LTPS-CVD工艺设备介绍(超详细)

CVD工艺设备介绍CVD工艺设备介绍目录CVD的概念、特点CVD原理介绍---PECVDCVD工艺特性参数CVD膜层介绍CVD薄膜质量评价CVD设备简介一、CVD的概念、特点一、CVD的概念、特点是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用在基板的表面发生化学反应（热分解或化学合成）生成要求的薄膜CVD法是一种化学反应方法，应用范围非常广泛，可制备多种物质薄膜，如各种单晶、多晶或非晶态无机薄膜，在以Si为中心的微电子领域起着重要作用Whatis“CVD”?ChemicalVaporDeposition，即化学气相沉积是一种化学气相生长法。1、概念（1）成膜速度快每分钟可达几个μm甚至达到数百μm。同一腔室中可放置大量工件，能同时制得均匀的镀层;（2）膜层均匀性好CVD反应在低真空进行，镀膜的均匀性好，对于形状复杂表面或工件深孔、细孔都能均匀镀覆，获得平滑的沉积表面;（3）膜层性能好能得到纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好的薄膜镀层。一、CVD的概念、特点2、优点一、CVD的概念、特点（1）反应温度太高许多基体材料都耐受不住CVD的高温，因此应用上受到一定限制。（2）需要采取防止环境污染的措施在不少场合下，参加沉积的反应源和反应后的余气易燃、易爆或有毒；对设备来说，往往还有耐腐蚀的要求。（3）PECVD工艺控制较困难关联因素：外加电源功率、频率，气体流量、总压强以及衬底温度、反应装置与射频电源的阻抗匹配等各种因素都会影响到成膜速率和膜的质量。3、不足CVD工艺设备介绍二、CVD原理介绍---PECVDPECVD(

PlasmaEnhanced

ChemicalVaporDeposition)

(等离子体增强化学气相沉积)

借助射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性强，促进气体间的化学反应，从而低温下也能在基片上沉积出所期望的薄膜。工作原理:它是一种化学气相生长法；它所需要的是含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体；它所需要的条件是加热、等离子体等；采用等离子辅助是对化合物进行催化分解。目的:

利用等离子体辅助活化反应气体，降低反应温度，改善薄膜质量。二、CVD原理介绍-PECVD1、PECVD定义2、Plasma定义及获得

定义是：等离子体是由电子、阳离子和中性粒子组成的整体上呈电中性的物质集合。

物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物，即等离子体（plasma），它是除固、液、气外，物质存在的第四态。

二、CVD原理介绍-PECVDTo

Pumpdiffuser13~14

MHzRF(ForDeposition)GlassCleanGas（NF3、Ar）RPSC(RemotePlasmaSourceClean)

Deposition:SiNX,Si,SiO2,etc.AdjustablePlasmaCleaning:NF3N2+F+F+SiSiF4ProcessGas（SiH4、N2O、N2

、NH3etc.）二、CVD原理介绍-PECVD3、PE-CVD原理分子到达glass表面黏附表面进行化学反应形成核核长成大岛岛横向/纵向生长岛连接起来形成薄膜二、CVD原理介绍-PECVDPECVD成膜原理作用1将反应物中的气体分子激活成活性离子，降低反应所需的温度2使用等离子体能量来产生并维持CVD反应3加速反应物在表面的扩散作用(表面迁移率)，提高成膜速率4

Plasma的离子轰击能够去除表面杂质，增强黏附性5增强反应物中的原子、分子、离子和电子之间的碰撞、散射作用，使形成的薄膜厚度均匀二、CVD原理介绍-PECVD4、Plasma成膜F+SiO2→SiF4+O等离子体F+Si3N4→SiF4+N等离子体原因CVD成膜过程中堆积在腔壁的膜会成为particle的来源原理使用含F的化合物气体，在Plasma作用下，可被分解释放出F自由基，F+可移除SiO及SiN等。方法RemotePlasmaSourceCleaning(RPSC)远程等离子源清洗在腔室外连接一个NF3等离子体室进行清洗反应方程式

5、Plasma清洗二、CVD原理介绍-PECVDNitride:

SiH4+NH3+N2→SiNx:HOxide:

