2023年整理6sIPO6s薄膜工艺及其稳定性研究.docx

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1、SIPOS薄膜工艺及其稳定性研究东南大学IC学院魏敦林1 SIPOS的卷件钝化机理目前，半导体分立器件普遍采用S1PoS做为PN结的钝化层，同时在表面再槿盖上一层玻璃做为绝缘层。如果直接采用绝缘层如Si02或玻璃等作为半导体器件钝化层，主要存在以下三个问题：。）绝缘层中靠近硅村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+等碱金属离子油污，这些电荷能在靠近硅村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

2、使用S1PoS做为钝化层，由于S1POS的电中性，能使在外界环境下感生的电荷不堆枳在硅表面，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膨响，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。S1POS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稔定性和可靠性。2 影响电学性

3、能的叁数篇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S1POS薄膜的氧含量0%、薄膜的结构致密度及薄膜厚度。相关的1PeVD参数主要有：N20气体与SiH4的气体流量，两种气体混合的比例，沉枳温度，沉枳真空压。此外炉内的位苴以及晶片在S1POS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，沉枳速率较大。工艺上一般通过

4、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枳速率。晶片在SIPOS工艺前的表面清洗处理后，表面生长的自然筑化层对晶片在S1POS沉枳后的电学性能也有一定的膨响，其原因是改变了S1POS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枳速率密切相关，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S1POS工艺的掌握和稔定性控制非常重要。下面从1PCVD的主要参数气体流量、真空压、沉积温度、气体混合比例对S1POS薄膜沉积速率进行实验分析。在温

5、度为645C、N20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。表I气体流与真空压对沉积速率的膨响运行模式气体流量（seem）真空压(mtorr)沉枳速率（nun）1一902606.8582-+903407.4283H1302607.7234+1303408.35550HO3007.423图I气体流量与真空压对沉枳速率的影响实验结果显示，流量越大则沉积速率越快。降低真空压会使沉枳速率下降，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枳速率均匀性也会有所改善。在总的气体流量为UOSCCm、真空压为3

6、0OmIorr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。表2温度与气体比例对沉积速率的影响运行模式温度（C）气体比例（）沉积速率（nVmin）1640158.1352640255.5853+-650159.8924+650256.546岂O645207.423640645650152025图2温度与气体比例对沉积速率的膨响实验结果显示，随着温度的上升，沉积速率上升。随着反应气体N20Si1M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645C、N20与Si1M的气体比例为20%的条件下沉枳S1PoS薄膜Ih,测量其薄膜厚

7、度，再经过高温900C氮气定围下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过更为致密。3退火对薄膜厚度的影响气体流量/sccm9090130130真空压mtorr260340260340退火前厚度nm411.5445.7463.4501.3退火后厚度nm387.1418.9436.7471.7致密比网94.07%93.98%94.24%94.09%为了获汨理想的SIPOS薄膜的致密度，工艺上可以通过调节1peYD的气体流量、工作真空压、温度和气体比例来存到，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

8、用上，S1POS薄膜工艺就是要制作出符合器件特性要求的薄膜氧含量0%、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260MIOrr到340In1ojT以及总气体流量从90SCCm至Ij130scem时薄膜沉枳速率的变化。在实际应用中，克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。炉内位苴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。技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膨响。因此主

9、要针对这三个因子进行实验设计(DoE)。以120OV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(BreakdOWnvo1tage),常温反向漏电流RTIR(ROOmTemperaturereverse1eakagecurrent)1向温反向漏电流.HTIR(HighTemperaturereverse1eakagecurrent),HTIR在150C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、RTI

10、R和HT1%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Residua1,结果如表4所示。运行M式落厚度F气体比例(S)YNA77nAJVA匕懵(公式值!余恭1640S151247316199I2S0-J.426405002$1IS8191134I1SS-0.13640700IS142S473368142S7.14640700251292391279I29S-3J5一650$00ISIM13242211341-0.16650$002S!27!2201181274-3.47.16S070015

11、1419SSS3731422一3S6S070025BiS389274I31S.19064$600201326M2240131175.410064$60020I3W3302451311一1.6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。I1111I1111IIIIMO645650500060007000152025图3匕交互作用剖面图0002,薄股17度OooS640温度650图4薄胶限度与温度对嗫的等值线图25气体比例图5气体比例与温度对与的等值线图00恭薄快跳度00。S图6薄膜厚度与气体比例对Vn等值线图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

12、影响。首先影响最大的是气体比例，气体比例越低则YB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的膨响显著变小。实验分析推导出VR公式模型为：VR=2381.275+5.525X温度+0.054625X薄膜厚度-9.975X气体比例0.004825X（温度-645）X（薄膜厚度-6000）-0.002025X（薄膜厚度6000）X（气体比例20）+0.002025”薄膜厚度6000）X（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

13、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。图7实际实照值与公式预测值的余兼对RTIR和HT1R实验数据分析，得到实验交互作用图形如图8、9所示。图97K交互作用剖面图从图8、图9可以看出温度、薄膜厚度、气体比例对反向海电流IR(ReVerSe1eakageCUrrenD的影响。气体比例越高则常温漏电流ImR(ROomTemperaiureIR)和高温漏电流HT1R(HighFemperatureII。越低。薄膜厚度越薄则RT1R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

14、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，应从耦件本身的特性出发，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1PCVD设备参数如温度、真空压、气体流址等，设备系统本身都有一套较高精度及稔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界和偏差。由于各个参数的变化都会影响到沉枳速率，进而影响到薄膜厚度，工艺上常采用监控并定期量测S1POS薄膜厚度的方法来确定1PCYD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枳速率的关系，查找相关的工艺参数，及时发现变异点，并及时调整到坡佳的设定状态，使输入参数的偏差能够很好地控制在可接受的范困之内，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S1pOS的工艺控制变得比较困难