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SIPOS薄膜工艺及其稳定性研究

+ i+ ]5 G: y" k0 k5 o$ t! {东南大学IC学院   魏敦林
' E& P2 Y- W/ a" p6 \5 P% z; K1 SIPOS器件钝化机理  
4 T( J* b( v8 {% Y6 a2 \现在，半导体分立器件普遍采取SIPOS做为PN结钝化层，同时在表面再覆盖上一层玻璃做为绝缘层。假如直接采取绝缘层如SiO2或玻璃等作为半导体器件钝化层，关键存在以下三个问题：(1)绝缘层中靠近硅衬底界面处有固定正电荷，会造成N型硅电子积累和P型硅反型层；(2)不能预防钝化层电荷积累或Na+、K+等碱金属离子沾污，这些电荷能在靠近硅衬底表面地方感应出相反极性电荷，并改变其电导率；(3)因为载流子注入到二氧化硅类绝缘体中，能进行储存和长久停留，使器件表面区电导率发生改变，从而使PN结反向击穿电压变坏。
/ E$ D5 |! l4 e3 B: C而使用SIPOS做为钝化层，因为SIPOS电中性，能使在外界环境下感生电荷不堆积在硅表面，而是流入到半绝缘多晶硅，被膜中大量陷阱所俘获，从而在多晶硅中形成屏蔽外电场空间电荷区，使硅衬底表面能带分布不受外电场影响，薄膜半绝缘性使膜中能够有电流流过，所以缓解了势垒区表面电场，从而提升了结击穿电压。SIPOS膜包含有氧原子，这些氧原子降低了表面态密度，降低了漏电流。所以它是高压器件理想钝化膜，再加上膜是电中性，在电路中就更能显示它优越性了。7
- G( L" o; x  r; G6 `$ |所以，SIPOS能够根本处理硅器件反向特征曲线蠕动、漂移、反向漏电流大等很多弊端，使得器件在高温环境下含有较高稳定性和可靠性。
6 M; N( z+ E# i. ]* p4 b2 A2  影响电学性能参数筛选及试验设计
( x5 z$ l# ^8 f4 ?- G8 C钝化层作用是为了提升器件反向击穿电压并控制较低漏电流，提升器件可靠性和稳定性能。从产品电学性能来衡量钝化层质量关键是看反向击穿电压和反向漏电流。
! w* P0 u, x2 Q1 Q7 ?影响电学性能关键是SIPOS薄膜氧含量0％、薄膜结构致密度及薄膜厚度。相关LPCVD参数关键有：N2O气体和SiH4气体流量，两种气体混合百分比，沉积温度，沉积真空压。另外炉内位置和晶片在SIPOS沉积前表面处理也会对电学性能造成影响。不一样炉内位置氧含量和沉积速率不一样，从气体入口端到出口端，氧含量逐步增加而沉积速率逐步下降，且其改变是非线性，尤其是在入口端，反应较为猛烈，沉积速率较大。工艺上通常经过高温炉内有效使用区域选择和温度梯度调整来取得较均匀沉积速率。晶片在SIPOS工艺前表面清洗处理后，表面生长自然氧化层对晶片在SIPOS沉积后电学性能也有一定影响，其原因是改变了SIPOS和硅衬底间界面态密度。所以在前处理工艺中除了注意化学清洗洁净度外，还需要控制晶片表面自然氧化层情况。
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8 B8 B9 ~+ O- O; F. i2.1  沉积速率试验分析
3 _+ y% C" `$ F% h+ t8 D) |* S薄膜结构致密度及薄膜厚度和薄膜沉积速率亲密相关，沉积速率越大，结构越松散，反之结构越致密。所以沉积速率试验研究对SIPOS工艺掌握和稳定性控制很关键。下面从LPCVD关键参数气体流量、真空压、沉积温度、气体混合百分比对SIPOS薄膜沉积速率进行试验分析。在温度为645℃、N2O和SiH4气体百分比为20％条件下，设定不一样气体流量和真空压，分析气体流量和真空压对沉积速率影响，如表1和图1所表示。
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6 _1 c0 T6 S% M  n% a" y试验结果显示，流量越大则沉积速率越快。降低真空压会使沉积速率下降，但能取得更致密薄膜质量，同时对于从炉口到炉尾不一样位置晶片沉积速率均匀性也会有所改善。
4 |1 [2 V( f/ }" {; g;在总气体流量为110sccm、真空压为300mtorr条件下，设定不一样温度和气体百分比，分析温度和气体百分比对沉积速率影响，如表2和图2所表示。
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; a8 C$ }1 }9 r7 }: P3 l. P3 v/ d- b% n3 n8 G, S  Z试验结果显示，伴随温度上升，沉积速率上升。伴随反应气体N2O／SiH4百分比上升，沉积速率下降显著。3 e! e* E5 _7 c+ L) \
2.2退火对SIPOS薄膜影响
在温度为645℃、N20和Sill4气体百分比为20％条件下沉积SIPOS薄膜1h，测量其薄膜厚度，再经过高温900℃氮气气氛下30min退火，测量薄膜厚度，发觉薄膜厚度降为原来94％左右，如表3所表示。SIPOS薄膜经过高温退火处理后结构变得更为致密。