SiH4+N2O→SiOx:Ha-Si:SiH4(+H2)→a-Si:H6、CVD主要的化学反应二、CVD原理介绍-PECVDCVD工艺设备介绍三、CVD工艺特性参数温度气体流量比(Si:H,N:H,Si:N)RFpowerPressureSpacing(上下电极间距)三、CVD工艺特性参数温度升高，可以提高气体的表面迁移率，降低基片表面过剩硅原子，同时Si-H键在400℃以上会大量断裂，减少薄膜氢元素含量，使薄膜内应力越正，并且造成Si/N摩尔比增加，导致致密性&绝缘性增强。图1.富含氢的SIN图2.去氢后的SIN表1.温度对氮化硅的影响表面吸附率和脱附率会影响沉积速率，随着温度的增大，脱附率增加速度会逐渐大于吸附率增加速度，因此当温度增加到某一程度后，沉积速率不升反降。沉积速率的降低会导致大量岛状物的产生，影响薄膜的均匀性。注：

去氢后的SIN结构变的致密200℃300℃400℃三、CVD工艺特性参数1、温度总结：温度的变化会影响薄膜的致密性、绝缘性、应力、氢含量、沉积速率、厚度均匀度。氮化硅具有极高的电阻率，当SiH4/NH3比增加时，薄膜内Si含量增加，折射率增大，而Si-Si大量增加，会导致电阻率下降，绝缘性变差；决定沉积速率的通常是SiH4的浓度，随着SiH4/NH3比的增加，SiH4浓度增加，沉积速率增加；

SIH4:NH3对WER&n的影响

SIH4:NH3对D.R的影响

SIH4:NH3对K的影响总结：SiH4/NH3比的变化会影响薄膜的沉积速率、致密性、折射率、介电常数。三、CVD工艺特性参数2、气体流量比射频功率对沉积速率的影响射频功率对折射率的影响随着RFpower的增加,沉积速率也会增加；折射率随之减小3、RFpower三、CVD工艺特性参数当前使用的射频为13.56MHz，当功率增大时，气体激活效率提高，反应物浓度增大，使薄膜生长速度增加。薄膜生长速度过大都会降低薄膜均匀性和致密性，使结构疏松，针孔增多，抗腐蚀性变差。4、Pressure三、CVD工艺特性参数当压力增大时，反应气体浓度增大，离子平均自由程缩短，聚合反应明显增强，成膜速率上升。从实验数据中发现，当压力增大时，薄膜折射率下降。反应室气压过低，会影响薄膜的淀积机理，造成针状形态的缺陷的形成。压力对WER&n的影响压力对D.R的影响压力对k的影响总结：压力的变化会影响薄膜的沉积速率、折射率。5、Spacing三、CVD工艺特性参数（1）上下极板间距太大，会影响淀积速度，造成particle问题，严重影响成膜质量；（2）如果间距太小，从diffuser出来的强气流直接喷到玻璃基板：强气流直接冲击玻璃基板，离子可能来不及淀积就被强气流带走，就会降低成膜速率；间距太小，使得离子反应速度过快，即使离子没有被强气流带走而淀积到玻璃基板上，那么成膜的质量也是很差的；板极过近会造成成膜过程中arcing，击穿glass及susceptor表面阳极膜，造成设备损伤；CVD工艺设备介绍四、CVD膜层介绍（LTPS）四、CVD膜层介绍GlassDriverareaPixelareaP-channelN-channelGateSDGateInsulatorILDPassivationITO1ITO2LDDPolyCHDPLN膜层结构膜厚/AITO2ITO500PV2

SiN1000ITO1ITO500PLNPLN22000M2Ti700Al4000Ti500ILDSiO3000SIN2300PDB+LDDP+M1Mo2200GISiN400SiO800NDP+CHDB+poly-Sia-Si450bufferSiO3000LSMo500四、CVD膜层介绍四、CVD膜层介绍SIO作用：防止玻璃中的金属离子(铝,钡,钠等)在热工艺中扩散到LTPS的有源区；降低热传导，减少ELA时硅的冷却速度，有助于形成较大的结晶晶粒；SiO与熔融Si的湿润角87°（SiN湿润角仅25°），有助于形成（100）晶格方向硅薄膜。1、2layer缓冲层反应方程：SIOA-SiSiH4+N2O→SiOx:HSiH4(+H2)→a-Si:H(100)晶格方向XYZA-Si作用：A-Si在ELA之后形成P-Si，作为器件的有源层。氢爆示意图A-Si氢含量：A-SiH%含量，以FTIR测量，通常为3~5%，需高温（530℃）去氢，必须使H%<1%，避免ELA氢爆。成膜温度：420/440℃去氢条件：530℃/540s四、CVD膜层介绍2、GI栅绝缘层反应方程：SIOSIN

