（精密仪器及机械专业论文）基于PECVD技术的氮化硅薄膜应力优化研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 在超大规模集成电路和微机电系统( m e m s ) 领域中，等离子体辅助化学气相 沉积法( p e c v d ) 是一种常用薄膜制备技术，具有淀积温度低，均匀性好、台阶 覆盖性强的优点。 然而，由于沉积环境和生长过程的影响，薄膜类材料均难以避免应力的存在。 与半导体组件不同的是，m e m s 领域中的薄膜微悬臂结构需要对其下面的牺牲 层进行刻蚀，以使微结构能够悬空。因此，当存在于薄膜中的应力得已释放时， 会导致微悬臂结构产生弯曲等结构形变。对于用作钝化保护的掩膜来说，当薄膜 内部存有一定的大应力时，则会引起异质结界面晶格失配，不良的界面态，界面 陷阱等缺陷严重影响到掩膜的钝化效果损害器件的性能。而用作绝缘层的薄 膜，若薄膜内部应力较大，就会使器件的直流特性上反映出跨导变小，正反向击 穿特性变差。严重时会直接导通，致使器件报废。 本论文是基于p e c v d 技术制作低应力氮化硅薄膜方面的研究。首先，从 p e c v d 氮化硅薄膜成膜机理出发，结合应力成因，从等离子场、温度场角度系 统地分析了工艺参数和沉积设备对氮化硅薄膜沉积现象和应力的影响。接着，从 实验研究出发，探讨了沉积工艺参数与氮化硅薄膜应力之间的联系。结果表明； 适当地调整沉积参数，可使氮化硅薄膜应力控制于2 0 0 m p a 以下。射频功率越小， s i 地与n h 3 影响的薄膜s i n 比越接近标准化学计量比( s i n ：o 7 5 ) ，载气体n 2 和 反应压强调节的等离子状态越恰当，沉积温度影响的表面扩散率越充分，则氮化 硅薄膜应力就越小。 此外，本文还对低应力氮化硅薄膜作为结构层、钝化掩膜层和绝缘层的实用 效果也进行了探讨。结果显示，实验中用低应力参数制备出的氮化硅薄膜悬臂结 构不会发生悬臂端上下弯曲的现象。在7 5 3 0 k o h 溶液里，低应力参数氮化 硅薄膜与硅材料的刻蚀速率比为l ：3 5 0 并且低应力参数制备出的氮化硅薄膜 绝缘层，电阻率在l o l 2 1 0 1 4 q c m 范围，它可以很好地绝缘开两个电极层。 关键词：p e c v d 氮化硅薄膜应力实用性 中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c t p l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( p e c v d ) t e c h n o l o g yi sap o p u l a r a n dw i d e s c a l et h i n f i l mp r o c e s sf o rt h ef a b r i c a t i o no fm i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ( m e m s ) a n dl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t r y ( ( l s i c ) i th a sm a n ye x c e l l e n t p r o p e r t i e s ，s u c ha sl o w e rd e p o s i t i o nt e m p e r a t u r e ，g o o du n i f o r m i t ya n ds u p e r i o r s t u f f i n ga b i l i t ye t c h o w e v e r , d u et ot h ei n f l u e n c e so ff a b r i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n dt h i nf i l mg r o w t h p r o c e s s ，t h i nf i l mm a t e r i a l sa r cn o r m a l l yu n d e rr e s i d u a ls t r e s s e s u n l i k e m i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e s , am i c r o s t r u c t u r ei sn ol o n g e rc o n s t r a i n e db yi t su n d e r l y i n g s a c r i f i c i a ll a y e ra f t e ra n i s o t r o p i ce t c hu n d e r c u t t i n g ；t