TWI648417B - 二氧化矽之沉積 - Google Patents

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Abstract

根據本發明，係為一藉使用本質上由氧及氪所組成之濺鍍氣體混合物的脈衝DC反應性濺鍍法而將SiO2沉積至一基片上之方法。

Description

二氧化矽之沉積
本發明係有關於用於將二氧化矽沉積至一基片上的方法及裝置，於其上已沉積二氧化矽的基片、以及併有彼等基片之結構與元件。
經濺鍍的二氧化矽業經廣泛作為電子開關及感測元件(諸如金屬-絕緣體-金屬及金屬-絕緣體-半導體開關元件)之介電質絕緣體。由於具低折射率、高透明性、及正性TCF(頻率之溫度係數)，所以二氧化矽在光學及聲波應用(諸如SAW、BAW及TCSAW濾波器)上亦具有吸引力。
藉熱氧化反應、電漿增強化學蒸汽沉積(PECVD)、反應性RF濺鍍法、及脈衝DC濺鍍法而沉積二氧化矽薄膜的技術係已知。通常係選擇用以沉積該薄膜的技術以致使該薄膜之該等性質最適於該預定目的應用。濺鍍沉積法之顯著優點為其係為低溫組裝法。此外，脈衝DC磁控管濺鍍法可提供比複雜且昂貴之RF濺鍍技術更高的沉積速率、更可複驗的性能、及改良的膜品質。然而，有某些與脈衝DC濺鍍法有關的缺點。習知二氧化矽之脈衝DC反應性濺鍍法及二氧化矽之PECVD會形成具有小於或等於2.30 克厘米-3(gcm-3)之密度的膜。然而，最好產生具有大於2.30gcm-3之密度的二氧化矽膜，因為在，諸如TCSAW應用上，其會產生改良的聲波及電子性質。
已知可藉施加一DC偏壓至經反應性濺鍍二氧化矽膜於其上之晶圓而增加該等反應性濺鍍二氧化矽膜的密度。然而，可使用習知Ar濺鍍法而獲得之最大二氧化矽膜密度受限於約2.35gcm-3。除了提供高密度二氧化矽膜之願望外，亦有在組裝期間提供改良的產量之正在進行的商業推動力。
本發明在至少部份其實施例中，係處理上述問題及願望中之一或多者。
根據本發明之第一方面，係提供一藉使用本質上由氧及氪所組成之濺鍍氣體混合物之脈衝DC反應性濺鍍法而將SiO2沉積至一基片上的方法。
該氪與氧的比率(其係以該氪之流率(sccm)與該氧之流率(sccm)的比率表示)可以在0.1-0.9之範圍內、較佳在0.2-0.8之範圍內。相當於這些比率值的任何組合之範圍亦屬於本發明的範圍。
在某些實施例中，係施加RF功率至該基片以產生一DC偏壓。其可產生改良的SiO2密度。施加至該基片之該RF功率可以在20-150瓦(W)、較佳20-125瓦之範圍內。
該濺鍍氣體混合物可以於1至20毫托(0.13至2.67帕)範圍內的壓力下存在。
本發明之一優點在其可產生具有高密度之SiO2沉積物。可進行該方法以沉積具有2.35gcm-3或更高、較佳2.40gcm-3或更高之密度的SiO2。
一般而言，該SiO2係呈膜(諸如薄膜)形式經沉積。
典型上，該基片係位於一基片夾具上。在該SiO2沉積期間，該基片夾具可以處於一小於100℃、較佳小於70℃之溫度下。通常，可以於約50℃之溫度下，以該基片夾具進行該沉積。
在某些實施例中，係藉脈衝DC磁控管反應性濺鍍法而將SiO2沉積至該基片上。
根據本發明之第二方面，係提供用於將SiO2沉積至一基片上的脈衝DC反應性濺鍍裝置，其包括：一含有一基片夾具及一靶材的室、或室群系統；一氧源；一氪源；一用於將氧及氪供應至該室的氣體供應系統；及用於提供一脈衝DC功率以致使Si自該靶材被濺鍍的構件。
典型上，該靶材為純矽或二氧化矽。該基片可以是一典型上呈晶圓形式的矽基片。
該裝置可以是脈衝DC磁控管反應性濺鍍裝置。在這些實施例中，該裝置可進一步包括一磁控管。
根據本發明之第三方面，係提供一於其上具有SiO2沉積物的基片，其中該SiO2為藉本發明之第一方面之 方法而沉積的反應性濺鍍SiO2。該SiO2可具有2.35gcm-3或更大、較佳2.40gcm-3或更大的密度。
