Optimalizace procesu plazmaticky deponovaných CVD vrstev na zařízení Precision P5000

Bc. Eliška Mikmeková, Ph.D.

Master's thesis

Optimization of plasma enhanced CVD process carried out in Precision P5000 reactor

Abstract:

SiOx vrstvy (TEOS + O2) byly připraveny metodou PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) v jednodeskovém reaktoru od firmy Applied Materials, Precision P5000. Tyto PECVD vícekomorové reaktory jsou vybaveny tzv. load lock systémem a dělí se na dva typy: jednofrekvenční reaktory (13.56 MHz) určené pro 4 palcové křemíkové desky a dvou\-frekvenční reaktory (13.56 MHz, 350 kHz) přizpůsobené 6ti palcovým substrátům. Teplota držáku vzorků je udržována konstantní okolo 400 °C pomocí modulu infračervených lamp. Nízký tlak v depozičních komorách je zabezpečen čerpáním suchými vakuovými pumpami. Vzhledem k velikosti substrátů je homogenita vrstev podpořena tzv. sprchou, do které jsou plyny přiváděny a následně rovnoměrně distribuovány do pracovní komory. Hlavním úkolem této diplomové práce bylo nalézt parametry, které působí na změnu hodnot pnutí, celkového náboje v oxidu a jeho rozhraní s křemíkem a zlepšují homogenitu vrstev. Nejdříve byl proveden experiment, kde byla zkoumána míra vlivu tlaku, mezielektrodové vzdálenosti, průtoků plynů a výkonů vf zdrojů na homogenitu. Dominantní faktory jsou tlak, mezielektrodová vzdálenost a průtok kyslíku. Dále následovali experimenty navržené metodou DOE (Design of Experiment) v programu JMP. U jednofrekvenčních reaktorů byl zkoumán vliv mezielektrodové vzdálenosti a průtoku reaktantu (kyslíku) na depoziční a leptací rychlost, index lomu, celkový náboj, homogenitu a pnutí vrstev. Bylo zjištěno, že náboj, pnutí i homogenitu lze upravovat změnou mezielektrodové vzdálenosti. Průtok reaktantu má již menší vliv (působí hlavně na změnu depoziční rychlosti). Dvoufrekvenční reaktory byly studovány podrobněji. Do DOE již byly zahrnuty čtyři vstupní faktory (mezielektrodová vzdálenost, průtok TEOSu, výkony zdrojů nízké (kHz) a vysoké (MHz) frekvence) a sledovány stejné odezvy: depoziční a leptací rychlost, index lomu, homogenita a pnutí vrstev. Jak bylo předpokládáno, nejlépe lze pnutí vrstev regulovat výkonem nízké (kHz) frekvence a mezielektrodovou vzdáleností. Dále byla studována souvislost mezi pnutím a celkovým nábojem (obě tyto charakteristiky vrstev závisí na velikosti iontového bombardu). Bylo zjištěno, že vrstvy nejsou stabilní (změny v pnutí), proto byly dále podrobeny měření kontaktního úhlu (WCA) a jejich stárnutí bylo experimentálně potvrzeno. Pro regulaci pnutí se v praxi někdy užívá žíhání, což se u SiOx vrstev neosvědčilo. Během vystavení vrstvy teplotě 425 °C došlo ke vzniku malých defektů a při žíhání na 1000 °C se již objevily praskliny. Byl také potvrzen vliv tloušťky vrstev na míru pozorovaných defektů. Dále byla vrstva podrobena XPS testu a bylo určeno procentuální zastoupení křemíku, kyslíku a uhlíku v depozitu.

Abstract:

SiOx films (TEOS + O2) were deposited by PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) method in the Applied Materials Precision P5000 single wafer reactors. This reactor is a multichamber vacuum load lock deposition system. There exist two types of P5000: RF frequency (13,56 MHz) for 4 inch silicon wafers, or dual frequency (DF) reactor (13,56 MHz, 350 kHz) for 6 inch silicon wafers. Susceptor temparature was held constantly at 400 °C (~ 357 °C on silicon wafer) by the use of infrared (IR) lamps. During the deposition process, chamber pressure was held by dry vacuum pumps. For better uniformity of films, the upper electrode had a showerhead design. The main problems of SiOx films are big values of stress, sum of charge in interface Si/SiOx and bad uniformity of films. For the first, the influence of pressure, interelectrode spacing, gas flow of TEOS and oxygen, temperature, power of low and high frequency on uniformity were studied. The best factors for regulation of nonuniformity on the substrates are interelectrode spacing, pressure and gas flow of oxygen. The advatages of dual frequency PECVD process for the deposition of SiOx films are investigated. The main role of the high freguency RF (13,56 MHz) is to generate the reactive spacies and to provide sufficient electron and ion densities. Low frequency (350 kHz) is used to control plasma sheath voltage – ion energy distribution (control the ion bombardment -elimination intrinsic stress). By RF PECVD reactors, stress and sum of charges in interface Si/SiOx are eliminated by increasing of interelectrode spacing (low ion bombardment). By DOE (design of experiment), the influence of some enter factors on uniformity, stress, charge, deposition rate, etch rate and refractive index were studied. The experiments have confirmed that stress can be eliminated by the change of power of the low frequency (350 kHz), interelectrode spacing (DF PECVD reactor) and only by interelectrode spacing in RF PECVD reactors. In this work the corelation between stress and sum of charge in oxid was observed and by experiments confirmed. The SiOx films were unstable (changes in stress and WCA). The dependence of fracture in thin films on stress and annealing process was studied by SEM. While compressive stresses lead to wrinkling and film delamination, tensile stresses lead to film fracture. It was confirmed that tensile stress lead to defect and fracture of SiOx films. Dependence of volume fracture on thickness of films was observed. The films were studied by XPS too.SiOx vrstvy (TEOS + O2) byly připraveny metodou PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) v jednodeskovém reaktoru od firmy Applied Materials, Precision P5000.

Keywords

PECVD, SiOx vrstvy, dvoufrekvenční PECVD reaktor, DOE, pnutí, C-V analýza, defektivita, WCA, XPS PECVD, SiOx films, Dual frequency PECVD reactor, Intrinsic stress, C-V analysis, fracture, XPS

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 5. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 11. 6. 2009
• Supervisor: prof. RNDr. Jan Janča, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Plasma Physics