h e r e f o r e , r e s i d u a ls t r e s s e sa n d r e s i d u a lg r a d i e n ts t r e s sm a yr e s u l t i nb e n d i n ga n db u c k l i n go fam i c r o s t r u c t u r e m o r e o v e r , i ft h i nf i l mm a t e r i a l sw i t hu p p e rr e s i d u a ls t r e s s e sg of o rp a s s i v i t yf i l mi n o r d e rt op r o t e c tu n d e r l y i n gac e r t a i nl a y e ra g a i n s tc o r r o s i o n ，t h e mc o u l dh a v el o s t t h e i rp r o t e c t i o na n dr e s i s t a n c ea h i l i t yb e c a u s eo fl a t t i c ed e f e c t ，l a t t i c em i s m a t c ha n d d e f e c t i v eg r a i nb o u n d a r yf r o mw h a tc a u s er e s i d u a ls t r e s s i nr e s u l t ，t h i nf i l m m a t e r i a l sd e v i c e sa r ed r a w ni nf a i l u r e i na d d i t i o nt o ，i ft h i nf i l mm a t e r i a l sw i t hu p p e r r e s i d u a ls t r e s s e s g o f o ri n s u l a t i o nf i l mi no r d e rt oi n s u l a t ef r o mb e t w e e n m i c r o - e l e c t r o d e s ， m i c r o - d e v i c e sc o u l dh a v es h o w n l e s s e r g r i d - a n o d e t r a n c o n d u c t a n c ev a l u e ，w o r s er e v e r s eb r e a k d o w na b i l i t ya n de v e nd i r e c tb r e a ko v e r a sr e s u l to f u p p e rs t r e s s t h eo b j e c t i v eo ft h i sp r e s e n tw o r ki st ou s ep e c v dt e c h n o l o g yt of a b r i c a t ea l o ws t r e s ss i l i c o nn i t r i d ef i l m s f i r s t l y , b a s e do nt 1 1 ef o r m i n gm e c h a n i s mo fs i l i c o n n i t r i d ef i l m sa n dt h er c a s o 璐c a u e 汜r e s i d u a ls t r e s s ，t h ei n f l u e n c eo fd e p o s i t i o n p a r a m e t e r sa n de q u i p m e n ts t r u c t u r eo nt h er e s i d u a ls t r e s so fs i l i c o nn i t r i d ef i l m sa n d p h e n o m e n o ni na s - d e p o s i t e ds t a t ea r ed e t a i l e dc a r r i e do nf r o mp l a s m as t a t ea n d d e p o s i t i o nt e m p e r a t u r e t h e n ，t h ei n t e m a lr e l a t i o n s h i pd e p o s i t i o np a r a m e t e r sa n d r e s i d u a ls t r e s so ns i l i c o nn i t r i d ef i l m sa r es t u d i e