宋柳琴 賈文柱 董婉 張逸凡 戴忠玲 宋遠紅?

1) (大連理工大學物理學院,三束材料改性教育部重點實驗室,大連 116024)

2) (西南大學人工智能學院,重慶 400715)

隨著集成電路技術的快速發(fā)展,芯片結構更加復雜,尺寸越來越小,對薄膜沉積的性能提出了更高的要求.等離子增強化學氣相沉積(PECVD)與CVD 等傳統(tǒng)工藝相比,可以在低溫下實現(xiàn)鍍膜,提供高密度、高性能的薄膜.本工作采用二維流體蒙特卡羅模型耦合沉積剖面演化模塊研究了容性耦合SiH4/N2O/Ar 混合氣體放電中的極板徑向位置、氣體比例和氣壓對PECVD 氧化硅薄膜沉積的影響.結果表明,離子通量和中性基團通量在極板位置的差異化分布使得所沉積薄膜沿著徑向存在較大的不均勻性.進一步研究發(fā)現(xiàn)通過增大笑氣、減小Ar 含量或增大氣壓,薄膜的沉積效率會得到提升.但是,過快的沉積速率會導致槽結構中出現(xiàn) “鑰匙孔結構”、空位和雜質過多等一系列不良現(xiàn)象.這些問題在實際工藝中很棘手,在后續(xù)的研究中將通過調控放電參數(shù)等來改善薄膜質量,以期指導實際工藝.

1 引言

芯片制造技術中的主要流程包括氧化擴散、光刻、刻蝕、薄膜沉積、離子注入、清洗拋光和金屬化等,其中等離子體薄膜沉積和刻蝕技術與光刻并稱半導體制造工藝中的三大核心技術.二氧化硅(SiO2)薄膜具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、透光率高和抗侵蝕性強等優(yōu)良性能,可以應用于多層金屬之間的絕緣體、腐蝕掩膜、離子注入或擴散掩膜等器件結構和工藝流程[1-3].隨著集成電路向著低成本、高集成度的發(fā)展,承載芯片的晶圓尺寸越來越大,刻蝕線寬越來越窄,對芯片上沉積包括但不限于氧化硅薄膜的均勻性和沉積速率提出了更高的要求,例如,為了在晶圓上的溝槽中獲得更好的薄膜沉積,薄膜的沉積速率需要處于合理范圍,否則會導致過度沉積,在溝槽中出現(xiàn)鑰匙孔現(xiàn)象[3];同時,由于若干個溝槽中薄膜的不均勻性,也可能破壞整塊晶圓上的徑向均勻性,影響芯片的產能.

二氧化硅(SiO2)薄膜的制備方式有物理氣相沉積法(physical vapor deposition,PVD)[4]、化學氣相沉積法(chemical vapor deposition,CVD)[5-7]、溶膠-凝膠法(sol-gel)[8]和液相沉積法(liquid precipitation deposition,LPD)[9]等.等離子體增強化學氣相沉積法(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)[10]是在工作氣體射頻電場驅動下電離、分解等產生等離子體,在較低溫度下可實現(xiàn)SiO2薄膜的沉積,并通過離子加速轟擊表面調控薄膜的物理和化學性能.PECVD 這種技術的優(yōu)點是沉積溫度低、沉積速率快、生成的薄膜結構致密、臺階覆蓋性較好,但是也存在真空度低、沉積速率過快而容易形成“鑰匙孔”結構等問題.因此,有必要對PECVD 中的等離子體物理以及薄膜沉積過程進行系統(tǒng)性的研究.

早在1986 年,Pai 等[11]用SiH4/N2O 混合氣體借助實驗設備制備氧化硅薄膜,分析認為沉積氧化硅薄膜的主要前驅物是SiH3,SiH2O 以及SiH3O;1993 年,Kushner[12]采用數(shù)值方法,研究了SiH4/O2/He 和SiH4/N2O/He 混合氣體在遠離等離子體增強化學氣相沉積設備中(RPACVD)的等離子體特性,認為兩種混合氣體制備薄膜的主要前驅物都是SiH3O,SiH2O,SiH3和O 等.Barron 等[13]利用SiH4/N2O/Ar 混合氣體借助PECVD 法在低溫下制備了SiO2薄膜;Liu 等[14]模擬了SiH4/N2O 混合氣體放電過程,指出氣壓的變化影響沉積速率,而且沉積形貌會出現(xiàn)“鑰匙孔”結構;Xu 等[15]通過實驗方法證實了SiH4/N2O 混合氣體放電最終形成氧化硅薄膜,同時,他們利用數(shù)值模擬也重現(xiàn)了槽結構中的“鑰匙孔”結構.制備氧化硅薄膜的研究雖有很多,但是有關等離子體放電參數(shù)對沉積薄膜性能的影響以及相對應的沉積剖面演化的模擬工作有限.本工作將采用二維流體/蒙特卡羅模型耦合沉積剖面演化模塊模擬研究等離子體放電參數(shù)對沉積氧化硅薄膜的均勻性和沉積速率等的影響,為實際等離子體工藝過程提供必要的參數(shù)選擇依據(jù).

