PEALD SiO₂ Berbasis CO₂ Suhu Rendah untuk Aplikasi Sensitif Kelembaban
Abstrak
Kami menyajikan proses ablitasi lapisan atom dengan peningkatan plasma (PEALD) berkinerja tinggi dan suhu rendah untuk dioksida silikon (SiO₂) yang menggunakan dioksida karbon (CO₂) sebagai oksidator dan bis(tertiary-butylamino)silane (BTBAS) sebagai prekursor silikon. Proses beroperasi pada 90 °C, menghasilkan film SiO₂ dengan pertumbuhan per siklus yang membatasi diri (GPC) sekitar 1,15 Å / siklus, densitas sekitar 2,1 g / cm³, indeks biasah sekitar 1,46 pada 632 nm, dan tegangan residual regangan rendah sekitar 30 MPa. Analisis kimia menunjukkan tingkat impurity sekitar 2,4 at % hidrogen, sekitar 0,17 at % nitrogen, dan konsentrasi karbon di bawah batas deteksi analisis deteksi reaksi elastis waktu penerbangan (TOF-ERDA). Hasil ini menetapkan CO₂ sebagai oksidator yang viable dan non-reaktif untuk proses PEALD pada substrat sensitif kelembaban dan oksigen.
Latar Belakang
Dioksida silikon tidak tergantikan di seluruh mikroelektronika, MEMS, fotovoltaik, dan optika. Meskipun metode depo konvensional seperti oksidasi termal, PECVD, dan PVD menyediakan kualitas film yang dapat diterima, ablitasi lapisan atom secara unik menawarkan kontrol ketebalan sub-nanometer, keabsaran eksepsional, dan konformalitas—keuntungan utama untuk arsitektur perangkat canggih.
Resep ALD SiO₂ tradisional bergantung pada klorosilana atau aminosilana yang dipasangkan dengan oksidator seperti H₂O, H₂O₂, atau O₃. Proses ini biasanya memerlukan suhu di atas 150 °C, yang membatasi aplikabilitasnya pada bahan sensitif termal. Teknik PEALD menurunkan suhu substrat ke bawah 100 °C, namun oksidator H₂O dan O₂ yang banyak digunakan masih dapat merusak substrat sensitif kelembaban atau oksigen. CO₂, yang kimiawi iners pada suhu rendah, menawarkan alternatif yang lebih aman dengan meminimalkan oksidasi yang tidak disengajakan. Pekerjaan sebelumnya telah menunjukkan PEALD SiO₂ berbasis CO₂ pada 250–400 °C, namun implementasi suhu rendah belum tercapai.
Di sini kami melaporkan proses PEALD berbasis CO₂ yang menghasilkan SiO₂ berkualitas tinggi pada 90 °C. Kami secara sistematis menyelidiki pengaruh waktu pulsa/purga prekursor dan daya plasma pada pertumbuhan film, dan kami menyajikan karakterisasi komprehensif properti struktural, komposisi, optik, dan mekanis film.
Metode
Persiapan Film
Lapisan SiO₂ ditanam pada substrat Si(100) dan c-Al₂O₃ dalam reaktor Beneq TFS 200 yang dilengkapi dengan sumber plasma rf kapasitif terpadu 13,56 MHz. CO₂ (99,5 %, Air Products) diperkenalkan sebagai oksidator dengan aliran 75 sccm dicampur dengan N₂ (200 sccm) untuk wilayah plasma, sementara N₂ (99,999 %, AGA) pada 600 sccm berfungsi sebagai gas pembawa dan purga. BTBAS (97 %, Strem Chemicals) dipulsa pada 21 °C dan dikirimkan dengan penguatan N₂ selama pulsa prekursor. Parameter proses diringkas dalam Tabel 1; tekanan reaktor tetap sekitar 1 hPa sepanjang waktu. GPC terpuas sekitar 1,15 Å / siklus secara konsisten diperoleh pada 90 °C.
