-工艺条件

时间：2024-10-19 百科知识版权反馈

【摘要】：一切单膜工艺条件的改变，更多的是为了均匀性考虑。表6.13中假定工艺参数偏离标准，在单向增加时，单层膜质量变化的情况。成膜速度增加的主要原因是基板表面的硅烷自由基增多，流量越大，自由基越多，所以成膜速度增加。而刻蚀速度随着膜质偏于二氧化硅，线性下降。对均匀性的影响。工艺条件的选择。均匀性在中心条件附近比较好。

6.4.1　G-SiN工艺条件

（1）电源功率越大，成膜速度越快，均匀性有所下降。

（2）硅烷流量与氨气流量对膜的质量影响：硅烷流量上升，膜质硅化，表现为N—H/Si—H下降，氢氟酸刻蚀速度下降，成膜速度上升，折射率上升，膜应力下降。氨气流量上升，膜质氨化，表现为N—H/Si—H上升，氢氟酸刻蚀速度上升，成膜速度下降，折射率下降，膜应力下降。

（3）氮气与氢气对膜质和均匀性起调整作用，流量上升时膜质变化与氨气相同。

（4）压力与间隔对均匀性的作用：压强越大，均匀性越好。间隔在某个值附近时，均匀性最好。

单膜评价只考虑单膜的成膜速度、均匀性以及膜质，一般不考虑对整个TFT的影响，因此也就不考虑膜厚、附加工艺等的作用。由于每个单膜的工艺参数基本相同，作用也相似，分析G-SiN就能够比较好地定性分析其他如氮化硅和二氧化硅膜的性质。而在实际生产中，膜的质量要求相对而言更容易满足需要，稍有偏差也不会有很大的影响。对于第5代及以上的生产线，由于基板尺寸已经很大，均匀性的问题变成了第一位需要考虑的因素。一切单膜工艺条件的改变，更多的是为了均匀性考虑。

表6.13　单层膜性能与工艺参数的关系

表6.13中假定工艺参数偏离标准，在单向增加时，单层膜质量变化的情况。我们看到成膜速度随着硅烷流量、电源功率的增加而提高，随着氨气的流量、氮气的流量、氢气的流量、压强和距离的增加而下降。

成膜的均匀性随着硅烷流量、氢气的流量、电源功率和距离的增加而下降，随着压强的增加而提高；随着氨气的流量、氮气的流量的增加先是下降，然后通过一个拐点以后上升。

膜的折射率随着硅烷流量、氨气的流量、氮气的流量、氢气的流量、电源功率、压强和距离的增加，先是下降，然后通过一个拐点以后上升。

膜的应力和膜的折射率正好相反，随着硅烷流量、氨气的流量、氮气的流量、氢气的流量、电源功率、压强和距离的增加，先是上升，然后通过一个拐点以后下降。

膜的刻蚀速度随着氨气的流量、氮气的流量、氢气的流量、压强和距离的增加而提高，随着硅烷流量、电源功率的增加而下降。

我们进一步定量考虑各种因素对膜厚和膜的均匀性的影响，见表6.14。硅烷的流量从200sccm变化到300sccm时，膜厚稳定增加，膜的均匀性出现拐点后上升，标准流量可以定在250sccm。

氨气的流量从650sccm变化到850sccm时，膜厚持续下降，膜的均匀性出现拐点后上升，标准流量可以定在750sccm。

氮气的流量从1 300sccm变化到1 800sccm时，膜厚持续增加，膜的均匀性出现拐点后上升，标准流量可以定在1 550sccm。

氢气的流量从0变化到500sccm时，膜厚持续下降，膜的均匀性持续劣化，标准流量可以定在250sccm。

电源功率从1 600W变化到1 800W，膜厚持续增加，膜的均匀性持续劣化，标准功率可以定在1 800W。

压强从256Pa变化到2 276Pa，膜厚持续增加，膜的均匀性也持续增加，标准压强可以定在266Pa。

当距离从1 000μm变化到1 200μm时，膜厚持续下降，膜的均匀性出现拐点后下降，标准距离可以定在1 100μm。

表6.14　通过膜厚和均匀性确定的基准参数

1.电源功率

电源功率对成膜速度有决定性的作用，同时对成膜也有一定影响。

（1）对成膜速度的影响。电源功率越大，成膜速度越快，但均匀性有所下降，见图6.12。原因可能是功率变大后，电离的离子数量变多，能量也变高，提高了成膜速度。电源功率由1 600W加大到1 800W的时候，成膜速度由每分钟3 550提高到3 800，而成膜的均匀性有所下降，考虑到成膜速度的影响，因此选择1 800W是比较合适的。

图6.12　电源功率对成膜速度和膜质均匀性影响的实验分析

（2）对折射率和应力的影响。电源功率对折射率影响在第二位小数可以忽略不计，当然折射率越低越好。对应力的影响不大，一般不考虑。此外，电源对HF刻蚀速度有一定影响，电源功率越大，膜质越偏向纯二氧化硅，Si-H键含量越高，刻蚀速度越慢，如图6.13所示，虚线是膜应力随电源功率的变化，实线是折射率随电源功率的变化。

图6.13　电源功率对折射率和膜应力的影响

（3）工艺条件的选择。选择电源功率时，最重要的是它对成膜速度的影响。调整电源功率，使成膜工艺的速度满足工艺节拍的需要，既不要速度太慢，影响生产线的运作，又不能太快，影响成膜均匀性。其次要考虑膜质和均匀性。由图6.12可以看出，在1 800W附近，成膜速度满足要求，均匀度也在可接受的范围内，同时折射率达到最低，使绝缘性变强，膜质变好。这时，虽然膜应力比较大，但距离生产工艺标准的上限266Pa还差得很远，是可以接受的。

