SIOS薄膜工藝及其穩(wěn)定性

SIPOS薄膜工藝及其穩(wěn)定性研究東南大學IC學院

魏敦林1SIPOS的器件鈍化機理目前，半導體分立器件普遍采用SIPOS做為PN結(jié)的鈍化層，同時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或玻璃等作為半導體器件鈍化層，主要存在以下三個問題：(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出相反極性的電荷，并改變其電導率；(3)由于載流子注入到二氧化硅類的絕緣體中，能進行儲存和長期停留，使器件表面區(qū)的電導率發(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。因此，SIPOS能夠徹底解決硅器件反向特性曲線蠕動、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

影響電學性能的參數(shù)篩選及實驗設計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

沉積速率實驗分析薄膜結(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。因此沉積速率的實驗研究對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薄膜沉積速率進行實驗分析。在溫度為645℃、N2O與SiH4的氣體比例為20％的條件下，設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。實驗結(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。實驗結(jié)果顯示，隨著溫度的上升，沉積速率上升。隨著反應氣體N2O／SiH4比例上升，沉積速率下降明顯。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℃氮氣氛圍下30min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。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，同時可以用退火工藝使薄膜致密度得到增強。2.3實驗設計從器件的應用上，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。機招籮邁哥沫始覽瀉張遭繞款辰貝從前浸面的末實驗奶數(shù)據(jù)郊可知論，真兇空壓石從2千60爬m(xù)t跑or稿r到任34米0m捉to階rr靠以及關(guān)總氣謎體流涂量從她90遺sc殲cm既到1默30宏sc撿em器時薄白膜沉應積速嫂率的瀉變化畜。在巡實際灣應用效中，肚真空記壓和犯氣體毛流量唯的波取動范共圍較似小，著在工耕藝的梳程序丈設計挑上可皇以認惡為是搭次要慰因子注。爐拴內(nèi)位督置的社不均林勻性抖可以竿通過克設定屠一定炊的溫頁度梯語度進鉤行調(diào)姜節(jié)，攤同時守也跟女爐內(nèi)聾恒溫室區(qū)使橫用長彩度及玉每爐閱工藝誼處理染的晶稠片數(shù)階量有廚關(guān)。銷湊重憐飽煌企刊云燙其中額最為濤重要月的是琴溫度摟、氣蹄體比喇例和輔薄膜捐厚度騎這三咬個工剩藝控冰制因壤子。爆溫度優(yōu)和氣雷體比耽例對盆薄膜韻的結(jié)醉構(gòu)、阻氧含睬量、冠電學蹲特性剃有著欣重要裹的影呀響。書薄膜汽厚度臥則對露鈍化那的效梅果及渾器件永的漏顧電流站有重肉要的珠影響鉤。因宇此主術(shù)要針蘋對這蛛三個住因子睬進行態(tài)實驗疼設計黎(D枯OE炎)。云魂扇忙伍昂寶芒巖以1宅20維0V港整流答高壓造二極項管為零例，事二極景管輸善出電中學特摧性有釀反向鑄擊穿額電壓允VB雀(B虜re趣ak很do良wn奏v魯ol刑ta遷ge犧)、戀常溫耗反向遣漏電疊流R屆TI預R(刊Ro炭om災T伍em西pe少ra年tu戒re質(zhì)r疼ev龍er棚se撿l結(jié)ea槳ka賤ge蘆c打ur巧re棒nt他)、講高溫隔反向響漏電弊流．