測薄點稍稍遠離爐臂，一般情況下可改善薄膜片內(nèi)的均勻性。(2)片間均勻性不理想片間均勻性一般存在兩種情況:第一種情況是靠爐口的硅片淀積膜厚，靠爐尾的淀積膜薄。方法：通過調(diào)節(jié)爐管前、后段爐溫使之形成溫度梯度的方法加以解

6、決。第二種情況是兩頭的石英舟淀積膜較薄，中間石英舟的淀積膜較厚，或靠爐口的偏薄。方法：需要調(diào)整石英舟的位置。如熱壁LPCVD多晶硅，為了改善多晶硅薄膜的片間均勻性，可采用爐口和爐尾分別同時有反應(yīng)氣體進人，使反應(yīng)氣體濃度分布均勻，如果石英舟太靠近爐口或爐尾，淀積的薄膜必然偏薄。有時出現(xiàn)這種現(xiàn)象，除了保證石英舟在爐中間外，還可通過調(diào)節(jié)爐口爐尾進氣比例來解決。三、熱壁LPCVD設(shè)備故障及維護A、真空度(l)真空度偏高，真空計有指示(即<133Pa)，但極限真空壓力抽不到原設(shè)定的壓力。這種情況可能有三種現(xiàn)象:第一種是真空系統(tǒng)存在慢泄漏，系統(tǒng)檢漏通不過。原因及解決：各接口的O型密封圈不干凈或接頭螺

7、帽沒有擰緊所致。我們常見的是爐門大O型密封圈沒有裝好或使用一段時間后O型密封圈老化變形影響密封性所致，此時換一個O型密封圈即可解決;（2）第二種情況為真空度指示不正常，但系統(tǒng)檢漏尚可，漏速小于min。原因及解決：很可能為壓力傳感部分被堵，清洗一下即可排除，當然也不能排除機械泵抽氣速率下降的可能性（3）第三種現(xiàn)象是爐管清洗后真空度抽不上來，原因及解決：可能為冷阱(粒子捕集阱)，波紋管清洗后沒有徹底烘干，開機械泵抽真空后剩余的水慢慢氣化所致。所以要求清洗后將波紋管和冷阱放在烘箱里烘干，烘箱溫度保持在80一100為宜。B、機械泵抽真空時，真空計無指示(即壓力<133Pa)。原因及解決：可能為進

8、出舟時爐門沒有完全關(guān)好，此時在爐口處可聽到“吱吱”聲。關(guān)好爐門后此種現(xiàn)象即能排除。C、淀積速率變慢。正常情況下，當爐溫、氣體流量、工作壓力一定時，其反應(yīng)速率基本保持穩(wěn)定，但實際工作中，我們發(fā)現(xiàn)淀積速率有時明顯變慢，檢查氣體流量、爐溫、工作壓力均正常。這種現(xiàn)象特別常見于SiH2C12+NH3體系。原因及解決：進人反應(yīng)系統(tǒng)中的SiH2C12流量減少，由于NH3過量，有時很難從工作壓力中看出來。拆開SiH2C12流量計控制閥(電磁閥)或傳感部分，從小孔中可以看到有局部堵塞現(xiàn)象，清洗后速率可恢復(fù)。D、淀積不上。這種現(xiàn)象有時出現(xiàn)在多晶硅薄膜的淀積工藝中，由于多晶硅淀積時要求爐溫為550一620，有時爐子

9、升溫時由于過流引起加熱電源開關(guān)跳掉，實際淀積時爐溫已下降至500以下，故發(fā)生氣體流量異常，淀積不上的現(xiàn)象。為了使熱壁LPCVD設(shè)備長期正常運轉(zhuǎn)，除了要求操作者正確地操作、使用設(shè)備外，采取一些有效的方法維護好設(shè)備，是保護好熱壁LPCVD設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，為此可采取下列措施:(l)盡可能地讓熱壁LPCVD設(shè)備的真空系統(tǒng)處于真空狀態(tài)。熱壁LPCVD設(shè)備按淀積工藝要求，所用的工藝氣體及反應(yīng)生成副產(chǎn)物，一般都具有強烈的腐蝕性。如果Si3N4薄膜淀積完畢后不及時將反應(yīng)殘余氣體抽盡，則很可能腐蝕氣路接口、波紋管、真空計、真空泵等。所以，在Si3N4薄膜淀積完畢后，盡量延長真空泵的抽氣時間，以便盡可能地抽除

10、殘余氣體。遇到幾天不用時，開啟一次真空泵抽一次，以提高設(shè)備使用完好率。(2)及時充裝氮氣。在作完工藝后，爐管內(nèi)石英舟上裝有淀積好的硅片，一定要將其保存在充滿氮氣的環(huán)境內(nèi)，以防止氧化、腐蝕，這樣可以更好的保存。(3)定期更換真空泵油。雖然所使用的真空系統(tǒng)安裝了真空泵油過濾器，能保持較長時間的泵油清潔。但對于象SiH2C12+NH3這樣的反應(yīng)體系，由于反應(yīng)時在爐尾和爐口兩端生成了副產(chǎn)物NH4CI白色粉末，NH4CI在反應(yīng)管后部的波紋管、真空管壁上淀積是相當嚴重的，它和HCI等有害雜質(zhì)隨時有被抽至真空泵的危險。這些顆粒，不斷少量地進人真空泵，使泵油變稠，堵塞泵油過濾系統(tǒng)，影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。所以必須

11、定期更換真空泵油。(4)定期檢修電磁閥。為了防止真空泵油返回真空管道內(nèi)，在真空泵上安裝了電磁閥，該電磁閥常見的故障是，電磁閥內(nèi)由于有少量的NH4CI粉末存在，使電磁閥內(nèi)的O型密封圈的密封性能降低，導(dǎo)致真空系統(tǒng)存在著慢泄漏，整個設(shè)備的真空系統(tǒng)在停機后不能保持真空狀態(tài)，只有定期檢修電磁閥，清洗后更換電磁閥內(nèi)的O型密封圈，才能在薄膜淀積完畢后使熱壁LPCVD設(shè)備的真空系統(tǒng)處于真空狀態(tài)。(5)定期清洗石英管。在淀積過程中石英管和石英舟上都會淀積上一層薄膜，在每次工藝結(jié)束后，都應(yīng)將石英舟在原位適當移動一下，以免石英舟和石英管沾附。隨著工藝生產(chǎn)的增多，在石英管和石英舟上淀積的薄膜越來越厚。在達到一定程度后，石英管出現(xiàn)了硅裂的現(xiàn)象，也使得整個石英管的承重加大，超過了其最大負載，一根石英管出現(xiàn)一定程度的下沉(原來兩根石英管處于同一水平面上)。從而導(dǎo)致石英舟上裝的硅片也跟著一起下沉，偏離了爐管中心位置，造成淀積的薄膜不均勻。因此，