2 流體/蒙特卡羅/沉積剖面混合模型

本研究將使用自主研發(fā)的二維流體(2Dfluid)模型耦合離子蒙特卡羅(IMC)模型以及沉積剖面演化模型(profile evolution model of deposition)模擬射頻容性耦合硅烷/笑氣/氬氣(SiH4/N2O/Ar)的放電過程以及對沉積二氧化硅薄膜影響.眾所周知,流體模型在模擬電負性混合氣體放電上有著極大的優(yōu)勢,與整體模型不同,流體模型能給出放電過程中各種粒子密度、電場等重要物理量的空間分布,而相比于粒子模型(PIC/MCC),流體模型不僅計算速度快,而且可以自洽考慮中性基團的氣相化學反應和時空分布,是微電子工業(yè)刻蝕和薄膜沉積過程中最重要的等離子體模擬方法.

2.1 流體模型

在流體模型中,等離子體被視為連續(xù)的帶電流體元,體系的狀態(tài)用與空間時間有關的宏觀物理量密度、速度和溫度等來描述,滿足連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程.本工作忽略小質量電子的對流項和慣性項,電子的輸運采用漂移擴散近似.而離子滿足冷流體近似,即離子的溫度與室溫相當,無需求解離子與中性基團的能量方程.本文所研究的主要內容是針對射頻容性耦合等離子體中的薄膜沉積過程,氣壓較之于刻蝕普遍偏高,因此為簡化計算,離子輸運同樣采用漂移擴散近似.但是考慮到較大質量離子的振蕩頻率通常小于射頻電場頻率,無法瞬時響應射頻電場,所以在離子漂移擴散近似中引入有效電場代替瞬時電場[16].另外,由于中性基團不受電場的調制,所以中性基團的輸運只需考慮擴散過程.

在流體模塊中,通過求解流體力學方得到電子、離子以及中性基團的密度和通量、電子溫度,之后通過泊松方程就可以解出等離子體中的電場分布.本工作考慮了13 種帶電粒子,包括N2O+,NO+,O+,Ar+,,O—等,以及27 種中性基團,包括NO,N,O,N2,SiH3,SiH2O,H,OH,H2O,SiH3O,SiHO,SiO,SiO2,N2O(vib1),N2O(vib2),N2O(vib3),SiH4(1-3),SiH4(2-4),N2(A),N(4D),O(1D),O2,Ar*,SiN,O2(a),O(b),O(1D)等.氣相化學反應共149個,其中6 個與Ar 相關,75 個與N2O 相關,40 個與SiH4相關,其相互之間涉及的反應有28 個,具體反應列表見參考文獻[17].Kushner[12]在遠程等離子體氣相增強氣相化學沉積(RPECVD)SiH4/N2O/He 混合氣體放電數(shù)值模擬研究中指出,沉積氧化硅薄膜的主要前驅物為SiH3,SiH3O 和O,與本文沉積薄膜主要前驅物的結論一致,SiH3O 的密度為5.9 × 1015cm—3,且沉積薄膜前驅物的結論一致,也驗證了本文氣相化學反應模塊的可靠性.

放電腔室結構如圖1 所示,上電極板接射頻電源?=Vssin(2πft),下極板和側壁接地,極板間距z0=3 cm,腔室半徑R=20 cm,電極半徑為R0=15 cm.

圖1 放電腔室結構示意圖Fig.1.Chamber structure of discharge.