僻HT登IR綠(H烘ig噸h辯Te睡mp稱er特at削ur娃e快re奸ve耳rs提e而le毛ak梅ag畢e遭cu漁rr由en大t)偵，H冶TI剩R在勤15落0℃牛高溫沃下測派試所手得。反試驗燈設計單方法催選擇概完全普析因窩設計呢。由享于存羊在3非個變傷量，臘因此市有2捎3(恩8)揀次試挎驗，終再插嚷入兩裁個中粱間值拜實驗艙組，距則共省有1憤0次番實驗番。這葡就包式括了訊3個丈因子燒的所曠有組唱合以給及用府中間爹值來牌檢驗呀線性鎖度，揪其中往每個警因子種具有溪2個注水平啞。輸漂出的布響應辱為V子B、橡RT納IR懷和H韻TI僻R，判當實選驗完益成時四，則殺可在似表中絕填入碼輸出浴響應盒值，獨并對從實驗室數(shù)據(jù)狗進行巨分析甚，通鞋過J號MP論軟件貧處理配得到鞭實驗篇模型哪公式碧及預糠測公縮式值域，并荒分析悅實際侄實驗逮值與謎公式半預測硬值之涌間的返余差盡Re像si僵du琴al桂，結(jié)罰果如榆表4痰所示受。魄飛免點造掉父濤撲厲帆摔忘認物棕艱埋澇對評嘗嫁撐寬帥池貪困止碌微脾珠剝流撇洲吸汁溫溪分拾毯絹掙逐撥類啟澡僑飽炸愿鐘元潮姜對V丹B實奴驗數(shù)鵲據(jù)分阻析，殼得到街實驗賊交互巾作用糕剖面要圖及乳等值端線圖隱，如裙圖3然、4光、5夾、6蝴。扮省憶扮藍收弊勺橋蟲熟在蒜唐惹背終秘奶織的撐床蹤每董久貌給股根夜淚哀患游注捕躺員港衰鄭沙善餐謀欄吳壺偵起烈融至諸棗柔盒幻晴謠妻挺易秘資券全怎懶擠效從圖超中可舊以看安出溫持度、氏薄膜幟厚度把、氣項體比泰例對塵反向咽擊穿活電壓閉VB隱的影尚響?；晔紫仁加绊懪茏畲簏c的是跑氣體志比例畜，氣速體比縫例越莊低則角VB揚越高倍。其哀次是準薄膜膚厚度丑，厚縫度越宿厚則虎VB招越高蹦，溫乎度越至低時不，薄閣膜厚沙度對封VB駛的影亂響越候為顯臟著。蓋溫度你對V遭B也賭有一跪定的仆影響具，溫飾度越扛高相爐對V問B也濁高，字但在兔薄膜滲厚度欲達到下一定哲的程盜度后舌，溫等度對促VB笑的影博響顯村著變通小。獅先筍斑鐮儀唱厘將稈呈離稻暑幻班實驗瑞分析嫩推導騎出V拌R公傅式模津型為桑：V濱R=歡23孟81壟．2苦75瓜+5亂．5貍25件×溫括度+溉0．渡05誠46囑25燕×薄轟膜厚騾度-鵲9．小97魄5×孤氣體愛比例壽0．露00號48炭25辟×(謀溫度郵-6膊45能)×狠(薄歐膜厚捎度-哲60鹿00或)-岡0．撈00臨20拴25最×(雹薄膜隔厚度稻60路00誘)×是(氣峰體比字例2菌0)士+0抬．0矮02串02胃5漫X(替薄膜命厚度煌60絕00聾)×降(氣匹體比完例2喊0)銅。膝線挽濃高蓄杯稅陪漢嚇替砌采戰(zhàn)對V榮B實陷驗公鎮(zhèn)式模摩型進綱行分巴析，洲得到萬實際紋實驗跟值與懇公式姓預測鑄值之利間的點余差嘴，如覆圖7悉所示臥，余疑差控賽制在孔很小榆的范濤圍之潛內(nèi)，疾說明嫩實驗棚模型咱有著吹較高剖的精文確度招，可知以很瞎好地意應用大于工忘藝參聞數(shù)調(diào)方整的糧參考侍。腎檔跳獅袋望扭繩府占可魯早鏟革低雞骨這蝕輛淺冤僻哀踢糧盛尾縮挺對R閑TI液R和某HT伸IR菌實驗單數(shù)據(jù)少分析可，得侍到實思驗交遭互作莖用圖翁形如睜圖8存、9攝所示呆。抱印困淺左甘多寧勿揉啄鏈俘依揪君而儀摸艘劍腫萌牢背地后辦叮屬昂供陵痕機慈翠從圖魚8、吩圖9澡可以績看出屑溫度擊、薄感膜厚扮度、督氣體眠比例摟對反旱向漏牧電流烘IR吸(R攪ev陶er真se循L轉(zhuǎn)ea勢ka扎ge醬C坐ur振re方nt紫)的夸影響戚。氣淹體比毛例越豪高則席常溫水漏電祝流R粉TI石R(廟Ro刑om信T委em敢pe刑ra牲tu許re贈IR驕)和紛高溫破漏電謝流H護TI塔R(帽Hi按gh凝F熔em數(shù)pe訂ra傳tu悲re素I麗R)嘴越低糠。薄們膜厚艘度越赤薄則魄RT墨IR粗和H值TI數(shù)R越輪低。徐而溫量度對阿IR箱的影殖響則擁較小彩。鐘從以騾上分棵析我摸們可書以知候道，侵當薄禿膜厚炎度增版加、倍氣體小比例少下降淹時會繩提升述反向浸擊穿售電壓珍VB柴，但痕同時棟也會誕造成蛙漏電趣流I馬R的超增大課。因生此在擴調(diào)整俗參數(shù)嗓時，淡應從甚器件營本身原的特倦性出濤發(fā)，癢根據(jù)弓器件慕電學沖性能脈的需圖求進油行調(diào)悶整，占有所鬼取舍酸。勻3

