氮化硅薄膜性质学习教案

1、会计学1氮化硅薄膜性质氮化硅薄膜性质(xngzh)第一页，共15页。氮化硅薄膜 是一种(y zhn)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PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)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(xngzh)SiNxSiNx的优点：的优点：优良的表面钝化效果优良的表面钝化效果高效的光学减反射性能

2、高效的光学减反射性能(xngnng)(xngnng)（厚度和折射率匹配）（厚度和折射率匹配）低温工艺（有效降低成本）低温工艺（有效降低成本）含氢含氢SiNx:HSiNx:H可以对可以对mc-Simc-Si提供体钝化提供体钝化 第1页/共15页第二页，共15页。 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(lingho)的钝化性能。衬底温度一般在250350 ,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(lingho)的热稳定性和抗裂能力。衬底温度低于

3、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(wnd)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,腐蚀(fsh)速率下降;衬底温度的变化对氮化硅薄膜的腐蚀(fsh)速率影响显著。第2页/共15页第三页，共15页。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(zhngyo)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

4、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300500 ,每变化20 ,薄膜的沉积速率变化小于1%;温度低于300 ,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/( nmmin - 1 ) 折射率 缓冲HF刻蚀速率/ ( nmmin - 1 )25 2. 0 0. 50 410. 0100 3. 5 0. 63 400. 0200 5. 8 0. 83 320. 0

5、250 8. 7 1. 00 104. 0300 10. 8 1. 79 30. 0350 11. 0 1. 85 20. 0380 11. 2 1. 95 10. 0400 11. 2 1. 96 10. 0450 11. 5 1. 96 9. 8第3页/共15页第四页，共15页。炉管温区示意图第4页/共15页第五页，共15页。射频射频(sh pn)功率对氮化硅薄膜的影响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

6、,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(fuz)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(chnj)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第5页/共15页第六页，共15页。从键能角度看,Si - H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

7、,随着射频功率的增加,使得更多的N - H键破裂,为反应气体(qt)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(qt)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。第6页/共15页第七页，共15页。气体流量气体流量(liling)比对生长氮化硅薄膜的影响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(ciyng)较大的SiH4和气体总流量。SiH4 /NH3流量比对沉积速

8、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(bl)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(bl)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

9、愈易发生;高于1： 10时,薄膜中的氢含量就高,严重地影响了器件的可靠性。当SiH4 /NH3流量比增加时,氮化硅薄膜折射率上升, Si/N 比上升,腐蚀速率和介电强度下降;当SiH4/NH3= 1：10时,沉积的氮化硅薄膜特性最好; SiH4 /NH3流量比对沉积速率基本无影响,但在很大程度上决定了氮化硅薄膜的折射率。第7页/共15页第八页，共15页。脉冲开关时间比例选择不恰当，也只能长出一些有干涉条纹的薄膜。其原因是：脉冲为高电平时产生气体辉光放电，形成了等离子体，脉冲为低电平时辉光放电停止(tngzh)，此时为薄膜生长阶段，激活的反应物分发生反应，在衬底表面迁徙成核而生长，附产物从衬底片

10、上解吸，随主气流由真空泵抽走。在低频功率源下，等离子体中的离子被多变的电场加速，到达衬底的速率要比高频交变电场中的大，对样品表面的轰击作用也就更明显，造成压应力，出现干涉条纹。在高频功率源下，脉冲的开关时间选取不当，也会产生张应力，使样品产生干涉条纹。脉冲(michng)占空比影响当反应压强增大时,沉积速率(sl)增大,片间均匀性变差,氮化硅薄膜的折射率上升,钝化性能增强。第8页/共15页第九页，共15页。pecvd是在350-400温度下进行工艺，对石墨框要求有以下几点： 高的扭曲强度，不容易变形 低热膨胀强度，即在高温下膨胀力度比较小。 重量比较轻。 在真空(zhnkng)中抗温能力比较强

11、。 容易清理 勾点完整没有歪斜松动的钩子，并要求勾点上没有太多氮化硅。对石墨(shm)框和舟要求石磨舟要求： 电极松动，易出失败(shbi)片。 使用时间不易过长，要严格控制在使用周期内。第9页/共15页第十页，共15页。采用PECVD法制备氮化硅薄膜时,沉积条件对薄膜性质的影响如下:(1)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,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。(2)当射频功率增大时,生成的氮化硅薄膜结构致密,钝化性能提高,折射率上升,腐蚀速率下降;但射频功率不能过大,否则沉积速率过快,膜的均匀性下降,结构疏松,针孔(zhn

12、kn)密度增大,钝化性能退化。当射频频率增大时,沉积速率随之增大,生成薄膜的均匀性好,但膜的密度降低;沉积速率主要取决于射频功率。(3)当SiH4 /NH3流量比增加时,氮化硅薄膜折射率上升, Si/N 比上升,腐蚀速率和介电强度下降;当SiH4/NH3= 1：10时,沉积的氮化硅薄膜特性最好; SiH4 /NH3流量比对沉积速率基本无影响,但在很大程度上决定了氮化硅薄膜的折射率。(4)当反应压强增大时,沉积速率增大,片间均匀性变差,氮化硅薄膜的折射率上升,钝化性能增强。 (5)当Si/N比增大,氮化硅薄膜折射率上升,电阻率和动态介电常数下降,电绝缘性能变差;当薄膜中的Si/N比接近化学计量比