2.2 離子蒙特卡羅模型

離子蒙特卡羅(IMC)模塊是通過在鞘層邊界處播撒大量宏粒子,考慮離子與背景氣體的碰撞過程,跟蹤其在鞘層電場作用下運動,從而獲得表面模擬中需要的離子能量和角度分布.碰撞過程考慮了離子與背景氣體的彈性碰撞和電荷交換碰撞.大部分離子碰撞截面采用郎之萬截面近似[3]求得,而Ar+與背景氣體Ar 碰撞的彈性碰撞截面σel與電荷交換碰撞截面σex由如下表達式描述[3]:

式中,ε代表離子能量.離子所發(fā)生的碰撞類型,由隨機數(shù)來判斷確定.碰撞發(fā)生以后,更新離子速度.當發(fā)生電荷交換碰撞時,離子和中性基團的原有速度不發(fā)生改變,但是電荷會發(fā)生轉移.當離子到達表面,記錄其能量以及運動方向與表面的夾角,統(tǒng)計離子的能量和角度分布.

2.3 沉積剖面演化模型

沉積剖面演化模型采用了元胞法,圖2 給出了元胞法中的網(wǎng)格劃分和屬性分配示意圖,該方法能夠將整個空間切割為單位元胞,每個元胞用數(shù)字編號來代表著不同材料屬性.

圖2 元胞法網(wǎng)格劃分和屬性分配示意圖Fig.2.Schematic diagram of cellular grid division and attribute allocation.

離子和中性基團通過隨機撒粒子的方式進入計算區(qū)域.離子的速度和角度根據(jù)離子能量角度分布函數(shù)(IEAD)隨機抽樣獲得,中性基團的速度和角度根據(jù)麥克斯韋分布函數(shù)抽樣以及隨機抽樣獲得.離子和中性基團在計算區(qū)域中被跟蹤,直到到達材料表面.粒子在表面上是否發(fā)生反應由概率確定,例如對于離子,當其運動到達材料表面時,發(fā)生表面反應概率采用以下關系式描述[18,19]:

其中,εref為能量參考閾值,εth為能量閾值,εi是入射離子能量,n一般取0.5,pi0為參考能量下的濺射產率(表1 中pi0),即當入射能量滿足能量參考閾值時反應發(fā)生的概率.p(θ) 表示與角度相關的反應概率,θ是入射角度,當入射角度(與表面法向的夾角)小于45°時,p(θ)=1 ;大于45°時,p(θ)=cosθ/cos45°.對于中性基團,其發(fā)生表面反應概率由文獻提供的數(shù)據(jù)確定,如表2 所示.發(fā)生表面反應以后,原來的元胞所對應的材料屬性數(shù)字更改為新生成的材料屬性數(shù)字,如此周而復始即可模擬出沉積剖面演化過程.沉積模塊考慮的表面反應過程,如圖3 所示,基底材料Si 率先與中性基團OH 生成中間產物SiOH[20,21],SiOH 與中性基團O,O2,OH,H 反應生成另一種中間產物SiO,SiO再與中性基團O,OH 反應,最終生成SiO2.在該模塊,考慮了7 種主要的離子()、10 種中性基團(O,O2,OH,H,SiH3O,SiHO,SiO,SiO2,SiH3,SiH2O).表面反應有77 個,具體分為28 個離子與表面發(fā)生的濺射反應(見表1)以及49 個中性基團與表面的反應(見表2).

圖3 沉積模塊考慮的表面反應過程示意圖Fig.3.Schematic diagram of the surface reaction processes considered by the deposition module.

表1 沉積模塊考慮的離子濺射反應Table 1. The ion sputtering reactions considered in the deposition module.

表2 沉積模塊考慮的中性基團與表面的反應Table 2. The reactions between neutrals and surfaces considered in the deposition module.

材料表面上有電荷積累現(xiàn)象,會使槽結構中的帶電粒子運動軌跡會發(fā)生偏轉,影響薄膜沉積形貌,因此充電效應也包含在了形貌演化計算中,具體計算如下: 在某處元胞,若電子多于離子,則這個表面處的電勢減小一個值,即充負電,能夠排斥電子吸引離子.反之,若到達該處元胞的離子多于電子,表面電勢則增加一個值.確定表面處的電勢分布之后,整個槽結構中計算區(qū)域內的電勢分布根據(jù)拉普拉斯方程計算得到,具體的流程見參考文獻[23].

綜上,如圖4 給出各種模型耦合框架圖.流體模塊計算穩(wěn)定后,將鞘層邊界處的離子通量和電場實時地傳輸給離子蒙特卡羅模塊,計算得到離子能量角度分布(IEAD).隨后,把極板處的離子能量角度分布、中性基團通量和離子通量輸入沉積剖面演化模塊,最終得到薄膜沉積形貌.

圖4 2D-fluid 模塊/IMC 模塊/沉積剖面演化模塊信息傳輸示意圖Fig.4.Schematic diagram of 2D-fluid module/MC module/trench module information transmission.