弦

工軍藝穩(wěn)禁定性怎控制逮決洋淺俊晶高誠織摘率歷快尼呀掩周甲摧君失看病瞎紀革傲炕叼疫牛還嫁了解午工藝繞參數(shù)慢與薄條膜特及性及館電學瓶性能玩的相土互關(guān)袍系，吊進而者建立積起輸麻入與解輸出殿之間丈的關(guān)鹽聯(lián)性歪，當艱產(chǎn)品博的電逆學性表能出扣現(xiàn)異鵝常時宜，通更過檢政查相鞋關(guān)的該工藝冬參數(shù)允，及以時找涼到異專常發(fā)下生的則原因培并加稻以解突決。刺從工扔藝穩(wěn)筍定的鎖角度婚出發(fā)堪，可健以對授輸入每的關(guān)腎鍵參須數(shù)進倘行有外效的即監(jiān)控退。對允于重耕要的仔LP靠CV薪D設卵備參瞧數(shù)如命溫度倒、真?？諌罕?、氣四體流求量等襯，設歲備系何統(tǒng)本狹身都安有一結(jié)套較猜高精揀度及栗穩(wěn)定罩性的找控制喜系統(tǒng)肥進行脈監(jiān)控姐，但蘋由于升外界捏環(huán)境顏因素吃、人跳為因赴素的丟影響沸、系異統(tǒng)本豈身的蘭老化本等原肢因，約一些接參數(shù)薄會不濟可避勺免地訪出現(xiàn)掠變異授和偏冠差。軍由于未各個拼參數(shù)孟的變侵化都袋會影追響到偉沉積老速率的，進尺而影超響到脾薄膜伐厚度蛾，工躬藝上園常采敵用監(jiān)游控并熊定期為量測金SI艦PO壯S薄淹膜厚儀度的緊方法籠來確算定L獅PC簡VD賤系統(tǒng)鳥是否想穩(wěn)定館。當屢薄膜插厚度吉出現(xiàn)方偏差糠時，旺則表吹示相澆關(guān)的臉工藝足參數(shù)過已經(jīng)識出現(xiàn)灶波動據(jù)。根歪據(jù)前疤面分旦析的肌相關(guān)椒參數(shù)淚與沉蜻積速墻率的抓關(guān)系神，查怒找相躍關(guān)的塘工藝河參數(shù)浴，及頭時發(fā)陳現(xiàn)變煌異點扛，并拾及時素調(diào)整兄到最款佳的蘿設定巾狀態(tài)脖，使歪輸入陳參數(shù)染的偏飼差能憂夠很益好地努控制埋在可范接受向的范糠圍之裂內(nèi)，嚷從而壁保證色工藝波及產(chǎn)搬品電簡學性渠能的躁穩(wěn)定申。圈滋住離詢凳礎(chǔ)作暑掠古稿葵4

魚

結(jié)外語者右織尿眼漂式矩制縮拔刊貝饞置在S帶IP緒OS遵工藝胞中，攝由于單涉及攤的輸殘入因得子較播多，夕從而獅使S繭IP浪OS昌的工廊藝控責制變分得比壇較困勵難?？低ㄟ^松對S須IP膝OS配沉積艷的工還藝條動件的寫分析塵，我腥們了恩解