2.硅烷流量

硅烷流量增大，膜的质量显示出更多纯二氧化硅性质，这对提高刻蚀速度不利。

如图6.14所示，在流量小于250sccm时，成膜速度增加很快，超过这个值之后，成膜速度增加得很缓慢。成膜速度增加的主要原因是基板表面的硅烷自由基增多，流量越大，自由基越多，所以成膜速度增加。但超过一定流量后，基板表面布满了这种自由基，再也不能容纳更多，成膜速度的增加就很缓慢。而刻蚀速度随着膜质偏于二氧化硅，线性下降。

图6.14　硅烷流量与成膜速度和刻蚀速度的关系

图6.15　硅烷流量对折射率和应力的影响

（1）对折射率和应力的影响。如图6.15所示，对应力的影响在可以接受的范围以内，一般不考虑。因为需要这层膜绝缘性好，所以需要高的介电常数，需要降低折射率，在中心条件附近折射率相对比较低。

（2）对均匀性的影响。通过实验得到，硅烷流量在200sccm，成膜速率在3 400·min^-1，膜的均匀性在6%；硅烷流量在250sccm，成膜速率在4 200·min^-1，膜的均匀性在8.5%；硅烷流量在300sccm，成膜速率在4 300·min^-1，膜的均匀性在14%；均匀性在中心条件附近比较低。

（3）工艺条件的选择。对硅烷的选择来说，最重要的是膜质。所以需要选择折射率比较低的流量。同时硅烷对速度有很大的影响，在达到250sccm时，成膜速度达到一个极大值，之后速度变化比较小。为了节省气体，选择250sccm左右的折射率比较低，膜均匀性虽然差一点，但完全可以接受。

3.氨气流量

随着氨气流量增加，膜质氨化，显示更多绝缘体性质。

（1）对成膜速度与均匀性影响。通过实验得到，氨流量为650sccm时，成膜速率为2 195·min^-1，膜的均匀性为5%；氨流量为750sccm，成膜速率为2 176·min^-1，膜的均匀性为3.1%；氨流量为8 500sccm，成膜速率为2 168·min^-1，膜的均匀性为4%。随着氨流量的增加，成膜速度下降，因为N—H等离子体占据了硅在基板表面的位置，使成膜速度下降。均匀性在中心条件附近比较好。因为均匀性主要取决于等离子体形状，比较复杂，很难从理论上说明，一般只是通过实验寻找最合适的条件。

（2）对折射率和应力的影响。如图6.16所示，氨的流量为650sccm，折射率最大，为1.833，膜的应力最小，为-5Pa；氨流量为750sccm，折射率最小，为1.815，膜的应力达到最大，为2.6Pa；随着氨流量的继续增加，折射率开始上升，膜的应力也开始下降，特性与硅烷基本相同。

图6.16　氨流量对折射率和膜应力的影响

（3）工艺条件的选择。对氨气来说，最重要的考察条件仍是膜质，也就是说选择尽量低折射率的反应条件。可以发现，在750sccm附近，折射率比较低，同时成膜最关心的均匀性指标也很好，750sccm是可以接受的工艺条件。

4.压强与距离的影响

压强与距离主要用来调整均匀性，对膜质影响不大。

（1）对成膜速度与均匀性的影响。通过实验得到，距离为1 000μm，成膜速率为2 193·min^-1，膜的均匀性为3%；距离为1 100μm，成膜速率为2 176·min^-1，膜的均匀性为3.5%；距离为1 200μm，成膜速率为2 135·min^-1，膜的均匀性为3.8%。随着距离的增加，成膜速度下降，均匀性的变化不是很大。因此，保持一个优化的距离是必要的。如果采用Unaxis设备只能调整压强，则不能调整距离，所以调整均匀度主要靠压强。

在保证成膜速度的前提下要尽量提高均匀度。通过实验得到，压力从256Pa提高到266Pa，成膜速率基本不变，但是均匀性从1%迅速提高到3.0%，压力进一步的提升，成膜速率开始下降，均匀性的提高也不明显。

（2）对折射率和应力的影响。影响不大，一般不去考虑。

（3）工艺条件的选择。选择压强和距离的目的在于控制均匀性。在正常情况下，压强越大，均匀性越好。但压强不可能太大，否则产生等离子体消耗的能量太大，浪费的气体也太多。所以需要在成本与均匀性中作出一个平衡，因此选择266Pa是比较合理的。

5.氮气和氢气的流量

氮气和氢气的流量用于对膜质的调整，对均匀性也有一些影响。

（1）成膜速度与均匀性。通过实验得到，氢的流量为0sccm时，成膜速率为3 952·min^-1，膜的均匀性为3.6%；氢流量为250sccm，成膜速率下降到3 820·min^-1，膜的均匀性基本不变；氢流量为500sccm，成膜速率下降到3 730·min^-1，膜的均匀性变化到2.6%。随着氢流量增加，成膜速度下降，其原因与氨气基本相同，因为N—H等离子体占据了硅在基板表面的位置，使成膜速度下降。

（2）对折射率和应力的影响。从图6.17和图6.18看到，随着氮和氢气流量的增加，膜的折射率都迅速下降。膜的应力随着氮气流量增加也下降，但是随着氢流量的增加急剧上升。当氢流量达到250sccm时，膜的应力达到最大值，然后由这个拐点迅速下降，折射率也结束下降的趋势，开始缓慢上升；当氮气流量达到1 550sccm时，膜的应力也开始迅速下降，但是折射率也开始由这个拐点由下降变成迅速上升。