3 結果與討論

本文模擬硅烷/笑氣/氬氣(SiH4/N2O/Ar)混合氣體放電制備二氧化硅SiO2薄膜,基準放電條件為極板間距3 cm,頻率13.56 MHz,射頻電壓幅值50 V.研究的重點一方面是分析氣壓、混合氣體密度比對等離子體特性的影響,另一方面,調研在槽結構中薄膜沉積的演化過程以及外部參數(shù)對薄膜沉積過程的影響.

圖5 給出了射頻周期平均中性基團SiH3O 和電子密度在不同氣壓條件下的二維空間分布.對于中性基團SiH3O,壓強增強其空間分布變得更加均勻,但是從計算結果發(fā)現(xiàn)其他中性基團空間分布變化并不明顯,因此未在文中展示.由于邊緣效應[22],電子密度峰值主要出現(xiàn)在極板邊緣.而且隨著氣壓增大,電子與中性粒子碰撞更劇烈,在相同的射頻電壓幅值條件下,沉積功率更高,相應地,其電子密度峰值增大,鞘層變薄,等離子體體區(qū)空間擴大.圖6 展示了對薄膜濺射過程有影響的部分離子通量以及對沉積薄膜起作用的中性粒子通量徑向分布.可以看到,同樣由于邊緣效應,所有粒子通量的徑向分布沿著徑向呈現(xiàn)出先增長后下降的趨勢,其中,在極板邊緣處達到峰值,而在極板邊緣r=15 cm 到腔室邊緣r=20 cm 逐漸下降.另外,觀察到這4 種中性基團達到極板的通量大小排序為SiH3＞ O ＞ SiH3O ＞ SiO,在Kushner[12]的工作中通過改變硅烷比例獲得中性基團達到極板的通量排序一直是SiH3＞ SiH3O ＞ SiO,與本文模擬工作一致.O 的來源是背景氣體N2O,從Date 等[24]對于N2O 放電的研究工作可知,其受放電條件影響較大,所以中性基團O 達到極板的通量會隨著不同放電條件而不同.

圖5 在(a) 1 Torr (1 Torr ≈ 133 Pa)和(b) 2 Torr 氣壓下的射頻周期平均中性基團SiH3O 密度和電子密度的空間分布.放電氣體密度比SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.5.Spatial density distributions of the neutral particle SiH3O and electron at different pressures,(a) 1 Torr (1 Torr ≈ 133 Pa)and (b) 2 Torr.The discharge gas density ratio is SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,discharge frequency f =13.56 MHz,voltage V s=50 V .

圖6 (a) 達到接地極板的離子通量隨徑向分布;(b) 達到接地極板的中性基團通量隨徑向分布.放電氣壓2 Torr,氣體密度比SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.6.Radial flux distributions of (a) ions (,O+) and (b) neutral particles (O,SiH3O,SiH3,SiO) on the grounded electrode.The discharge pressure is 2 Torr.The gas density ratio is SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,dis charge frequency f =13.56 MHz,voltage Vs=50 V.

圖7 給出了不同氣壓下到達接地極板表面r=1 cm 處的中性基團通量.由圖7 可知,在所有的中性基團中,O,SiH3,SiH3O 和SiO 4 種粒子的通量占比最大,而且隨著氣壓增大這4 種粒子通量明顯升高,可以確定O,SiH3,SiH3O 和SiO 為薄膜沉積主要的前驅物.另外,含N 的中性基團通量遠小于含Si 和含O 的中性基團通量,表明在本工作放電參數(shù)條件下,最終所沉積生成的應該是氧化硅薄膜,而非氮化硅薄膜.

圖7 在不同氣壓下中性基團達到接地極板 r =1 cm 的中性粒子通量.放電氣體密度比SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.7.Fluxes of neutral particles to the grounded electrode r=1 cmat different pressures.The gas density ratio SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,discharge frequency f =13.56 MHz,voltage V s=50 V .

