SiCl4/H2沉积多晶硅薄膜过程中电子空间特性检测

摘要

等离子体化学气相沉积技术是通过电子碰撞来给源反应提供能量的,跟传统的化学气相沉积技术相比,具有沉积温度低、沉积速率大及膜的质量高等优点。它广泛应用于微电子工业上晶化硅薄膜及各种合金(非晶硅、氮化硅等)的生产,已经成为一项最具潜力的微电子工艺。然而,空间等离子体的分布不均导致制备的薄膜不均匀严重制约了该工艺的进一步发展和应用。为了制备出高质量的、均匀的薄膜材料,这就要求我们对该系统中的等离子体特性,特别是对电子特性的空间分布规律进行深入的研究。
　　随着放电技术的发展,探针的诊断技术也在不断地改进和完善之中,如调谐滤波、抑制探针的射频干扰及中毒效应等,已经发展成为等离子体的一种比较有效、比较重要的诊断手段。到目前为止,将Langmuir探针直接用来测量等离子体空间特性的报道还是很少。
　　在本文中,我们提出并设计了一个位置可移动的探针检测装置,探针可以沿轴向从下电极(powered electrode)到上电极(grounded electrode)自由滑动,这样我们就可以得到电子平均能量和电子浓度的轴向空间分布;同样,如果改变探针的长度,就可以得到电子平均能量和电子浓度的径向空间分布。
　　首先,我们对化学性质较稳定、结构比较简单的Ar等离子体进行了探针检测。研究了放电功率与压强对Ar等离子体中电子特性的影响,以及Ar等离子体中电子特性的空间分布。并根据双极性扩散理论,提出了针对我们所用的等离子体化学气相沉积系统的模型,该模型成功模拟了正柱区中电子浓度的径向分布规律,其结果跟实验结果符合得很好,这为我们解决薄膜的均匀性提供了理论基础。
　　随后,我们对以SiCl4/H2为源气体PECVD法沉积多晶硅薄膜过程中等离子体特性及其径向分布进行了探针测量,并分析了SiCl4/H2等离子体空间电子特性对 PECVD系统各工艺条件的依赖关系。本论文从空间气相反应所需能量的角度(即等离子体中研究电子特性)来分析了多晶硅薄膜沉积速率随各工艺参量变化的内在原因。电子特性的实验结果很好地解释了之前我们报道的沉积速率随各工艺参量的变化关系。
　　最后,对以SiH4/H2及SiCl4/H2为源气体、采用等离子体增强化学气相沉积技术制备的非晶硅薄膜和多晶硅薄膜进行了光照稳定性的研究。实验表明,制备的多晶硅薄膜并没有出现非晶硅中的光致衰减现象,其光电导、暗电导在光照过程中没有下降反而有所上升且电导率变化快慢受氢稀释度的制约。我们认为,多晶硅薄膜的光照稳定性可能来源于高的晶化度及Cl元素的存在。这更一步说明了研究SiCl4/H2等离子体中电子特性的重要性。
　　实验结果和分析表明,我们提出并建立起来的位置可移动的探针检测装置,对于测量等离子体中电子特性的空间分布是稳定可行的;我们所建立的双极性扩散模型成功模拟了正柱区中电子浓度和电子平均能量的径向分布规律;对SiCl4/H2等离子体空间特性的探针诊断为揭示薄膜沉积的物理机制、研究薄膜均匀性,从而达到快速沉积高质量、高稳定性、多晶硅薄膜的目提供了有力的实验根据。

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第一章 引言

1.1 等离子体技术及其应用

1.2 等离子体化学气相沉积技术

1.3 等离子体诊断技术

1.4 本论文研究的目的和意义

参考文献

第二章 等离子体物理基础

2.1 等离子体中基本粒子间的相互作用

2.2 气体放电基础

2.3 等离子体的基本性质

2.4 辉光放电的性质及其规律

参考文献

第三章 PECVD技术及其物理基础

3.1 PECVD系统中的等离子体性质

3.2 PECVD制膜工艺

3.3 PECVD中SiCl4/H2辉光放电等离子体的空间气相反应

参考文献

第四章 Langmuir探针诊断技术

4.1 探针诊断技术

4.2 可移动探针的设计

参考文献

第五章 Ar等离子体中电子空间特性的探针诊断

5.1 前言

5.2 实验装置及坐标轴的选取

5.3 Ar等离子体中电子特性随工艺条件的变化规律

5.4 Ar等离子体中电子特性的空间分布规律

5.5 PECVD系统中等离子体中电子浓度ne径向分布的理论模型

5.6 小结

参考文献

第六章 SiCl4/H2等离子体中电子空间特性的探针诊断

6.1 前言

6.2 SiCl4/H2等离子体中电子特性随工艺条件的变化规律

6.3 SiCl4/H2等离子体中电子特性的径向分布规律

6.4 小结

参考文献

第七章 多晶硅薄膜的光照稳定性研究

7.1 前言

7.2 三种光诱导现象

7.4 实验结果

7.5 结果分析

7.6 小结

参考文献

第八章 结论与展望

硕士期间撰写的论文：

致谢