db ym e a n so f e x p e r i m e n tm e t h o d s i t i se x p e c t e dt of m do u tt h ef o r m i n gr e a s o n so fr e s i d u a ls t r e s so fs i l i c o nn i t r i d ef i l m s a n daf e a s i b l ep r o c e s sm e t h o do f d e p o s i t i n gs i l i c o nn i t r i d ef i l m sw i t hl o ws t r e s s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e s i d u a ls t r e s si nt h es i l i c o nn i t r i d ef i l m sc a nb e 中国科学技术大学硕士论文 a b s t r a c t r e d u c e dt ot h er a n g eo fb e l o w2 0 0 m p ab ya d j u s t i n gp r o p e rd e p o s h i o np a r a m e t e r s l o w e rr fp o w e r , r a t i os ia n dni ns i l i c o nn i t r i d ef i l m sc l o s et os t a n d a r d s t o i c h i o m e t r yr a t i o ( s i 3 n 4 ：0 7 5 ) ，a p p r o p r i a t ep l a s m as t a t eu n d e r t h ec o n t r o lo f n 2 p a r t i a lp r e s s u r ea n dp r e s s u r e ，f i n i n gs u b s t r a t et e m p e r a t u r ef o rm n yd i f f u s i v i t y , w h i c h c o n d i t i o n sa r el c a dt oaw a yt h a tf a b r i c a t es i l i c o nn i t r i d ef i l m sw i t hi o w e rs t r e s s b e s i d e s ，t h ep r a c t i c a b i l i t yo fs i l i c o nn i t r i d ef i l m sw i t hb e l o w2 0 0 m p ar e s i d u a l s t r e s sa ss t r u c t u r el a y e r s ，p a s s i v i t yl a y e r sa n di n s u l a t i o nl a y e r sf o rm e m sa r cs t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es i l i c o nn i t r i d ec a n t i l e v e rb e a m sw i t hb e l o w 2 0 0 m p as t r e s sa v o i d e dt h ee n do f i t sb e n tu p w a r do rd o w n w a r d u n d e rt h ec o n d i t i o n o f7 5 3 0 k o hs o l u t i o n c o r r o s i o nr a t i oo fs i l i c o nn i t r i d ef i l m sw i t hb e l o w 2 0 0 m p as t r e s sa n ds i l i c o nm a t e r i a l sr e a c hl ：3 5 0 a n dt h ei n s u l a t i o nl a y e r sw i t h l o l 2 l o l 4qc md e p o s i t e db yl o ws t r e s sp a r a m e t e r sa l s os h o we x c e l l e n ti n s u l a t i o n a b i l i t y , w h i c hc a ni n s u l a t ef r o mm i c r o e l e c t r o d e se a s i l y k e y w o r d s ：p e c v d s i l i c o nn i t r i d ef i l m sr e s i d u a ls t r e s s p r a c t i c a b i l i t y i 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 早在十九世纪中期，利用蒸镀( e v a p o r a t i o n ) 或溅镀( s p u r e o 的方式将材科沉 积在基底表面的技术就已被发明。