SiH4+N2O→SiOx:HSiH4+NH3+N2→SiNx:HSIO作用：缓冲层，与Poly-Si应力匹配好，其可作为金属与P-Si之间的绝缘层存在，提供栅极电荷存储区域。SIN作用：随着器件面积减小，电荷存储区内电荷容量减少，为了保证阈值电压（Vth）和导通电流（Ion）的稳定，必须使用高介电常数的介电层，SIN介电常数6.8，远高于SIO介电常数4，因此使用SiN。成膜温度：420/440℃四、CVD膜层介绍3、ILD间绝缘层反应方程：SINSIO

SiH4+N2O→SiOx:HSiH4+NH3+N2→SiNx:HSIN作用：作为M2金属的介电质层存在；低温（360℃）沉积，使SIN富含氢元素，用于修补TFT沟道（氢原子可填补界面态，改善晶粒间界态和栅绝缘层的缺陷）SIO作用：作为M2金属的介电质层存在；SiO低针孔密度，低氢氧含量，良好的台阶覆盖性，较好的应力改善成膜温度：340/360℃四、CVD膜层介绍4、PVSIN作用：作为Pixel电容；外围电路保护，抵挡外来水气和机械刮伤钝化层反应方程：SINSiH4+NH3+N2→SiNx:H成膜温度：230/240℃CVD工艺设备介绍五、CVD薄膜质量评价五、CVD薄膜质量评价质量评价参数简写作用说明折射率RI或n能反应薄膜中Si含量的变化厚度THK表征薄膜的实际厚度沉积速率D.R表征薄膜的生长速度湿式蚀刻速率WER表征薄膜的致密性厚度均匀度U%表征薄膜的平坦程度应力Stress表征薄膜内应力的大小氢含量H%表征薄膜内氢元素的含量介电常数k表征薄膜对电荷的存储能力总电荷电量Qtot表征薄膜内电荷含量表面陷阱密度Dit表征薄膜接触面缺陷态密度平带电压Vfb表征MOS管中克服金属-氧化物功函数差达到平带所需的电压电容-电压曲线CVcurve表征薄膜电学特性的曲线五、CVD薄膜质量评价

1.折射率（RefractiveIndex）折射率永远大于1折射率对反应气体流量的变化非常敏感，能有效的监控工艺过程中气体流量的变化；折射率能反应薄膜中Si的含量；折射率主要是对工艺过程中的参数起监控作用，因此越稳定越好；

2.厚度（Thickness）最重要的评价参数，过厚和过薄都会影响器件的性能3.沉积速率（DepositionRate)表征薄膜的生长速度，与气体流量、温度、压力、射频、Spacing相关；在不影响器件性能的前提下，D.R越快越好，以此缩短生产节拍，提高产能；4.湿式蚀刻速率（WetEtchRate)用BOE液（或者1%HF）对薄膜进行浸泡，对比浸泡前后的厚度差，以薄膜对酸液的抗腐蚀能力表征薄膜的致密性；WER越低，致密性越高；薄膜的致密性要配合工艺的整体要求，并非越致密越好；五、CVD薄膜质量评价

5.厚度均匀度（uniformity)方差均匀度极差均匀度均匀度表征薄膜的平坦程度，均匀度越小，薄膜越平坦；一般情况下，均匀度越小越好；方差均匀度与极差均匀度区别：方差均匀度无法准确辨别厚度单点异常的状况，见图1；极差均匀度无法准确辨别在相同极差下厚度的整体发散状况，见图2；方差均匀度无法准确分辨的状况极差均匀度无法准确分辨的状况天马使用异常异常图1图2五、CVD薄膜质量评价

6.应力（Stress）（1）应力的定义应力等于作用力除以受到作用力的面积（单位N/m^2=Pa）Area=AForce=FStress=Force/Area=F/A（3）内应力分类按产生的原因分类：热应力——主要由热膨胀系数，沉积和测量温度决定本征应力——由于薄膜和衬底接触层的错位，或者是因为薄膜内部的一些晶格失配等缺陷和薄膜固有的分子排列结构造成，与薄膜的生长模式、成分、结构密切相关；（2）应力的分类外应力——由外部作用力产生的应力内应力——无外界作用力情况下，存在于材料自身的应力，比如材料内部的晶格失配、分子排列构造、温度等都会产生内应力。*我们所关注的一般是薄膜的内应力五、CVD薄膜质量评价按力的方向分类：张（正）应力——使材料拉伸方向的应力，方向定义为正（Tensile+）；压（负）应力——使材料压缩方向的应力，方向定义为负（Compressive-）；（4）内应力形成机理本征应力：当薄膜的缺陷或空洞较多时，空洞周围的薄膜分子以相互吸引力来维持薄膜的状态，薄膜呈现张应力；当游离的Si或N单质填充到空洞中，游离的单质分子对空洞周围的薄膜分子产生挤压力，薄膜呈现压应力。热应力：当衬底比薄膜收缩得更慢时，薄膜快速收缩导致衬底边缘向上翘曲，薄膜呈现张应力；当衬底比薄膜收缩得更快时，薄膜缓慢收缩导致衬底边缘向下弯曲，薄膜呈现压应力；五、CVD薄膜质量评价