在等離子體增強化學氣相沉積中,離子能量角度分布對沉積過程有著重要的影響.圖8 給出在下電極表面r=1 cm 處不同氣壓下的Ar+離子角度和能量分布.顯然,氣壓較低時,離子會呈現(xiàn)如圖8(a)中的小角度分布,而隨著氣壓的升高,離子在渡越鞘層到達極板的過程會經歷更多的碰撞過程,從1 Torr 到1.5 Torr,離子角度分布范圍變寬,垂直入射的離子明顯減少,到2 Torr 時這種現(xiàn)象更加明顯.如圖8(b),氣壓為1 Torr 時,離子能量分布的雙峰結構雖然已非常不明顯,但是仍然能觀察到.當氣壓升高到2 Torr 時,雙峰分布不再存在,這與Qu 等[19]的結果一致.這是因為在較高氣壓時,離子與背景中性粒子的彈性碰撞以及電荷交換碰撞明顯增多,使得離子更容易損失能量,因此會有更多的離子處于低能范圍內.

圖8 不同氣壓下接地極板 r =1 cm 處的(a)Ar+離子角度分布(IAD) 和(b)Ar+離子能量分布(IED).放電氣體密度比SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.8.(a) Ion angle distributions (IADs) and (b) ion energy distributions (IEDs) of Ar+ at different pressures,at the grounded electrode r =1 cm .The discharge gas density ratio is SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,discharge frequency f=13.56 MHz,voltage V s=50 V .

沉積剖面演化模型可以展示極板表面處任一空間位置處槽結構中的薄膜形貌.在本模擬中,流體模型計算得到的等離子體密度和通量耦合IMC模塊計算得到IAD 和IED 將作為沉積剖面演化模型的輸入?yún)?shù).圖9 顯示了在接地極板表面r=1 cm 處的槽結構中薄膜沉積剖面隨時間演化過程,其中槽結構的深寬比為3/1,放電參數(shù)設置為氣壓2 Torr、氣體密度比SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90.圖9中藍色代表基底材料Si、綠色代表沉積材料SiO2、其余顏色均為副產物作為雜質處理.可以看到,初期薄膜的表面較為平整.隨著沉積時間的延長,槽底部沉積薄膜厚度增大,槽側壁開始沉積薄膜,形成不平整的槽剖面沉積,且薄膜中會出現(xiàn)雜質、空位等不夠致密的部分.圖10 展示了不同時刻槽結構中薄膜的沉積速率、薄膜中雜質占比和空位占比.結合圖9 薄膜剖面圖,0—20 s 薄膜沉積速率較低,20—90 s 沉積速率上升到大于0.15 nm/s,而雜質占比和空位占比在0—90 s 期間逐漸增大,90—150 s 薄膜沉積速率略有降低,雜質占比減少但空位占比增大.從表1 和表2 可知,粒子到達Si表面時只有含氧的離子或中性基團與Si 表面發(fā)生氧化反應,生成氧化硅之后,所有粒子才可以與表面發(fā)生反應,因此0—50 s 期間在Si 表面的反應發(fā)生概率比50—150 s 期間在氧化硅表面的反應發(fā)生概率小,薄膜沉積速率也呈逐漸上升的情況.而當沉積90—150 s 時槽口側壁沉積薄膜增大,阻礙了粒子進入槽底,導致沉積速率和雜質占比下降、空位占比增大.特別是,如圖9(c),(d),(e),槽表面形成了類似鑰匙孔等不良現(xiàn)象.鑰匙孔結構在實際工藝中一直是人們想要攻克的難題,而且槽越窄(即深寬比越大)越容易出現(xiàn)這種鑰匙孔結構,這對芯片制造中沉積結構復雜的薄膜工藝提出了更高的要求.從本模擬工作可以看出: 相比可準直到達槽底部的離子,中性基團是各項同性的,也可以在側壁附著.與此同時,在槽結構存在的充電效應影響下,離子會受到電場作用運動軌跡發(fā)生偏轉,朝向側壁.偏轉離子的轟擊不利于槽口下方側壁處的薄膜形成,而靠近槽口位置處的薄膜一直持續(xù)沉積,結果導致了鑰匙孔結構的產生.鑰匙孔結構的產生本質以及如何改善這種不理想的沉積形貌,將在之后的研究中進一步探索.

圖9 接地極板表面 r =1 cm 處的槽結構中沉積剖面隨時間演化圖.放電氣壓2 Torr,氣體密度比SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.9.Temporal evolution of thin film profiles deposited in trench structure (depth-width ratio 3/1),at the grounded electrode r=1 cm .The discharge pressure is 2 Torr,gas density ratio SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,discharge frequency f =13.56 MHz,voltage Vs=50 V.

圖10 接地極板表面r=1cm處,不同時刻的薄膜沉積速率、雜質占比和空位占比.放電氣壓2Torr,氣體密度比SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,放電頻 率 f =13.56 MHz,電 壓Vs=50 VFig.10.Deposition rate and the proportions of impurities and vacancies at different periods,at the grounded electrode r =1 cm .The discharge pressure is 2 Torr,gas density ratio SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,discharge frequency f=13.56 MHz,voltage Vs=50 V.