由于这层材料的厚度远较基底材料小的多( 几 个数量级) ，约在数十埃( a n g s t r o m ) 至数个微米的范围，因此被称为薄膜。近年 来，基于薄膜材料在电、磁和光方面的特性，薄膜材料被广泛地应用在许多领 域，如汽车、化工、航天、医疗和仪器等，尤其在微机电系统( m e m s ) 和超大规 模集成电路( u l s i ) 中，薄膜技术更是工艺过程中的一大关键。 然而，目前的薄膜材料成长或沉积方式，例如热氧化( t h e r m a lo x i d a t i o n ) 、 溅镀、蒸发和化学气相沉积( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，c v d ) ，都会使这些沉 积在基底表面的薄膜产生应力( s t r e s s ) 对于微机电系统而言，应力的存在不仅 容易造成薄膜结构元件的变形及寿命的减短，而且还对半导体器件的机械、电 学性能造成许多不良的影响。因此，如何减小薄膜应力在目前微机电系统中是 一个非常重要的课题。 氮化硅( s i l i c o nn i 仃i d e ，s i n x ) 是微机电系统中是常见的一种半导体薄膜材 科。由于高的介电常数、可靠的耐热抗腐蚀性能和优异的机械性能，它常被用 作绝缘层、表面钝化层和结构功能层等。同样，氮化硅薄膜也存在着薄膜应力 问题。例如，在局部氧化( l o c a s ) 的技术中，虽然低压沉积氮化硅( l o w p r e s s u r e c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ：l p c v ds i 3 n 4 ) 可以有效的阻止氧的扩散。但如果将 较高应力的氮化硅沉积在硅基底上，则会由于本身结构紧密对硅基底产生很大 的拉应力，使下面的主动区( a c t i v er e g i o n ) 产生缺陷，电晶体的p n 介面在逆偏压 操作时会产生很大的漏电流，致使器件报废。再者，在光衰减器器件设计中， 用等离子辅助化学气相沉积( p l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ： p e c v d ) 氮化硅( s i n x h y ) 作鼓膜光栅时，如果在硅基底上沉积的氮化硅薄膜压 应力过大时，就会引起开口处边缘的氮化硅膜鼓膜出现褶皱或破裂现象，导致 器件失效。一般来讲。氮化硅成膜后的应力都比较大，在l o o d y n c m 2 左右。当 氮化硅薄膜处于较大的拉应力时状态时，会引起薄膜开裂现象；处于过大的压 应力状态时，会引起褶皱或剥落现象。这些应力问题不单会削弱氮化硅薄膜原 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 有的绝缘、钝化、密封效果，而且还会直接影响到半导体器件的机械性能。 氮化硅薄膜的应力优化研究从上世纪7 0 年代就已开始。其中较具代表性的 研究有：1 9 8 5 年w a ec l a a s s c n 和wgj n v a i k e n b u r g 通过对沉积参数的优化， 将氮化硅薄膜应力控制在土6 0 0 m p a 以内i l j ；1 9 8 9 年d q i n g y u n , 和z l i a n k u i 等利用 b 离子注入法，将2 5 0 n m 厚，应力为2 2 0 m p a 的氮化硅薄膜应力减小到1 5 0 m p a t 2 1 ； 1 9 9 6 年l s h i 、c a m s t e e n b e r g e n 和a h d ev r e e d e 等利用p e c v d 高低频交替 技术，将3 u m 厚的氮化硅薄膜应力控制在2 0 0 m p a 以下，甚至达到1 5 m p a t m ；2 0 0 5 年m a r i u s zm a r t y n i u k 、j a r e k a n t o s z e w s k i 和c h a r l e s a m u s c a 弄u 用循环真空退火技 术，可以将2 0 0 m p a 氮化硅薄膜应力减d , 至t j s o m p a 左右【4 j 。 本论文研究的目的旨在通过探讨p e c v d 技术中沉积工艺参数与氮化硅薄 膜应力之间的联系，从理论到实验的基础上，设计出制备低应力氮化硅薄膜的 工艺参数，以期能够分析出氮化硅薄膜应力的形成机制，揭示出抑制氮化硅薄 膜应力的有效工艺途径。