7.氢含量（Hydrogen）表征薄膜内氢元素的含量；氢含量增加会导致薄膜内Si-H键增加，Si-H键是导电的，因此会使薄膜绝缘性变差；氢含量的增加会导致薄膜内Si-O键（或Si-N键）的减少，增加缺陷密度，使薄膜的致密性下降，同时也会影响薄膜的电学特定，如电荷电量、平带电压、介电常数等；氢含量的增加可以提高氢化的效果，更好的以氢原子去填补界面态，晶粒间界态和栅绝缘层缺陷，改善器件特性除了特殊工艺要求外（如ILD-SIN氢化），通常氢含量要求越低越好五、CVD薄膜质量评价9.介电常数（k)反应薄膜电荷的含量，对于绝缘层，电荷含量越低越好；反应薄膜对电荷的储存能力，k越高，电荷存储能力越大；介电常数会直接影响器件特性，需要根据器件需求决定；10.总电荷电量（Qtotal)五、CVD薄膜质量评价反应薄膜接触面缺陷陷阱的密度，不同膜层之间界面的不连续性与不饱和键会导致缺陷陷阱的产生；对于绝缘层，陷阱密度越小越好；反应MOS管介电层薄膜，克服缺陷造成的金属氧化物功函数差，达到平带，所需要的能量，理论上越接近零越好；11.表面陷阱密度（DensityofInterfaceTrap)12.平带电压（flatbandvoltage)13.电容-电压曲线（CVcurve）反应薄膜电学特性的曲线，项目9-12都可以从CV曲线反应出来；一般情况下，越接近理想CV曲线越好；理想CV曲线CVD薄膜质量评价质量评价参数测试机台测试方式折射率SE椭圆偏振测量技术厚度SR&SE&SEM椭圆偏振测量技术扫描式电子显微镜沉积速率湿式蚀刻速率SE比对BOE液或1%HF浸泡前后厚度差均匀度SR&SE&SEM计算厚度的方差均匀度或者极差均匀度应力Stress激光相移方式或者光学聚焦方式氢含量FTIR/SIMS傅氏转换红外线光谱分析仪/二次离子质谱仪介电常数IV-CV汞探针方式测量CV曲线总电荷电量表面陷阱密度平带电压电容-电压曲线CVD工艺设备介绍六、CVD设备简介六、CVD设备简介CVD机台总体介绍Loadlock介绍TransferChamber介绍ProcessChamber介绍HeatChamber介绍AKTCVD机台

，每台机台均有一个DSSL（2层）、一个TransferChamber以及若干processchamber。机台制程制程腔室制程温度备注CVD1003layerCHA/B/C/D/E420/440℃去氢腔492/530℃CHE为去氢腔CVD200CHA/B/C/ECHE为去氢腔CVD300GICHA/B/C/D/E420/440℃CVD400ILDCHA/B/C/D/E340/360℃CVD500PVCHA/B/C/E230/240℃CVD600GI&ILDCHA/B/C/DGI：420/440ILD：340/360℃2腔GI、2腔ILDCVD700PVCHA/B/C/D/E230/240℃25KPXi2DSSL(DualSingleSlotLoadLock)25KPXi2TransferChamber25KPXi2

ProcessChamber（Max5）CHACHBCHCCHDCHE六、CVD设备简介CVD机台总体介绍CVDglassprocessmonitorLoadlockprocesschambertransferchamberheatchamber

530°镀2layer时有小部分H产生，未防止ELA过程中产生氢爆，需加热去氢，温度530左右，将氢含量降至1%。六、CVD设备简介pumpinglinecoolingwater1、在镀膜前将玻璃从大气环境转换到真空环境2、镀膜后主要作用降温Gasline六、CVD设备简介DSSL-DualSingleSlotLoadLockT