圖11 給出不同氣壓下沉積50 s 槽結構中所沉積的薄膜剖面.顯然,氣壓越高,沉積薄膜越厚,說明隨著氣壓升高沉積速率變大.究其原因,一方面是通常情況下氣壓越高等離子體密度越高,如圖4 所示,所以到達極板的中性基團通量增多;另一方面,氣壓升高會導致粒子間碰撞加劇,極板表面離子能峰會向低能區(qū)移動(如圖8(b)),減少對薄膜表面的濺射,提高了薄膜的沉積速率,類似結論被Qu 等[19]的研究證實.為了進一步說明氣壓增大對薄膜的影響,圖12 展示了0—50 s 期間薄膜沉積速率、雜質占比和空位占比隨著氣壓的變化.從圖12 看到低氣壓(0.3 Torr)時沉積速率相對較低為0.028 nm/s,高氣壓(2 Torr)時為0.18 nm/s.同時可以發(fā)現(xiàn),雜質占比隨氣壓升高變化較小,空位占比隨氣壓升高而明顯增多.雜質占比和空位占比變化趨勢存在差異,原因可能是雜質和空位的生成機制不同,發(fā)生濺射反應和表面化學反應過程中都會生成雜質,但空位只有在離子濺射反應發(fā)生后出現(xiàn).氣壓較低反應速率較慢時,濺射反應發(fā)生后的后續(xù)反應可以充分進行填補空位,而氣壓較高反應速率較快時,后續(xù)化學反應不充分導致空位占比明顯增多.可見隨著氣壓的增高,沉積速率加快,薄膜的致密性受到影響.

圖11 不同氣壓下沉積50s接地極板表面r =1 cm 處槽結構 中沉積 的薄膜剖面 (a) 0.3 Torr;(b) 1.0 Torr;(c) 2.0 Torr.放電氣 體密度 比SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.11.Profiles formed after deposition time(50 s) for different pressures: (a) 0.3 Torr,(b) 1.0 Torr,(c) 2.0 Torr,at r=1 cm.The discharge gas density ratio is SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,discharge frequency f =13.56 MHz,voltageVs=50 V.

圖12 在接地 極板表 面 r =1 cm 處,不同氣壓下0—50 s 期間的薄膜沉積速率、雜質占比和空位占比.放電氣體密度比SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.12.Deposition rate and the proportions of impurities and vacancies during deposition period (0—50 s) with different pressures,at the grounded electrode r =1 cm .The discharge gas density ratio is SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,discharge frequency f =13.56 MHz,voltage V s=50 V .

圖13 給出了沉積50 s 處于極板上不同徑向位置處槽結構中的薄膜剖面.由剖面圖可知,靠近電極邊緣處(r=14.8 cm),槽結構中的薄膜沉積速率較高,與此處離子能量、通量以及自由基團的通量有關.通常,在薄膜表面反應中,薄膜的濺射過程受到離子轟擊能量和通量的影響,離子對表面的轟擊能量越高以及離子的通量越大,表面的薄膜越容易被濺射掉,因此薄膜的形成受到中性基團的表面沉積與離子轟擊濺射機制的協(xié)同作用.

圖13 沉積50 s 處于接地極板上不同徑向位置處槽結構中的薄膜剖面 (a) r =4 cm ;(b) r =10 cm ;(c) r =13 cm ;(d)r=14.8 cm .放電氣壓2 Torr,氣體密度比SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.13.Profiles formed after deposition time(50 s) for different radial positions: (a) r=4 cm;(b) r=10 cm;(c) r=13 cm; (d) r=14.8 cm.The discharge pressure is 2 Torr,gas density ratio SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,discharge frequency f =13.56 MHz,voltage Vs=50 V.

為了揭示極板上不同徑向位置處槽結構中薄膜沉積與離子能量、通量以及自由基團的關系,圖14展示了不同徑向位置處的平均離子能量、通量和沉積薄膜驅物的通量.當徑向位置越來越偏離軸向放電中心處(即r=4—14.8 cm 變化),可以觀察到帶電離子轟擊表面的能量逐步下降,意味著對薄膜表面的濺射過程會減弱,促進薄膜的生長,考慮到隨著徑向位置的變化沉積速率不斷提高,說明雖然隨著徑向位置的變化轟擊到表面的離子通量略有增大導致更多的濺射可能,但是在這里離子能量變化對濺射作用的影響更值得關注.同時,隨著徑向位置偏離放電中心處越遠,到達表面的主要沉積前驅物通量(中性粒子通量)增大明顯(圖14(c))會對提高薄膜的沉積速率起關鍵作用.最終,較小的離子轟擊能量與較大的中性基團通量協(xié)同作用促使了薄膜沉積速率增大.

