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1、氮化硅薄膜特性以及影响膜品质因素进行分析培训人：闫素敏培训内容：薄膜性质沉积条件对氮化硅膜影响常见异常氮化硅薄膜是一种物理、化学性能十分优良的介质膜,具有高的致密性、高的介电常数、良好的绝缘性能和优异的抗Na+能力等,因此广泛应用于集成电路的最后保护膜、耐磨抗蚀涂层、表面钝化、层间绝缘、介质电容。等离子增强化学气相沉积(简称PECVDPlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)具有沉积温度低(<400℃)、沉积膜针孔密度小、均匀性好、台阶覆盖性好等优点。氮化硅薄膜性质SiNx的优点：优良的表面钝化效果高效的光学减反射性能（厚度和折射率匹
2、配）低温工艺（有效降低成本）含氢SiNx:H可以对mc-Si提供体钝化为了提高生成膜的质量,需要对衬底加温。这样可使成膜在到达衬底后具有一定的表面迁移能力,在位能最低的位置结合到衬底上去,使所形成薄膜内应力较小,结构致密,具有良好的钝化性能。衬底温度一般在250～350℃,这样能保证薄膜既在HF中有足够低的刻蚀速率和较低的本征应力,又具有良好的热稳定性和抗裂能力。衬底温度低于200℃沉积生成的薄膜本征应力大且为张应力,不容易沉积;而高于400℃时氮化硅薄膜生长不均匀,容易龟裂。温度对薄膜影响当衬底温度升高时,沉积速率增大,氮化硅薄膜的含H量和Si/N比下降,折射率上升
3、,腐蚀速率下降;衬底温度的变化对氮化硅薄膜的腐蚀速率影响显著。折射率是薄膜结构和致密性的综合反映,等离子体中的反应相当复杂,生成膜的性质受多种因素的影响,因此,折射率是检验成膜质量的一个重要指标。温度对沉积速率的影响较小,但对氮化硅薄膜的物化性质影响很大;温度升高时,薄膜的密度和折射率直线上升,在缓冲HF中的腐蚀速率呈指数式下降,同时会提高衬底表面原子的活性和迁移率,使衬底表面反应增强,过剩的硅原子减少,膜的含H量降低,Si/N比下降,改进了化学组分。温度对氮化硅薄膜性质的影响。由表1可知:温度在300～500℃,每变化20℃,薄膜的沉积速率变化小于1%;温度低于30
4、0℃,氮化硅膜的特性发生了显著变化;高于450℃,在显微镜下观察,发现氮化硅膜的龟裂区域出现。表1温度对氮化硅薄膜性质的影响温度/℃沉积速率/(nm·min-1)折射率缓冲HF刻蚀速率/(nm·min-1)252.00.50410.01003.50.63400.02005.80.83320.02508.71.00104.030010.81.7930.035011.01.8520.038011.21.9510.040011.21.9610.045011.51.969.8炉管温区示意图射频功率对氮化硅薄膜的影响射频功率是PEVCD最重要的工艺参数之一,在工作中射频功率一般
5、在确定为最佳工艺条件后就不再改变,以保证生产的重复性。当射频功率较小时,气体尚不能充分电离,激活效率低,反应物浓度小,薄膜针孔多且均匀性较差,抗腐蚀性能差;当射频功率增大时,气体激活效率提高,反应物浓度增大,生长的氮化硅薄膜结构致密,提高了膜的抗腐蚀性能;但射频功率不能过大,否则沉积速率过快,使膜的均匀性下降,结构疏松,针孔密度增大,钝化性能退化。腐蚀速率在一定程度上反映出膜的密度和成分,与折射率关系密切;一般是折射率越高腐蚀速率越低。射频功率对氮化硅薄膜沉积速率和性质的影响见下图。沉积速率与射频功率关系腐蚀速率与射频功率关系折射率与射频功率关系从键能角度看,Si-H
6、键的键能小于N-H键的键能,使N-H键破裂比Si-H键破裂需要更多的能量,当SiH4浓度足够高时,随着射频功率的增加,使得更多的N-H键破裂,为反应气体提供了充分的氮的自由基,硅氮反应充分,因而沉积速率直线上升。但是当SiH4浓度过低、气体总流量太小时,因激活率达到饱和,在较高功率下会出现沉积速率饱和的现象,这时沉积速率几乎不受RF功率的影响。气体流量比对生长氮化硅薄膜的影响气体总流量直接影响到沉积的均匀性,为防止反应区下游反应气体因耗尽而降低沉积速率,并且补偿SiH4气体的各种非沉积性的消耗,PECVD通常采用较大的SiH4和气体总流量。SiH4/NH3流量比对沉积
7、速率、膜的组分及物化性质均有很大的影响。表3为SiH4/NH3相对比例对沉积薄膜的影响。由表3知,薄膜的折射率和相对特性由SiH4/NH3膜的相对比例来调节,应采用较高的SiH4/NH3SiH4/NH3膜厚折射率缓冲HF腐蚀速率片间均匀性1:023402.10慢差1:053402.05慢差1:083601.99较慢较好1:103801.96较慢好1:123901.85快好当SiH4/NH3=1：10时,沉积的氮化硅薄膜的特性最好;低于1：10时,氮化硅薄膜的折射率偏高,生长过程中产生的应力问题更为突出,因而,生成的氮化硅薄膜愈厚,薄膜的龟裂现象愈易发