Karakterisasi Film
Ketebalan film diukur dengan elipsometer SENTECH SE400adv menggunakan laser HeNe 632,8 nm pada 70°. GPC dihitung dari ketebalan dibagi jumlah siklus ALD, dengan deviasi yang mencerminkan ketidakteraturan ketebalan. Komposisi kimia diproyeksi dengan spektroskopi emisi optika glow-discharge (GDOES), analisis deteksi reaksi elastis waktu penerbangan (TOF-ERDA), dan FTIR refleksi total meredam (ATR-FTIR). GDOES menggunakan anoda 4 mm dan daya rf pulsed 35 W. TOF-ERDA menggunakan ion Br⁺ 40 MeV pada sudut deteksi 40°; resolusi kedalaman dipertimbangkan dalam analisis. Spektra ATR-FTIR direkam pada Nicolet 380 dengan kristal berlian, menggunakan resolusi 2 cm⁻¹ atas 800–4000 cm⁻¹. Reflektivitas X-ray (XRR) dilakukan pada Philips X’Pert Pro dengan radiasi Cu-Kα₁; densitas diekstraksi melalui perangkat lunak fitting internal. Transmitansi optik SiO₂ 150 nm pada safir diukur dengan PerkinElmer Lambda 900, dan indeks biasah diperoleh dengan fitting Cauchy. Tegangan residual ditentukan dengan kelengkungan wafel (TOHO FLX-2320-S) sebelum dan setelah pertumbuhan, dianalisis dengan persamaan Stoney; film 50 nm digunakan untuk pengukuran ini.
Hasil dan Pembahasan
Pertumbuhan Film
Ketergantungan GPC pada waktu pulsa dan purga BTBAS pertama kali diperiksa pada daya plasma CO₂ tetap 180 W, eksposur 3 detik, dan purga 2 detik. Gambar 1a menunjukkan bahwa pulsa BTBAS 0,1 detik cukup untuk mencapai saturan (≈1,15 Å / siklus). Waktu purga pendek (≤3 detik) mempertahankan saturan ini, mengonfirmasi penghapusan yang efisien spesies prekursor yang tersisa. Gambar 1b menunjukkan bahwa variasi waktu purga BTBAS dari 0,5 hingga 3 detik tidak mempengaruhi GPC, meskipun keabsaran membaik dengan purga yang lebih lama.
GPC film SiO₂ PEALD sebagai fungsi waktu pulsa (a) dan purga (b) BTBAS. Daya plasma yang diterapkan adalah 180 W.
Selanjutnya, kami menyelidiki pengaruh waktu eksposur dan purga plasma CO₂ sambil menjaga pulsa/purga BTBAS pada 0,3 detik/3 detik. Gambar 2a mengilustrasikan bahwa eksposur 3 detik pada 180 atau 300 W menghasilkan GPC terpuas, sedangkan eksposur 1 detik tidak cukup karena generasi radikal O yang tidak memadai. Pada 50 W, GPC meningkat hingga 6 detik eksposur sebelum merata. Gambar 2b mengonfirmasi bahwa waktu purga CO₂ antara 0,5 dan 3 detik memiliki dampak yang bisa diabaikan pada GPC, yang menekankan penghapusan prekursor yang efisien oleh desain aliran lintas reaktor.
GPC film SiO₂ PEALD sebagai fungsi waktu eksposur plasma CO₂ (a) pada 50, 180, dan 300 W, dan purga (b) pada 180 W.
Menggunakan parameter yang dioptimalkan (BTBAS 0,3 detik/3 detik, CO₂ 3 detik eksposur/2 detik purga, 180 W), laju depo mencapai 50 nm / jam; laju 100 nm / jam dapat dicapai dengan waktu prekursor dan purga yang lebih pendek.
