单晶硅片上二氧化硅薄膜的制备与性能研究

单晶硅片上二氧化硅薄膜的制备与性能研究

氧化锌膜具有良好的绝缘性和耐热性，广泛应用于微器官和光学器官中。在微电子器件中,二氧化硅可以用做防扩散膜、钝化膜、保护膜和绝缘膜。通常的制备方法是热氧化法(T>900℃),制备的薄膜性能优越。但是,热氧化法只适合于在硅基底上制备二氧化硅薄膜,作为微电子器件的钝化保护层、多层布线中的介质层以及弹性衬底与敏感元件之间的绝缘层,显然不能采用高温氧化的方法制备二氧化硅薄膜,一般采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)来制备。目前,有许多低温制备SiO2的方法,如等离子体化学气相沉积(PECVD)、磁控射频反应溅射法等。PECVD法具有沉积速率高的特点。但是,由于原料气体,如硅烷(SiH4),氧气(O2)等是易燃、易爆气体,基于安全考虑,进气和排气系统以及废气处理装置比较复杂,造价较高且不适合大面积沉积。而磁控溅射法具有沉积温度低、沉积速率高和膜层与衬底附着力强等优点,并且由于其溅射阴极尺寸可按比例扩大,因此适合于大面积沉积。Wen-FaWu研究了磁控射频溅射法制备的二氧化硅薄膜的光学性能和组分比,通过刮擦实验研究表明薄膜与玻璃衬底之间有很强的附着力。SatoruIwamori研究了反应溅射法生成的SiOx薄膜防扩散性能,研究表明合适的工艺条件下可以制备致密的、气体透过率小的SiOx薄膜,并且适度的退火可以提高薄膜的阻挡性能。而对于采用单晶硅靶反应溅射沉积二氧化硅薄膜的反应机理、电学性能和表面微结构以及快速热处理对薄膜电学性能的研究,目前国内外还没有关于这方面的报道。采用磁控射频反应溅射法制备了二氧化硅薄膜。通过改变射频功率在单面抛光的单晶硅衬底上沉积了二氧化硅薄膜,对薄膜的折射率、沉积速率、电击穿场强和表面形貌进行了研究。1薄膜的制备实验样品采用TXZ500-2型射频磁控溅射镀膜机制备。靶材为(111)晶向的单晶硅,电阻率大于1000Ω·cm。溅射气体是纯度为99.9%的氩气,反应活性气体为99.9%的氧气,衬底为(111)晶向单面抛光的单晶硅。为了对比研究沉积速率随射频功率的变化,同时使用99.99%的二氧化硅介质靶制备了二氧化硅薄膜作为参照。靶与基片的距离为60mm。衬底先用17M的去离子水、丙酮和酒精在超声波清洗机中各清洗20min,烘干之后立即放入镀膜机内。在溅射之前烘烤基片以除去其表面的水分,烘烤温度为200℃。本底真空为1.0×10-3Pa,溅射气压为1.2Pa。实验前用氩气预溅射靶材表面20min以上,以去除表面的氧化物和其它杂质,然后通入氧气,待辉光稳定后,打开挡板,转动基片转盘,置基片于辉光中溅射成膜。沉积时,利用掩膜在基片上做出膜-基片台阶,以便用台阶仪测量厚度。溅射过程中氧气和氩气的比例用质量流量计控制,流量之比即为溅射过程中两气体分压之比。保持总的溅射气压为一定值,若氧气和氩气流量分别为88sccm和132sccm,则二者分压之比为2∶5,氧气含量为40%,其他比例与此类似得出。薄膜的厚度使用Alpha-StepIQ台阶仪测量,将厚度除以沉积的时间即为沉积速率。薄膜的折射率使用ELLI-B型椭圆偏振光测试仪测试。薄膜的表面形貌用型号为NT-MDT原子力显微镜检测。样品的电击穿场强使用105C型耐压测试仪测量,测试方法为升压法。测试时电压的增加为5V/30s,当漏电流超过0.5mA时薄膜视为被击穿。所测试样品的结构采用MIM三明治结构,在薄膜之上再沉积铝电极,正方形电极的面积为1~2mm2。试样采用RTP-500快速热处理炉进行快速热处理,保护气氛为N2,时间为100s。2结果与讨论2.1薄膜制造技术研究1氧含量对薄膜导电性能的影响使用单晶硅靶反应溅射沉积二氧化硅薄膜时要充入一定量的氧气作为反应气体,通过对同一功率不同氧分压下二氧化硅薄膜厚度的测试,发现沉积速率随氧分压的增加出现一个突降,具体的数据如表1所示。这是因为氧含量很少时,靶面的氧化速率小于溅射速率,靶面处于单晶态,此时应为硅的沉积速率,因此沉积速率比较高,通过对所沉积薄膜的电性能进行分析,发现薄膜的电击穿场强很低,可以说明薄膜具有一定的导电性,主要成分不是二氧化硅。当氧气含量进一步增加时,溅射气氛中的活性离子氧离子增加使靶材表面被氧化而生成一层氧化层,此时的沉积速率为氧化层的沉积速率,故沉积速率比较低。