根據本發明之第四方面，係提供一包括一本發明第三方面之基片的結構或元件。有利的是，本發明可提供一包括一根據本發明之第三方面之基片的SAW、BAW或TCSAW濾波器。藉本發明而提供的較高密度SiO2膜尤其可用於這些應用上，且可用於其它光學及聲波應用上。
雖然本發明業經上文描述，但是其可涵蓋上文、或在以下實施方式、圖式或申請專利範圍內所揭示的特徵之任何發明組合。
1‧‧‧脈衝DC電源
2‧‧‧晶圓平台
3‧‧‧RF電源
4‧‧‧氧源
5‧‧‧氬源
6‧‧‧氪源
7‧‧‧質量流量控制器
8‧‧‧真空室
9‧‧‧靶材
10‧‧‧本發明之一裝置的實施例
根據本發明之方法及裝置的實施例現在可參考附加圖式加以說明，其中：圖1為本發明之裝置的半圖解；圖2表示就在Ar/O2及Kr/O2環境內經沉積的SiO2膜而言，SiO2膜密度與平台RF的關係；圖3表示就在Ar/O2及Kr/O2環境內經沉積的SiO2膜而言，SiO2折射率與平台RF的關係；圖4表示就Ar/O2及Kr/O2環境而言，SiO2沉積速率與平台RF的關係；圖5表示就一以氧流量為變數之具有經氧混合之Ar或Kr的矽靶材而言，(a)靶材電壓及(b)靶材電流的磁滯曲線；圖6表示就入射於Mo及W靶材(得自Glow Discharge Processes,Chapman,Wiley and Sons,1980)之離子而言，以 轟擊能源及氣體類型為變數之二次電子發射；圖7表示就在Ar/O2及Kr/O2環境內經沉積的SiO2膜而言，SiO2膜密度與惰性氣體百分率的關係；圖8表示就在Ar/O2及Kr/O2環境內經沉積的SiO2膜而言，SiO2膜應力與平台RF功率的關係；圖9表示就在Ar/O2及Kr/O2環境內經濺鍍的二氧化矽膜而言之電擊穿資料(電流強度與電場的關係)；及圖10表示就在Ar/O2及Kr/O2環境內經濺鍍的SiO2膜而言之FTIR光譜。
圖1表示通常以10描述的本發明之一裝置的實施例。該裝置包括一晶圓平台2位於其內之真空室8。該室8之一上部份包括靶材9，其可自矽或二氧化矽形成。提供一脈衝DC電源1以施加脈衝DC功率至該靶材9。典型上，該裝置可以呈一脈衝DC磁控管反應性濺鍍排列形式，在該情況下，該裝置可進一步包括一磁控管。其並未示於圖1內，但是在實務上，如熟練的讀者所熟知，該磁控管可位於靶材9的後面。在使用時，該平台2可承載與該靶材9不同之基片，其典型上係為晶圓。該平台2係自一導電材料形成，該導電材料係經一藉RF電源3由一電容性耦合電路所提供的RF信號而偏壓，因此該平台2可作為一電極。在一電漿存在下，該RF偏壓可以使一負性DC偏壓在該平台2上形成，因此致使濺鍍離子加速朝該基片前進。提供氧源4、氬源5及氪源6。經由使用質量流量控制器7(其係作為一合適氣體歧管之 一部份)而使氧、氬或氪進入該室8內。氧氣係與自該靶材9濺鍍的矽進行反應以在一位於平台2上之晶圓表面上形成二氧化矽層。已知該氬源5僅提供用於進行使用Ar/O2環境所獲得的反應性濺鍍法與使用Kr/O2環境所獲得的反應性濺鍍法之比較實驗。在其它實施例中，並未提供氬源5，且可使用一更簡單的氣體歧管。
使用1.25及2kW之靶材功率、50℃之平台溫度進行實驗，其中係施加各種RF功率至該平台2。在Ar/O2環境內，使用30sccm Ar及80sccm O2之流率進行實驗。亦在Kr/O2環境內，使用30sccm之Kr流率、及80sccm之氧流率進行實驗。經由使用Ar/O2環境及2kW之靶材功率，於1000奈米(nm)之膜厚度且未施加RF功率至該平台的情況下，該SiO2膜密度為2.26gcm-3。當施加RF功率至該平台時，已發現該膜密度會增加，且於120瓦之平台RF功率下，已發現該膜密度增加~3%至2.33gcm-3。一般相信該平板之RF偏壓化有助於藉高能離子轟擊而使該二氧化矽膜稠密。然而，過高的DC偏壓(其可產生高能離子)亦可產生經離子照射的缺陷及空隙，其實際上會導致較低膜密度。其可解釋於使用Ar/O2環境之用於沉積之示於圖2內的該中-高平板RF功率下，該SiO2膜密度似乎具飽和狀態的原因。我們已證明經由使用Ar/O2環境，於很高的外施平台RF功率(文中並未顯示數據)下，該膜密度實際上會降低。圖2亦表示使用Kr/O2反應性濺鍍法所獲得的SiO2膜密度。可知在該反應性濺鍍法內使用Kr/O2環境可得到會增至超過2.40gcm-3的SiO2膜 密度。我們發現該膜密度基本上與該靶材RF功率無關，但是會隨施加至該平台之RF功率而增加。