此外，本文还对低应力氮化硅薄膜的物理性能进行了 探讨，以确保其作为半导体器件层或功能层的实用性。 1 2 氮化硅薄膜沉积技术及比较 目前氮化硅薄膜的制备手段有很多，有高温氮化法、溅射法、热分解法、 等离子辅助法等等。根据制备原理的不同，氮化硅薄膜制备技术大体上可分为 直接氮化法、物理气楣沉积法、化学气相沉积法三大类。 1 2 1 直接氮化技术 1 n h 3 高温氮化 这是最早用来制备氮化硅薄膜的方法，将清洗过的洁净硅片在高温( 9 0 0 c ) 下与n h 3 反应，在硅片表面生成薄层氮化硅膜的技术。这种方法反应温度高， 膜的生长速度很慢，而且薄膜的厚度有限( 1 0 0 埃以下) 。 2 等离子体增强氮化 这种方法通过激发稀薄气体进行辉光放电得到等离子体，利用等离子体的 活性对硅片进行氮化，常用n ：和n h ，等离子体。此法虽然比n h 3 高温氮化法的反应 温度低，但膜厚仍有限制，且反应时间长。另外，离子对薄膜表面的轰击会造 成薄膜的损伤。 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 3 激光辅助氮化 激光辅助氮化是一种利用大功率激光的热效应来沉积薄膜的方法。激光照 射到硅片上对其加热，硅在高温下蒸发并与氮气气氛反应生成氮化硅。这种方 法可以达到很大的沉积速率，当使用脉冲激光时，硅靶的蒸发速率可以达到 1 0 e s ，薄膜厚度没有限制，反应时间短，避免了高温对基底的不利影响，而且 由于材料加热源与蒸镀材料、基底不在同一腔室，容易控制环境气氛”1 。缺点是 设备复杂。难以大面积沉积薄膜，且对氧污染比较敏感。 利用直接氮化技术制备氮化硅的最大特点；表面一旦形成氮化硅薄膜以后， 就把氮和硅隔离开来，使得反应速度降低。用直接氮化法制备氮化硅，膜厚一 般在1 0 0 埃以下。同时，为了能够进行氮化反应。常常需要将硅片加热到较高的 温度( 一般要比c v d 法温度高) 用该方法制备的优点是氮化硅膜较其它制备方法 致密、稳定”。 1 2 2 物理气相沉积技术( p v d ) 1 离子束增强沉积法0 r e e d ) i b e d 法是在真空系统中以电子柬蒸发或离子束溅射硅靶的同时，用一定能 量的离子束( n + 和n 2 ) 进行轰击，在常温下合成薄膜的方法。此法有不少优点： 高真空反应，氧化程度低；薄膜与基体的结合强度高；沉积温度低；可以控制 薄膜的化学成分。但是使用这种方法，氮的消耗量很大，沉积速度太低，同时 高能离子的轰击使膜表面产生较多缺陷。 2 磁控反应溅射 溅射制膜是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，使被轰击出的粒 子在基片上沉积的技术。溅射过程中还可以同时通进少量活性气体，使它和靶 材原子在衬底上形成化合物薄膜，这就是反应溅射。溅射制膜可分为直流溅射、 射频溅射、离子束溅射、偏压溅射、三极溅射等 溅射制备氮化硅薄膜的设备可采用国产j 6 p 5 0 0 型超高真空磁控溅射系统 如图i 1 示。基片材料选用( 1 1 1 ) 取向的s i 单晶片；靶材为多晶硅；氩气和氮气 流量分别为3 0 m l m i n 和1 5 m l m i n ，整个实验过程始终保持本底真空度为 1 1 0 x l o - p a ，反应气压为1 6 p a ，板压为7 0 0 v ，沉积时问均为2 小时。实验通过改 变基片湿度( 1 0 0 6 0 0 ) 、射频功率等参数可制备出不同性能的氮化硅薄膜”1 。 磁控反应溅射技术集中了磁控溅射和反应溅射的优点，不仅可以制备出符 合要求的氮化硅薄膜，而且膜的成分和结构容易控制。尤其是l i f 磁控反应溅射 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 法制备的氮化硅薄膜，其性能几乎可以和辉光放电等离子体c v d 法制备的薄膜媲 美。但缺点是靶材利用率低，薄膜表面缺陷较多，抗腐蚀能力差。 图1 1j 6 p 5 0 0 型超高真空磁控溅射系统图1 2 射频反应溅射装置示意图 1 2 3 化学气相沉积技术( c v d ) c v d 法是最常用的氮化硅薄膜制各方法。它把含有构成薄膜元素的气体供 给衬底，利用加热、等离子体、紫外光等能源，发生化学反应沉积薄膜。c v d 法具有很多优点：薄膜形成方向性小，微观均匀性好；薄膜纯度高，残余应力 小，延展性强；薄膜受到的辐射损伤较低下面是常用的几种c v d 方法。 图1 3l p c v d 设备原理示意图 1 常压热化学气相沉积法( a p c v d ) 这种方法在常压下给反应气体加热，利用热分解或化合反应在衬底表面形 4 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 成薄膜。