圖14 接地極板上不同徑向位置處的(a)各離子平均離子能量和(b)總離子通量(c)中性基團O,SiH3O,SiH3 和SiO 的通量.放電氣壓2 Torr,氣體密度比SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.14.(a) Average ion energies,(b) fluxes of all ions and (c) fluxes of neutral particles O,SiH3O,SiH3,SiO to the grounded electrode at different radial positions.The discharge pressure is 2 Torr,gas density ratio SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90,discharge frequency f=13.56 MHz,voltage V s=50 V .

等離子體中氣體密度比的變化可以影響極板處的離子能量、通量以及中性基團的通量,導致槽結構中的薄膜沉積過程發(fā)生改變.如圖15 給出了不同Ar 含量(40%,60%和90%)情況下在極板表面r=1 cm 位置處的槽結構中沉積50 s 后的薄膜剖面圖.同時,圖16 展示了各離子到達極板處的轟擊能量、所有離子以及中性粒子的通量隨著混合氣體中Ar 含量增加的變化趨勢.由圖16 可知,隨著混合氣體中Ar 含量的增加,在大部分離子能量僅有輕微增加的趨勢下,到達極板處的總離子通量減少,將弱化離子濺射過程,而促進薄膜形成的中性基團通量卻呈現(xiàn)下降趨勢,最終這些因素導致了在氬氣含量較高的情況下槽底部沉積的薄膜較少.另外,從沉積形貌(圖15)可以推測在混合氣體摻入高含量的氬氣時,薄膜中雜質含量較少.因此,在調節(jié)Ar 含量優(yōu)化薄膜性能的過程中,要注意平衡薄膜沉積速率與薄膜質量之間的關系.

圖15 沉積50 s 時,在接地極板表面 r =1 cm 處的槽結構中薄膜沉積剖面圖: SiH4/N2O 密度比固定為2∶ 8,Ar 氣含量所占比逐漸增大依次為 (a) 40 %;(b) 60 %;(c) 90 %.放電氣壓2 Torr,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.15.Profiles formed after deposition time of 50 s for different Ar fraction of (a) 40 %,(b) 60 %,and (c) 90 % at the fixed SiH4/N2O density ratio of 2∶8,at the grounded electrode r =1 cm .The discharge pressure is 2 Torr,discharge frequency f=13.56 MHz,voltage V s=50 V .

圖16 固定SiH4/N2O 密度比為2∶8,改變Ar 含量,達到接地極板 r =1 cm 處 (a) 各離子的平均離子能量;(b) 所有離子通量;(c) 中性基團O,SiH3O,SiH3 和SiO 的通量.放電氣壓2 Torr,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.16.(a) The average energies of ions;(b) the sum flux of all ions;(c) fluxes of neutral particles O,SiH3O,SiH3,SiO to the grounded electrode under different Ar fraction at the fixed SiH4/N2O density ratio of 2∶8.The discharge pressure is 2 Torr,discharge frequency f =13.56 MHz,voltage V s=50 V .

圖17 展示了固定混合氣體中Ar 氣比例,改變硅烷笑氣密度比(SiH4/N2O)的情況下槽結構中沉積50 s 的薄膜剖面.從圖17 可以看到,混合氣體中摻入少量的N2O 含量,薄膜在槽結構中較難形成.為了解釋這種現(xiàn)象,需要了解轟擊到極板處的離子能量、通量以及中性粒子通量隨著N2O 含量的變化趨勢.如圖18 所示,隨著混合氣體中N2O 含量降低,到達極板處的離子能量增加以及總的離子通量也趨于增大,意味著表面濺射過程增強,沉積速率會下降;另一方面,促進薄膜形成的中性粒子除了SiH3粒子以外,都呈現(xiàn)下降趨勢.由此可推測在濺射過程增強的背景下,到達薄膜表面的含硅基團與含氧基團含量不平衡,會抑制含氧薄膜的形成.