圖3表示與經Ar/O2反應性濺鍍之SiO2膜比較，經Kr/O2反應性濺鍍的SiO2膜具有較高的折射率。其符合與Kr/O2反應性濺鍍有關的該增加SiO2膜密度，且可表示一較高的原子填充密度。在圖3內，就1.5kW脈衝DC功率而言，我們可發現就較高的偏壓功率而言，折射率會大增加。
圖4表示就Ar/O2及Kr/O2兩者之環境而言，以平台偏壓功率為變數之SiO2膜沉積速率。獲得2kW及1.25kW之靶材RF功率的資料。可知與Ar/O2反應性濺鍍法比較，Kr/O2反應性濺鍍法可以使沉積速率大增加。更特定地，與該Ar/O2方法比較，與該Kr/O2反應性濺鍍法有關的沉積速率高~16%，且其係本質上與該平台RF功率無關。自其我們可得到以下的結論：本發明該方法可具有組裝產量的顯著優點。
不想受限於任何特定理論或推測，一般相信與Ar/O2比較之在該Kr/O2反應性濺鍍氣體環境內之二氧化矽的沉積速率之增加可部份歸因於與Ar比較之在Si方面的Kr之增加濺鍍產率。然而，膜密度與沉積能力無關的事實傾向於不認為簡單的動量轉移係為經Kr/O2反應性濺鍍的SiO2膜之密度增加的原因。此外，如下表1內所示，沉積速率及膜密度之增加並非伴隨一增加的靶材電壓而產生。
雖然於相同壓力下，與僅Ar之電漿比較，僅氪之電漿顯示高很多的電壓及較低的電流，當導入充份的氧以危害該靶材時，用於Ar/O2及Kr/O2電漿之電壓及電流很類似。圖5表示使用Ar及Kr之該反應性方法的IV特徵。該靶材RF功率為2kW。可知當該O2分率增加且該靶材達到該經危害狀態時，則Ar/O2及Kr/O2之V及I特徵皆可集中於一點。
與氬加工氣體比較，用於該僅Kr之電漿的低電流係符合氪之低次級電子發射。自圖6內所示的已知資料可知，在一寬能範圍內，與Kr比較，Ar具有約兩倍的電子發射位準。因此，經Kr(而非Ar)濺鍍可以使較少的次級電子自該靶材發射並得到較低的電離分率。此外，可兼藉惰性離子(Ar及Kr)及該負電性氣體(氧)而捕獲自該靶材發射的低能次級電子以形成可自該靶材加速離開的中性反衝原子及負離子。這兩物種可以以可感覺到的能量抵達該基片且併入該正成長的SiO2膜內。因此，一般相信次級電子發射對於SiO2膜性質具有重要的影響。與使用氬濺鍍的方法比較，使用氪濺鍍的方法可產生較少反射的中性反衝原子。由於在膜成長期間，惰性氣體原子的併入數量減少，所以可預期會致使經由使用氬(而非氧)所濺鍍的SiO2膜之 膜密度的增加。次級電子發射並非強烈地取決於離子至該靶材的動量轉移，其符合以下的觀察結果：二氧化矽膜密度並非強烈地取決於靶材功率。
圖7表示就氪及氬(其中係施加2kW脈衝DC至該靶材且施加80W RF偏壓至該晶圓)而言，二氧化矽膜密度與惰性氣體流率對氧流率(以sccm表示)之比的關係。可知使用Ar/O2進行的反應性濺鍍法顯示隨著該氬分率之增加，膜密度減少。其係符合被截獲在該成長的SiO2膜內之增加的氬。然而，經Kr/O2濺鍍的SiO2膜顯示隨著該Kr分率之增加，膜密度增加。
圖8表示就實際上係使用Kr/氧及Ar/氧所濺鍍的SiO2膜而言，以平台RF功率為變數之SiO2膜應力。該SiO2膜應力的性質的確會隨著增加的平台RF偏壓而變得越來越具壓縮性，但是在SiO2膜應力與膜密度之間並沒有直接相互關係。與於零平台RF偏壓下，使用氬濺鍍的SiO2膜比較，在未使用平台RF偏壓下，使用氪反應性濺鍍的SiO2膜更具壓縮性。然而，於相同的平台RF功率下，Ar/O2反應性濺鍍膜與和Kr/O2反應性濺鍍法有關的該等較高密度膜間之應力差異很小。大多數的創造者之結論為壓縮應力係為藉高能粒子而轟擊膜的結果。即便使用離子轟擊，亦通常會發現惰性氣體被截留在濺鍍膜內的現象，但是其未必會導致應力產生。的確，在該文獻裡業經證明應力與中性氣體併入為獨立的性質。不想受限於任何特定理論及推測，我們注意到對於該平台之外施RF功率的二氧化矽膜應力及密度 之不同依存性傾向於指向在SiO2膜密度上扮演重要角色的中性氣體截留。