它对设备的要求很简单，是早期制备氮化硅薄膜的主要方法。但是因 为薄膜生长缓慢，膜厚不均匀，易污染，已经逐渐被低压热化学气相沉积法取 代。 2 低压热化学气相沉积法( l p c v d ) 在低于0 1 m p a 玉, 力下工作的c v d 装置属于低压热化学气相沉积( l p c v d ) 装置。与a p c v d 相比，l p c v d 装置的工作压力常低至l o o p a 左右。这将使得气 体的平均自由程和扩散系数增加约三个数量级【8 i ，使其传输速度加快，防止了 产物的凝聚，从而获得厚度均匀的薄膜。同时，l p c v d 技术可实现大批衬底上 的薄膜沉积，工作效率高，且制得的薄膜性能较好，可重复性较高。但是a p c v d 和l p c v d 都是以热量活化反应气体，反应温度很高，在高温下，衬底容易变形， 其中的缺陷会生长和蔓延，从而影响界面性能。 3 等离子体辅助化学气相沉积法( p e c v d ) 虽然氮化硅薄膜的制备，可以在7 0 0 1 0 0 0 c 下通过常压化学气相沉积法 ( a p c v d ) 或者在7 5 0 左右由低压化学气相沉积法制得，但目前在工业上和 实验室中一般使用等离子体辅助化学气相沉积( p l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ) 来制备氮化硅薄膜。这是因为：1 ) 这种方法沉积温度低，对 多晶硅中少子寿命影响小，并且生产时能耗低；2 ) 沉积速率较快，生产效率高； 3 ) 工艺重复性好，薄膜厚度均匀：4 ) 薄膜缺陷密度较低。 此外，虽然l p c v d 法沉积的氮化硅薄膜，有较好的薄膜性能，但是由于其 沉积温度较高( 8 0 0 c ) ，所得的氮化硅薄膜通常有高达1 0 1 0d y n e c m 2 以上的拉 应力( t e n s i l es t r e s s ) 。因此，以l p c v d 法所沉积的氮化硅，其薄膜的厚度不宜 超过3 0 0 0 a 范围，以避免发生裂痕( c r a c k ) 。而利用p e c v d 所沉积的氮化硅则没 有这个困扰。因为p e c v d 法不仅有沉积温度低( 4m h z ) 下沉积的氮化硅 薄膜会呈现拉应力状态。这是因为薄膜中h 含量变化的缘故。高衬底温度会使得 氮化硅薄膜中h 吸附减少，变得更易和n h 和s i h 键结合，生成h 2 挥发。薄膜中 的微小孔会增多，薄膜开始收缩，最终致使薄膜成拉应力状态。另外，薄膜沉 积速率几乎和沉积温度、反应总气压无关。 1 9 9 0 年h e y 等人【1 5 】使用p e c v d 沉积氮化硅薄膜，通过实验发现：当反应 压力逐渐降低时，薄膜应力由伸张应力转变为压缩应力型态，且b o e ( n h 4 f ： i t f = 6 ：1 ) 湿蚀刻速率随压力下降而降低。在频率方面，当频率由4 5 0 1 d t z 逐渐 升高到1 3 5 6 m h z 时，薄膜压缩应力将逐渐增加，且b o e 湿蚀刻速率随频率上 升而降低。在r f 功率方面，因离子密度随功率升高而增加，所以薄膜沉积速率 也上升，且b o e 湿蚀刻速率随功率上升而变快。这是因为。反应压强越低，分 子之间的平均自由程( m e a nf r e ep a t h ) 就越大，离子轰击能量也越高，所以薄膜 易成压应力状态。另外，射频r f 功率越高，离子携带能量越大，等离子体中的 激发粒子密度越高( 因为在物理化学手册中【1 6 】提到有关于氮化硅薄膜内部的分 子键结强度：s i h 键结强度( 善3 1 e v ) ，n h ( 耋3 5 e v ) ，s i - n ( 4 9 e v ) ， n - n ( 9 8 e v ) ) 。因此，薄膜压缩应力将逐渐增加，沉积速率逐渐上升 2 0 0 4 年y uy i n g ，l u oz o n g - z i 和w e n gx i n - q i a o 等k t ”l 研究了衬底温度、反应 气体流量比和沉积时间对氮化硅薄膜应力的影响。锝出如下结论：当沉积温度 低时，氮化硅薄膜的应力呈压应力状态。主要是由于反应粒子能量低，在硅片 表匾迁移率低造成的。随着沉积温度的增加。薄膜应力逐渐向拉应力转交，且 由基底和氮化硅材料热胀的系数不同引起的热应力随着温度的增加，变的越来 越显著。在反应气体流量比上，氮化硅薄膜的应力主要是薄膜中的s i 和n 比造成 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 的。当薄膜中n 含量减小时，薄膜应力增加。并且这种不匹配度越大，薄膜应力 就越大1 1 8 】。沉积时间是通过薄膜厚度来影响应力的。薄膜厚度对氮化硅薄膜的 应力非常敏感，厚度的依次增加，薄膜应力随之增大。 