Properti Film
Pengukuran densitas melalui XRR (Gambar 3) menunjukkan peningkatan modest dari 1,9 ke 2,1 g / cm³ seiring bertambahnya waktu eksposur CO₂ dari 1 hingga 6 detik, konsisten dengan padatan film pada daya plasma yang lebih tinggi. Densitas yang diukur (2,11 g / cm³) sejalan dengan nilai yang dilaporkan untuk SiO₂ PEALD berbasis O₂ suhu rendah tetapi tetap di bawah 2,3 g / cm³ yang dilaporkan pada 400 °C.
Densitas film SiO₂ yang ditanam dengan waktu eksposur plasma 1, 3, dan 6 detik.
GDOES memberikan wawasan komposisi kualitatif: Si, O, H, N, dan C terdeteksi, dengan konten H stabil sepanjang waktu eksposur dan N menurun pada eksposur 6 detik, yang menunjukkan pengapusan impurity yang efektif selama padatan. Sinyal C seragam, mungkin karena kontaminasi permukaan daripada penyusutan massa.
Komposisi kimia kualitatif film SiO₂ yang ditanam dengan waktu eksposur plasma 1, 3, dan 6 detik yang diukur oleh GDOES.
Profil kedalaman TOF-ERDA dari film 50 nm (Gambar 5a) mengonfirmasi tingkat impurity massa yang rendah: sekitar 2,4 at % H, sekitar 0,17 at % N, dan C di bawah batas deteksi. Rasio Si/O (sekitar 0,48) menunjukkan film sedikit kaya oksigen, konsisten dengan grup –OH yang diharapkan dari mekanisme oksidasi seperti pembakaran.
a Profil kedalaman TOF-ERDA dan b spektrum transmisi ATR-FTIR dari film SiO₂ (tebal target 50 nm).
ATR-FTIR (Gambar 5b) mengungkapkan gerangan O-H lebar (3200–3800 cm⁻¹) dan bahu di sekitar 900 cm⁻¹, mengonfirmasi kehadiran –OH. Gerangan Si-O-Si muncul di sekitar 1108 dan 1226 cm⁻¹, sedikit lebih tinggi dari nilai literatur, mungkin karena efek tegangan residual. Getaran CH kecil (970, 1301, 1450 cm⁻¹) timbul dari kontaminasi permukaan.
Pengukuran optik (Gambar 6) menunjukkan spektrum transmitansi dengan indeks biasah 1,456 pada 632 nm dan koefisien punah yang bisa diabaikan, yang mencerminkan konten karbon rendah dan kualitas film tinggi.
a Spektrum transmitansi dan fitting Cauchy; b Dispersi indeks biasah film SiO₂ 150 nm pada safir.
Tegangan residual (Gambar 7) rendah dan regangan (~30 MPa) pada 90 °C, berbeda dengan tegangan kompresi 150 MPa yang diamati pada 400 °C. Tegangan nol ini kemungkinan berasal dari tegangan intrinsic film daripada ketidakcocokan termal, yang sejalan dengan tren yang dilaporkan oleh Putkonen dan Shestaeva.
Tegangan residual film SiO₂ versus suhu pertumbuhan, membandingkan data 90 °C kami (film 50 nm) dengan nilai literatur.
Kesimpulan
Proses PEALD berbasis CO₂ yang dijelaskan di sini menghasilkan film SiO₂ berkualitas tinggi dan impurity rendah pada 90 °C, yang cocok untuk substrat sensitif kelembaban dan oksigen. Dengan GPC terpuas sekitar 1,15 Å / siklus, densitas sekitar 2,1 g / cm³, dan tegangan residual regangan sekitar 30 MPa, film memenuhi standar industri. Pentingnya, waktu siklus ALD singkat 4 detik mendukung manufaktur throughput tinggi, membuat pendekatan ini menarik untuk perangkat elektronik dan fotonik generasi mendatang.
Singkatan
ALD:
Atomic layer deposition
ATR‑FTIR:
Attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy
