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1、LPCVD氮化硅薄膜工艺研究第28卷第2期2010年6月蔓榘威舔避谢JICHENGDIANLUTONGXUNVo1.28No.2Jun.2010LPCVD氮化硅薄膜工艺研究高博(中国兵器工业第214研究所蚌埠233042)摘要氮化硅薄膜在半导体器件制造,薄膜加工,MEMS中有着广泛的应用.利用低压化学气相淀积(LPCVD)技术,在800~C温度下,不同的工艺气体流量比生成的氮化硅薄膜,其薄膜成份中的硅氮比会有不同,造成薄膜特性也不同.通过测试氮化硅薄膜在缓冲腐蚀液(BOE)中的腐蚀速率,来推定氮化
2、硅所含硅氮成分,寻找出适合生产的最佳工艺条件.关键词低压化学气相淀积(LPCVD)氮化硅均匀性1引言氮化硅膜是非晶绝缘物质,在VLSI制作中有三个主要用途:1)作为集成电路的最终钝化和机械保护层,特别是塑料封装的器件;2)作为硅选择性氧化的掩膜;3)作为MOS器件中的栅介质.氮化硅介电常数高,这使它在层间绝缘应用上较缺乏吸引力.1j,i为导电层间产生了较大的电容.良好的氮化硅薄膜对集成电路制造有着重要意义.利用氮化的方法(如氨气)生长氮化硅相当困难,其主要原因是生长速率太慢,且需要很高的生长温度.
3、然而,氮化硅可以用中温(800~C)LPCVD的方法或者低温(300~C)PECVD法淀积.LPCVD法可获得完全的化学组成Si,N,密度较高2.9—3.1g/cm,可提供一个较好的掩蔽层,防止水和钠离子的扩散,用于覆盖器件,PECVD法无法获得正确化学组成,密度2.4—2.8g/cm,由于淀积温度低,适合在制作完成的器件上淀积最后的保护层.其抗刮性极佳,适合作为防止水和钠离子扩散至器件的保护材料,这里只对LPCVD制备的氮化硅薄膜进行研究分析.2工艺步骤LPCVD工艺生成氮化硅的主要工艺步骤:初
4、始化一安全设定一升温一进舟一前清洗一泵抽一检漏一稳定一淀积(淀积时间根据工艺规范要求确定)一泵抽一后清洗一冲氮一出舟.其中最重要的是淀积中的气体反应过程,一般可概括为以下步骤:1)给定组成(和流量)的反应气体和用来稀释的惰性气体引入反应室.实验中采用SillCI2和NH,作为反应气体,N:作为惰性气体;2)气体物质向衬底方向流动;3)衬底吸收反应物;4)被吸附的原子迁移进行成膜化学反应;5)反应的气体副产品被排出反应室.驱动反应的能量有几种方法提供(例如热,光子,电子),热能最常用.气体的化学反应
5、生成的固态物质不仅在(或非常接近于)晶片表面(异相反应Heterogeneousre-action),还会在气相中(同相反应,homegeneousre-action).LPCVD工艺希望发生的是异相反应,因为它只在加热炉里有选择性地发生,生成的膜质量好.而同相反应是不希望发生的,因为它们形成淀积物气相团,导致附着性不好,密度低,缺陷多.另外,同相反应还消耗反应物,降低了淀积速率.因此,LPCVD应用的化学反应的一个重要特征是异相反应超过同相反应的程度.LPCVD工艺步骤可总结为气相过程和表面过程
6、两个步骤.第28卷第2期榘威躐遒蓦3实验及数据分析实验采用的设备是THERMCO公司生产的TMX9000型水平式LPCVD炉管.这种水平式LPCVD炉管的优点是有良好的经济性,产量大,均一性好和容纳大尺寸晶片(如150mm)的能力.主要缺点是易于受微粒污染,淀积速率低.LPCVD氮化硅由Sill2C12和NH3在700—800'12间反应生成,整个反应的化学反应式如下:3Sill2C12(g)+4NH3(g)一Si3N4(s)+6HCI(g)+6H2(g)LPCVD淀积氮化硅与各种因素有关,如:温
7、度,总压强,反应物比率和反应器内的温度梯度等.在实验中,发现氮化硅薄膜的成份也不是一成不变的.当Sill:CI和NH之间的流量比发生变化时,氮化硅薄膜成份也发生了细微的变化.由于缺乏必要的设备仪器无法直接测出氮化硅薄膜成份,通过采用测试BOE腐蚀氮化硅速率的方法来推定氮化硅薄膜的主要成份.国际公认氮化硅薄膜在BOE腐蚀液中的腐蚀速率一般接近10./~min.以10/k/min为Si3N4在BOE中的基本腐蚀速率,小于此腐蚀度率的氮化硅薄膜成份中富含Si,Si:N>3:4.实验是在反应温度为8
8、00oc,反应腔室压力为200ma"条件下进行的.在实验中,取4片实验片放置在氮化硅炉管中间区域的石英舟的前,中,后部分,这样可以测得这一个舟上的膜厚均匀性.在相同的淀积时间下(21分20秒),测得以下6组数据.表1Sill2C12/NH3流量比:25/45片号上由下左右平均膜厚反应速率1570555559565566255554055054954754525.6354753l543542544AA/min4526516526529528表2Sill2CI2/NH3流量比:20/4