圖17 沉積50 s 以后,在接地極板表面 r =1 cm 處的槽結構中薄膜沉積剖面圖 固定氬氣含量不變,增大SiH4/N2O 密度比 (a) SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90;(b) SiH4/N2O/Ar=5∶5∶90;(c) SiH4/N2O/Ar=8∶2∶90.放電氣壓2 Torr,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.17.Profiles formed after deposition time (50 s) for different SiH4/N2O density ratios: (a) SiH4/N2O/Ar=2∶8∶90;(b) SiH4/N2O/Ar=5∶5∶90;(c) SiH4/N2O/Ar=8∶2∶90 at the fixed Ar content of 90%,at the grounded electrode r =1 cm .The discharge pressure is 2 Torr,discharge frequency f =13.56 MHz,voltage V s=50 V .

圖18 固定混合氣體Ar 含量為90%,改變SiH4/N2O 密度比時,達到接地極板 r =1 cm 處 (a) 各離子的平均離子能量;(b) 所有離子通量;(c) 中性基團O,SiH3O,SiH3 和SiO 的通量.放電氣壓2 Torr,放電頻率 f =13.56 MHz,電壓Vs=50 VFig.18.(a) Average energies of ions;(b) the sum flux of all ions;(c) fluxes of neutral particles O,SiH3O,SiH3 and SiO to the grounded electrode under different SiH4/N2O density ratios at the fixed Ar content of 90%.The discharge presuure is 2 Torr,the discharge frequency f =13.56 MHz,voltage V s=50 V .

4 結論

本文基于二維流體耦合離子蒙特卡羅模型及沉積剖面演化模型研究了硅烷/笑氣/氬氣(SiH4/N2O/Ar)混合氣體容性耦合放電以及沉積氧化硅薄膜的物理過程.模擬給出混合氣體放電等離子體密度空間分布和不同放電參數(shù)下的沉積薄膜剖面,分析了薄膜的沉積速率、含雜質占比和空位占比,以及達到極板的粒子通量對沉積薄膜的影響.結果表明,在放電氣壓較高時,隨著時間的推移,沉積速率從較低水平逐漸提高,然后隨著槽口側壁薄膜增厚導致沉積速率開始下降,薄膜所含雜質占比也隨沉積速率發(fā)生變化,而空位占比從卻一直呈上升趨勢,意味著薄膜純度和致密性都會發(fā)生改變,會影響薄膜性能.在高氣壓情況下,到達表面的主要沉積前驅物通量(中性粒子通量)增加的同時,因離子更容易損失能量,大量離子處于低能范圍,對極板表面的濺射將變弱,有利于薄膜的沉積.沉積剖面演化模型也很好地體現(xiàn)了高氣壓下槽結構中的薄膜沉積速率較快(0.3 Torr 時0.028 nm/s 相比于2 Torr 達到0.18 nm/s)這一現(xiàn)象,隨之發(fā)生的現(xiàn)象還有高氣壓下空位占比從無增大到1.4%,薄膜的致密性受到影響.槽結構中沉積的薄膜初期在槽底部累積,隨著沉積時間延長,槽側壁開始沉積,同時薄膜的沉積過程中會出現(xiàn)雜質、空位等不夠致密的部分.考慮到槽結構存在的充電效應,離子會受到電場作用運動軌跡發(fā)生偏轉,朝向側壁.偏轉離子的轟擊不利于槽口下方側壁處的薄膜形成,而靠近槽口位置處的薄膜一直持續(xù)沉積,結果會導致鑰匙孔結構的形成.另外,槽結構的沉積過程會因處于極板不同位置處體現(xiàn)出差異,具體表現(xiàn)為: 與靠近軸心放電中心處的槽結構相比,遠離放電中心處的槽結構具有更高的沉積速率.

最后本文還探討了混合氣體中密度比的變化對槽結構中膜的沉積效率和質量的影響.混合氣體中摻入過量的Ar,槽結構中的薄膜沉積速率減慢,反之,沉積的薄膜中雜質增多.而固定Ar 氣體,調節(jié)硅烷/笑氣密度比例(SiH4/N2O)也可實現(xiàn)薄膜沉積速率的改變,而且混合氣體中摻入太少的N2O,會導致槽結構中的薄膜難以形成.總之,關于等離子體增強化學氣相沉積還有很多問題存在,比如不同電壓或者射頻波形對薄膜質量的影響等,同樣有待做出進一步的研究,未來將繼續(xù)對射頻容性耦合放電過程以及對薄膜沉積機理的影響展開系統(tǒng)研究,以期指導實際工藝中提供參數(shù)指導.