从表1还可以看出,折射率随着氧分压的增加而增加,然后基本保持不变,稳定在1.46。二氧化硅的折射率为1.46,说明氧分压增加到一定程度时即可生成二氧化硅薄膜。2种单晶硅靶扫射图1表明,薄膜的沉积速率随射频功率的增加几乎都呈线性增加。在反应溅射沉积金属氧化物薄膜时,随着氧流量的增加,沉积速率会出现一个迟滞回线,沉积速率低和沉积速率高分别代表靶面处于金属态和氧化态2种不同的状态。对于单晶硅靶而言,沉积速率也与靶面所处的状态密切相关,由于单质的溅射产额要比化合物的溅射产额大得多,因此靶面处于单质状态时沉积速率比较大,而覆盖了一层氧化层之后沉积速率将显著降低,所反映的沉积速率为相应氧化物的沉积速率。从图1中可以看出,采用单晶硅靶溅射反应沉积二氧化硅薄膜(氧分压为40%),其沉积速率与采用二氧化硅介质靶溅射沉积几乎一致,只在高功率处略有差别。当氧分压达到40%之后,等离子体中的活性粒子氧离子与单晶硅靶的表面硅反应生成了一层二氧化硅,因此沉积速率与二氧化硅介质靶的沉积速率相同。通过分析溅射过程中2种靶材的板压,发现在低功率下(100~400W)二者板压基本相同,而在高功率下(500~600W)板压出现差别:单晶硅靶从1600V上升到1700V,而二氧化硅介质靶从1420V上升到1510V。由于溅射率与入射离子能量的平方成正比,因此在高功率下单晶硅靶的沉积速率会略高于二氧化硅介质靶。2.2射频功率对薄膜表面粗糙度的影响图2所示为不同溅射功率下所制备的二氧化硅薄膜的AFM三维形貌图。从图中可以看出,在低溅射功率下(100W)所沉积的薄膜均匀性较好,平均粗糙度为1.740nm。颗粒大小较小,岛与岛之间比较连续,没有比较大的起伏。薄膜表面峰与谷之间最高相差3.015nm。在较高溅射功率下(300W)所沉积的薄膜平均表面粗糙度为2.914nm,颗粒较前者大,岛与岛之间虽然连续但是起伏相比较大,峰与谷之间的高度差比低功率下沉积的薄膜大,为5.046nm。从图2可以看出,当射频功率增加时,薄膜表面粗糙度会增加。原因之一是靶材原子被溅射下来之后在基底表面沉积、形核,由于实验中没有对基底额外稳定加热,故基底温度的升高主要来自高速原子碰撞自然升温。低温不利于原子在基底表面移动、扩散,在基底表面合适的位置形核,而沉积速率的增加会使这种现象更加明显;导致薄膜表面粗糙度增大的另一个原因是薄膜沉积过程中的屏蔽效应,随着功率的增大,等离子体的密度增加(通过观察窗可以明显的看到辉光更明亮),沉积速率也增加。虽然溅射下来的原子由于本身的动能具有在基底表面迁徙的能力,但是溅射速率的增加会使得其中某些来不及迁移而很快被后续的原子掩埋,因此随着功率的增加薄膜表面的粗糙度也增加。2.3射频功率对薄膜电击穿场的影响图3为通过高斯拟合的电击穿场强随射频功率变化的曲线。薄膜的电击穿场强是介质薄膜的一个重要参数,电击穿场强大则说明薄膜致密、绝缘性能好。从击穿机理方面来说,介质薄膜的击穿是由于在电场作用下,薄膜的微观结构网络逐渐受损而衰化,最后触发击穿。从图中可以看出,薄膜的电击穿场强随射频功率的增加有先缓慢增加然后缓慢降低的趋势。这是因为当射频功率升高时,溅射电压也会逐渐升高,射频功率从100W增加到400W,溅射电压也相应从590V增加到1500V。溅射电压的升高使沉积的原子或原子团具有更高的动量,原子或原子团的“锤击”使所沉积的薄膜更加致密,因而电击穿场强有所增加。当射频功率继续增加时,薄膜的电击穿场强反而有所下降,因为随着射频功率的增加,薄膜的沉积速率也相应增加,由于衬底温度比较低,沉积速率的增加使得沉积原子在衬底上的扩散能力相对减弱,“屏蔽效应”增强,在下一层原子尚未生长结束时,沉积原子又在岛上形核产生新的岛,导致薄膜表面粗糙度增加,薄膜中的缺陷增多,因而电击穿场强有所下降。从图3的结果也可以看出薄膜表面粗糙度有随射频功率增加而增大的趋势。表2所示为退火前后薄膜的电击穿场强,从表中可以看出,经过快速热处理,不同功率沉积薄膜的电击穿场强均有显著增加。通常制备出的二氧化硅膜为非晶态,处于一种热力学非平衡的亚稳态,经热处理后将可能会变化停留到另一种稳定度稍高的亚稳态上,薄膜中的缺陷也会由于快速热处理而减少。考虑到二氧化硅的重结晶温度在1000℃以上,800℃的快速热处理不会使二氧化硅薄膜出现重结晶现象。可见800℃的快速热处理可以使薄膜的电击穿场强升高,绝缘性能增强。3薄膜的沉积速率a.薄膜的沉积速率随氧分压的增加先急剧减小,稍有增加后再缓慢减小。沉积速率随溅射