該經沉積二氧化矽的性質及特性業經調查研究。圖9表示經氬及氪濺鍍之具有類似密度(約2.35gcm-3)之SiO2膜的電擊穿性質。亦可在具類似密度之膜上發現類似的電擊穿性質。圖10表示經Kr/O2及Ar/O2沉積的SiO2膜之FTIR吸收光譜。該等經沉積膜之吸收光譜顯示由於分別於1090cm-1及812cm-1下之Si-O-Si拉伸及彎曲模式而產生的尖峰強度。於1085cm-1下之該主要Si-O振動帶的位置及形狀係符合一純化學計量二氧化矽膜的性質。就該等經Ar/O2及Kr/O2反應性濺鍍膜而言，所獲得之光譜並沒有顯著差異，其表示其等具結構類似性。示於圖9及10內之數據表示使用本發明之Kr/O2反應性濺鍍法所沉積的SiO2膜具有高品質及良好效能特徵。
藉本發明而提供的SiO2之以該Kr/O2為基礎的反應性濺鍍法業經證明產生可顯示良好電擊穿性能、以及與使用先前技藝Ar/O2反應性濺鍍技術所獲得的膜類似之濕蝕刻速率的膜。與使用先前技藝所製成的該等薄膜比較，本發明可產生具有較高密度之SiO2膜，但是其在結構上似乎與該等先前技藝膜無法區別。此外，可獲得膜沉積速率之顯著改進，可發現至高20%之改善率。在廣範圍的製程條件內都可發現改善。熟練的讀者可以使本發明之該反應性濺鍍技術最佳化以適應任何特定目的應用或符合例行實驗法之所欲組裝標準。例如可施加一RF偏壓至該基片夾具 以使膜密度與沉積速率獲得可接受的折衷。
根據本發明所製成的SiO2膜具有寬範圍的可能之目的應用。與本發明有關的該等改良性質使該等SiO2膜特別適於光學及聲波目的應用，諸如SAW、BAW及TCSAW過濾器。

Claims (15)

  1. 一種將SiO2沉積至一基片上之方法，包含：在濺鍍裝置的一室內以一導電平台承載該基片；於該濺鍍裝置的該室中提供一本質上由氧及氪所組成的濺鍍氣體混合物，此係透過將氧及氪以各自的流率導入該室，其中以sccm表示之氪的流率相對以sccm表示之氧的流率之比率係在0.1至0.9之範圍內；提供一脈衝DC功率至該濺鍍裝置之一靶材；及施加RF功率至該平台以產生一DC偏壓；其中該靶材包含矽，矽是通過該主要由氧及氪組成的濺鍍氣體混合物從靶材被濺鍍，濺鍍離子通過該DC偏壓加速至在該平台上的基片，因此使SiO2沉積至該基片上。
  2. 如請求項1之方法，其中該氪對氧之比率係在0.2至0.8之範圍內。
  3. 如請求項1之方法，其中施加至該基片之RF功率係在20至150瓦之範圍內。
  4. 如請求項1之方法，其中施加至該基片之RF功率係在20至125瓦之範圍內。
  5. 如請求項1之方法，其中該濺鍍氣體混合物係於一在1毫托至20毫托(0.13帕至2.67帕)之範圍內的壓力下存在。
  6. 如請求項1之方法，其係經進行以沉積具有2.35gcm-3或更大之密度的SiO2。
  7. 如請求項1之方法，其係經進行以沉積具有2.40gcm-3或更大之密度的SiO2。
  8. 如請求項1之方法，其中該SiO2係呈膜形式而被沉積。
  9. 如請求項1之方法，其中該基片係位於一基片夾具上，且在SiO2沉積期間，該基片夾具係處於一小於100℃之溫度下。
  10. 如請求項1之方法，其中該基片係位於一基片夾具上，且在SiO2沉積期間，該基片夾具係處於一小於70℃之溫度下。
  11. 如請求項1之方法，其中SiO2係藉脈衝DC磁控管反應性濺鍍法而沉積至該基片上。
  12. 一種具有SiO2沉積物於其上之基片，其中該SiO2係為藉一如請求項1至11中任一項之方法而沉積的反應性濺鍍SiO2。
  13. 如請求項12之基片，其中該SiO2具有2.35gcm-3或更大之密度。
  14. 如請求項12之基片，其中該SiO2具有2.40gcm-3或更大之密度。
  15. 一種SAW、BAW及TCSAW濾波器，其包括一如請求項12至14中任一項之基片。
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