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《PECVD氮化硅薄膜内应力试验研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、PECVD氮化硅薄膜内应力试验研究杨景超,赵钢,邬玉亭,许晓慧(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽合肥230027)摘要:研究了等离子体增强化学气相沉积氮化硅薄膜的内应力。通过改变沉积工艺参数,研究了射频功率、反应气体流量比、载气体分压比和反应压强对氮化硅薄膜的内应力的影响,并且分析了氮化硅薄膜内应力的形成机制。制备出了应力只有-182.4MPa的低应力氮化硅薄膜。关键词:氮化硅薄膜;内应力;PECVD中图分类号:TB43文献标志码:A氮化硅薄膜是一种物理、化学性能均非常优秀气体为氩气稀释到10%的硅烷和纯氨气,氮气为载的半导体薄膜,具有高的介电常
2、数、可靠的耐热抗腐气体。X射线光电子能谱(XPS)用来分析氮化硅薄蚀性能和优异的机械性能等,因此,在微机电系统中膜的Si/N含量比。用GS6341型电子薄膜应力分布常被用作绝缘层、表面钝化层、最后保护膜和结构功测试仪测量氮化硅薄膜应力。它是运用激光干涉相[1]能层。而目前的氮化硅薄膜沉积方式,如反应溅移原理,分别测量出成膜前后的基片曲率半径变化,射法、热化学CVD法和等离子CVD法,都会使沉根据式(1)计算得出薄膜应力值。积的氮化硅薄膜处于某种应力状态。当氮化硅薄膜2Eds1σ(x,y)=(1)处于过大的拉应力状态时,就会引起开裂;处于过大6(1-γ)df
3、R(x,y)的压应力状态时,会引起褶皱或剥落。这些应力问其中:E,γ分别为Si衬底的杨氏模量和泊松比;ds,题不仅会削弱氮化硅薄膜原有的绝缘、钝化、密封效df分别为Si衬底和氮化硅薄膜的厚度,R(x,y)为果,而且还会直接影响到半导体器件的机械性能。基片上任一(x,y)点处的曲率半径。σ>0时为张应因此,在MEMS领域中研究氮化硅薄膜的应力问题力,σ<0时为压应力。则是一件十分必要和有意义的事情。2试验结果与分析用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制备的氮化硅薄膜,具有沉积温度低、均匀性好、台薄膜内应力是由于晶格缺陷,原子间距离发生阶覆盖性强的优点
4、。本文采用PECVD技术制备了变化所导致的力。它与薄膜的生长模式、成分、结构厚度为500nm的氮化硅薄膜,通过试验探索了薄密切相关,而薄膜的生长环境和生长过程又与沉积膜内应力的大小与工艺参数之间的关系,从而分析条件有着复杂的联系。因此,在研究薄膜内应力的出氮化硅薄膜内应力的形成机制,揭示出抑制氮化问题时,首先就要研究一下沉积工艺参数与薄膜内硅薄膜内应力的有效工艺途径。应力之间的关系。2.1射频功率对氮化硅薄膜内应力的影响1试验方法射频功率是PECVD最重要的工艺参数之一,试验选用3寸p型<100>晶向的单晶硅片为基它对氮化硅薄膜内应力的影响有着举足轻重的作
5、片。氮化硅薄膜的沉积是在日本SAMCO生产的PD用。图2是射频功率变化对氮化硅薄膜应力的影-220型等离子体增强化学气相沉积系统上进行的,响。从图2和表1中可以看到,随着射频功率的依设备原理参见图1。等离子射频源频率为13.56次增加,氮化硅薄膜应力随之增大,且始终成压应力MHz。样品采状态。在功率35W时,薄膜应力有极小值-440.6用电阻式加MPa。这是由于功率的增加使得真空腔中单位体积热,最高加热表1不同射频功率时氮化硅薄膜的内应力温度为400℃。RF功率/W沉积速率/nm·min-1应力/MPa为了获得更加3519-440.6均匀的气场,6022-
6、507.8上极板采用淋10028-522.3浴头型多孔结20028-622.5图1PD-220设备原理简图构。试验反应注:SiH4/NH3:71/7,压力:100Pa,温度:300℃《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2008年第1期·77·[2]内的电子的平均能量提高,而等离子体中电子的的关系曲线,此时射频功率、反应压强、载气体分压能量是服从麦克斯韦分布的,随着电子能量的增加,比和沉积温度均保持不变。从图3和表2中可以看[3]则会引起表示电子平均能量的麦克斯韦分布曲线到,在整个SiH4/NH4流量比变化的过程中,氮化硅前趋,即电子主要能量部分将向较
7、高电子能量处分薄膜内应力始终成压应力状态,且随着SiH4/NH4布,跨越激活和电离阀值的高能电子数增加,这样就流量比的逐渐增大,应力随之增加。在SiH4/NH4会使得等离子中反应活性粒子数增加,携带能量提流量比为[425]高。等离子中反应活性粒子数增加了,自然会引01125时,[6]起沉积速率的增大。等离子中粒子携带能量提氮化硅薄[7]高,会造成离子轰击效应。功率越大,离子轰击效膜内应力应越严重,所以薄膜成压应力状态,且随着功率的增有一个极[8]加,应力随之增大。在低功率(小于80W)时,离小值为-子轰击效应不显著,薄膜生长是造成内应力的主要344.0原因
8、。然而随着功率的增加,薄膜沉积速率随之提MPa。此高,过大的薄膜沉