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$ q$ ^* {( ~; I) {( h为了取得理想SIPOS薄膜致密度，工艺上能够经过调整LPCVD气体流量、工作真空压、温度和气体百分比来得到，同时能够用退火工艺使薄膜致密度得到增强。
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9 [6 t' h/ s/ J  o2 t0 R2.3试验设计
# U$ B0 c) U$ ?( r. N( G) y从器件应用上，SIPOS薄膜工艺就是要制作出符合器件特征要求薄膜氧含量O％、薄膜结构密度和薄膜厚度。'
1 y% V8 P3 V. G* T& A0 x0 k以前面试验数据可知，真空压从260mtorr到340mtorr和总气体流量从90sccm到130scem时薄膜沉积速率改变。在实际应用中，真空压和气体流量波动范围较小，在工艺程序设计上能够认为是次要因子。炉内位置不均匀性能够经过设定一定温度梯度进行调整，同时也跟炉内恒温区使用长度及每炉工艺处理晶片数量相关。
1 j3 \. m* c# \4 M其中最为关键是温度、气体百分比和薄膜厚度这三个工艺控制因子。温度和气体百分比对薄膜结构、氧含量、电学特征有着关键影响。薄膜厚度则对钝化效果及器件漏电流相关键影响。所以关键针对这三个因子进行试验设计(DOE)。
* F8 S& j3 l! q以1200V整流高压二极管为例，二极管输出电学特征有反向击穿电压VB(Breakdown voltage)、常温反向漏电流RTIR(Room Temperature reverse leakage current)、高温反向漏电流．HTIR(High Temperature reverse leakage current)，HTIR在150℃高温下测试所得。、
试验设计方法选择完全析因设计。因为存在3个变量，所以有23(8)次试验，再插入两个中间值试验组，则共有10次试验。这就包含了3个因子全部组合和用中间值来检验线性度，其中每个因子含有2个水平。输出响应为VB、RTIR和HTIR，当试验完成时，则可在表中填入输出响应值，并对试验数据进行分析，经过JMP软件处理得到试验模型公式及估计公式值，并分析实际试验值和公式估计值之间余差Residual，结果如表4所表示。
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: n& |6 M) Y0 \* U( `' ~1 {6 M对VB试验数据分析，得到试验交互作用剖面图及等值线图，图3、4、5、6。
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, P) L8 ]1 {, U2 ]2 `5 O从图中能够看出温度、薄膜厚度、气体百分比对反向击穿电压VB影响。首先影响最大是气体百分比，气体百分比越低则VB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影响越为显著。温度对VB也有一定影响，温度越高相对VB也高，但在薄膜厚度达成一定程度后，温度对VB影响显著变小。
. C9 p; U6 c' F% v- j+ L6 M0 {试验分析推导出VR公式模型为：VR=2381．275+5．525×温度+0．054625×薄膜厚度-9．975×气体百分比0．004825×(温度-645)×(薄膜厚度-6000)-0．002025×(薄膜厚度6000)×(气体百分比20)+0．002025 X(薄膜厚度6000)×(气体百分比20)。;
1 _) \# w8 c2 a9 v/ d# r; v对VB试验公式模型进行分析，得到实际试验值和公式估计值之间余差，图7所表示，余差控制在很小范围之内，说明试验模型有着较高正确度，能够很好地应用于工艺参数调整参考。

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对RTIR和HTIR试验数据分析，得到试验交互作用图形图8、9所表示。
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从图8、图9能够看出温度、薄膜厚度、气体百分比对反向漏电流IR(Reverse Leakage Current)影响。气体百分比越高则常温漏电流RTIR(Room TemperatureIR)和高温漏电流HTIR(High Femperature IR)越低。薄膜厚度越薄则RTIR和HTIR越低。而温度对IR影响则较小。
从以上分析我们能够知道，当薄膜厚度增加、气体百分比下降时会提升反向击穿电压VB，但同时也会造成漏电流IR增大。所以在调整参数时，应从器件本身特征出发，依据器件电学性能需求进行调整，有所取舍。
3  工艺稳定性控制
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% j6 C) x1 f. s3 C( J& {4 ^' [了解工艺参数和薄膜特征及电学性能相互关系，进而建立起输入和输出之间关联性，当产品电学性能出现异常时，经过检验相关工艺参数，立即找到异常发生原因并加以处理。从工艺稳定角度出发，能够对输入关键参数进行有效监控。对于关键LPCVD设备参数如温度、真空压、气体流量等，设备系统本身全部有一套较高精度及稳定性控制系统进行监控，但因为外界环境原因、人为原因影响、系统本身老化等原因，部分参数会不可避免地出现变异和偏差。因为各个参数改变全部会影响到沉积速率，进而影响到薄膜厚度，工艺上常采取监控并定时量测SIPOS薄膜厚度方法来确定LPCVD系统是否稳定。当薄膜厚度出现偏差时，则表示相关工艺参数已经出现波动。依据前面分析相关参数和沉积速率关系，查找相关工艺参数，立即发觉变异点，并立即调整到最好设定状态，使输入参数偏差能够很好地控制在可接收范围之内，从而确保工艺及产品电学性能稳定。
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4  结语
4 [( f( R  J% D, I0 b9 i" n在SIPOS工艺中，因为包含输入因子较多，从而使SIPOS工艺控制变得比较困难。经过对SIPOS沉积工艺条件分析，我们了解了SIPOS工艺中输入因子和输出响应之间关系，进而了解了不一样输入因子对工艺控制参数、电学性能敏感程度。调整输入因子参数设定，使其尽可能落在对输出响应不敏感区域，以确保即使系统出现轻微波动，也能使输出响应保持在可接收控制范围之内，但实际上系统波动是不可消除，最多只能尽可能地降低这种波动，以避免其对输出响应可能造成不良影响。