2 0 0 7 年j yc h e n ，y m l i a o , c c l e e 等人【4 j 在低应力氮化硅鼓膜研究中， 通过研究p e c v d 中的四项工艺参数( 温度、工作压力、r f 功率与气体流量) 对薄 膜应力的影响，得出：温度越高、工作压力越大、r f 功率越小与s h 4 n h 3 流量 比越小，会造成薄膜应力朝张应力发展。并且成功地控制薄膜的应力，制备出 了应力值为+ 1 7 0 m p a f l 毛应力氮化硅薄膜。 1 3 2 沉积技术改进应力优化研究方面 1 9 9 6 年l s h i 、c a m s t e e n b e r g e n 和a h d ev r e e d e 等人1 3 1 利用低温p e c v d 高低频交替技术，在2 5 0 下将沉积在l n p 基底上的3 u r n 厚( 低频，高频： 1 7 5 u r n 1 3 0 u m ) 氮化硅薄膜应力成功地控制在2 0 0 m p a 以下，甚至达到1 5 m p a 。 1 9 9 9 年，中国上海冶金研究所的姜利军，赵润涛和陈翔等人【1 9 1 也研究了p e c v d 高低频交替技术对氮化硅薄膜沉积和应力的影响，得出以下结论：由于离子轰 击作用较强，低频下沉积的氮化硅薄膜氢含量相对较小，薄膜密度相对较大， 表现出压应力，在b f h 溶液中的腐蚀速率相对较低，而高频沉积的氮化硅薄膜 氢含量较高，密度小，腐蚀速率大，具有张应力；利用高、低频交替沉积的氮 化硅薄膜因低频下的压应力和高频下的张应力相互抵消，制备出了应力达 1 0 m p a 的低应力氮化硅薄膜 1 9 9 8 年t a k a g i 等人】使用超高频率( 3 0 m h z - 5 0 m h z ) 等离子体辅助化学气 相沉积法( v e r yh i g hf r e q u e n c yp l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，v h f p e c v d ) 沉积非晶氮化硅薄膜。实验结果发现，氮化硅薄膜沉积速率随频率增 加而上升；应力方面，在气体流量比s i h 4 n h 3 n 2 = 1 2 0 ，6 0 0 ，2 8 0 0 s c c m 及p o w e r d e n s i t y = 0 3 2 - - 0 4 8 w e r a z ，频率为1 3 5 6 m h z 条件下时，氮化硅薄膜承受一压缩 应力，而且离子轰击能量随功率的增加而上升所以，压缩应力大小随功率上 升而增加；当气体流量比s m 4 n h ，n 2 = 1 0 0 3 0 0 1 0 0 0 s e e m 及p o w e rd e n s 时= 0 3 2 - 0 6 4 w e r a 2 。频率为4 0 m h z 条件下时，氮化硅薄膜承受一拉伸应力。这是因 为在4 0 m h z 频率下，离予在电场所获至的能量较1 3 5 6 m h z 频率为低，所以离 子对薄膜的轰击能量亦较低；在反应气体总流量方面，氮化硅薄膜内部的s i - h n - h 比值随总气体流量的上升而增加，且氢原子在氮化硅内的含量亦随之增加。 1 9 9 9 年o r f e r t 和r i c h t e r i 2 t l 使用微波频率( 2 4 5 g h z ) 电子环绕共振式等离子 9 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 体辅助化学气相沉积法( m i c r o w a v ee l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c ep l a s m a e n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，m w - e c rp e c v d ) 沉积氮化硅薄膜，且针 对反应气体流量比( s i h 4 ，n 2 ，n h 3 ，a t ) 、反应气体压力、微波功率( m w - p o w e r ) 、 基板温度以及基板与等离子区域之间的距离等工艺参数进行实验研究。在压力 方面，当压力逐渐提高，由傅立叶转换红外光谱仪( f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ， r ) 分析得知，s i - np e a k ( - 8 3 0c m o ) 相对高度缓侵上升。但是b o e 湿蚀刻溶液 对氮化硅与二氧化硅之间的蚀刻比( s 烈t h e r m s i 0 2 ) 明显下降，此结果与s i 在氮 化硅薄膜内的含量增加有关。在基板温度方面，s i - n 口e a l 【随温度上升而增加； s i hp e a k ( 2 1 7 0c m 1 ) 随温度上升而降低。这显示氮化硅薄膜质量的提升与沉积 温度有关，因为在较高的温度下所沉积的氮化硅薄膜其s i - n 键结含量较高，氢 的含量较少。所以，b o e 对s i n t h e r m s i 0 2 蚀刻比随温度的上升而下降，且折 射率随温度上升而增加，但是当沉积温度大于1 5 0 c 则折射率随温度继续上升而 下降。在反应气体方面，随着s i h d ( s i i - h + n i - 1 3 ) 的增加，氮化硅薄膜内部的s i n 键p e a k 与s i h 键p e a k 吸收度愈高、s i - n h 键p e a k ( 1 1 8 0 c m 1 ) 吸收度下降。且随 着s i h 4 ( s i i - h + n h 3 ) 的增加，氮化硅薄膜应力由拉伸转变为压缩应力型态。 2 0 0 0 年b a e 等人1 2 2 1 使用e l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c ep l a s m a ( e c r ) 于温度5 0 下沉积氮化硅薄膜，并利用x r a y 电子能谱仪( x r a yp h o t o e l e e t r o np e c t r o s c o p y ，x p s ) 分析s i n x ：h 薄膜内s i n 键结能为1 0 0 9 7 e v ，比较由p e c v d 于温度2 5 0 下所沉积之s i n x 薄膜，其s i - n 键结能为1 0 0 8 8 e v 。在n s i 的相对原子浓度 ( r e l a t i v e a t o m i cc o n c e n t r a t i o nr a t i o ) 方面，e c r 所沉积的氮化硅薄膜n s i = i 7 7 ； p e c v d 所沉积的氮化硅薄膜n s i = i 7 5 使用f t i r 分析s i h 和n h 键结的吸 收度，发现e c r 氮化硅的n h 浓度低于p e c v d 氮化硅。而且经由文献1 4 l 得知n h 键结强度( 妻3 5 e v ) 低于s i n ( 4 9 e v ) ，所以当使用b o e 蚀刻液分别浸泡由e c r 与p e c v d 氮化硅后，e c r 所沉积的氮化硅薄膜较能抵抗b o e 蚀刻。 2 0 0 0 年y o t a 等人刚分别使用h d p c v d 与p e c v d 法沉积氮化硅，比较两者 之间的抗蚀刻特性，以增进介电层方面之应用。由f t i r 量铡结果发现h d p c v d 氮化硅薄膜内部之s i h 键p e a k 含量极低，且经由拉瑟福德回向散射分析仪( r b s ： r u t h e r f o r db a c k s c a t t e r i n gs p e c t r o s c o p y ) 、氢气正向散射分析仪( h f s ：h y d r o g e n f o r w a r d s c a t t e r i n gs p e c t r o m e t r y ) 与= 次离子质谱仪( s i m s ：s e c o n d a r y - i o nm a s s s p e c t r o s c o p y ) 分析结果发现h d p c v d 氮化硅薄膜内部氢原子含量比p e c v d 氮 化硅低。在抗蚀刻方面，h d p c v d 氮化硅亦比p e c v d 氮化硅更具抵抗干式及 湿式蚀刻之能力。而且，h d p c v d 氮化硅亦较能抵抗c m p 磨耗 1 0 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 1 3 3 退火处理应力优化研究方面 1 9 9 2 年w u 等人口】由实验发现p e c v d 氮化硅膜经退火温度4 9 0 c 处理后，氮 化硅薄膜内部的氢原子浓度明显降低，使氮化硅薄膜产生收缩效 壶( s h d n k i n d 。因此应力朝向拉伸应力变化。此外，这种氮化硅膜阻挡水气的能力也较佳。 因此，其应力并不会随沉积后的时间变化而朝向压缩应力方向变化。但p e c v d 磷硅玻璃( p s g ) 则显示，因吸收空气中的水气而使薄膜膨胀，因此应力随沉积后 的时间变化而朝向压缩应力变化。 2 0 0 0 年c a l i a n o 等人【2 5 l 使用p e c v d 沉积氮化硅薄膜，此氮化硅薄膜承受压缩 应力，经7 5 0 c 退火2 小时后，氮化硅薄膜由压缩应力转变为拉伸应力。使用f t i r 分析发现退火后的s i h 键p e a k ( 2 1 7 0 c m - 1 ) 吸收度比退火前低，显示氮化硅薄 膜经由堪火使薄膜内部的s i - h 键之键结氢得以释放因此，氮化硅薄膜产生收 缩而改变其残留应力型态 2 0 0 0 年z h 觚g 等人i 硐使用l p c v d 法沉积0 7 p m 厚氮化硅薄膜作为微桥的结 构层，并利用体型微加工