PECVD法沉积氮化硅薄膜性质工艺实验研究

收稿日期：2009-09-00

基金项目：国家“863”计划项目：用于可重构分插复用具有波长处理机制的平面光集成解复用接收器件的研究(2007AA03Z418); 教育部“长江学者和创

新团队发展计划”资助（IRT0609）; “高等学校学科创新引智计划”（简称“111计划”）第二批建设项目

作者简介：张檀威（1985-），男，四川南充人，硕士，主要从事光通信器件方面的研究。Email: ztw1985@gmail.com

导师简介：黄辉（1974-），男，教授，博士生导师，主要从事光通信器件及半导体材料方面的研究。Email: huihuang@bupt.edu.cn

PECVD 法沉积氮化硅薄膜性质工艺实验研究

张檀威，黄 辉，蔡世伟，黄永清，任晓敏

（北京邮电大学 信息光子学与光通信教育部重点实验室，北京 100876）

摘要：使用新型HQ-3型等离子体增强化学气相沉积（PECVD ）设备在硅片（100）上沉积了氮化硅（SiNx ）薄膜。在实验过程中系统地改变沉积的工艺参数（例如生长温度，射频功率，沉积时间以及反应气体流量比）。对实验所得氮化硅薄膜样品进行厚度和折射率的测试，根据测试结果讨论了上述工艺参数对氮化硅薄膜的性能影响（如生长速率以及折射率），最终通过对工艺参数进行优化获得了性能良好的氮化硅薄膜。

关键词：PECVD ；氮化硅；薄膜；工艺参数

中图分类号：TN305.8 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2009)增B-0150-04

Technology for silicon nitride thin film grown by PECVD

ZHANG Tan-wei, HUANG Hui, CAI Shi-wei, HUANG Yong-qing, REN Xiao-min

(Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications Ministry of Education,Beijing University of Posts and

Telecommunications, Beijing 100876, China)

Abstract: Silicon nitride thin films were experimentally grown on silicon (100) by using PECVD. Growth parameters were changed in a series of experiments (for instance, growth temperature, RF power, growth time and gas flow rate). The silicon nitride thin film samples were tested to obtain the thickness and refractive index. The effect of above parameters on the quality of the silicon nitride thin film (for instance, growth velocity and refractive index) is discussed. Silicon nitride thin film with high quality is grown by optimizing the growth parameters.

Key words: PECVD; Silicon nitride; Thin film; Growth parameters

0 引 言

氮化硅是物理、化学性能十分优良的功能材料，它具有良好的介电特性(介电常数低、损耗低)以及高绝缘性。高致密性的氮化硅对杂质离子，即使是体积很小的钠离子(Na +)都有很好的阻挡能力[1]。因此，氮化硅作为一种高效的器件表面钝化层被广泛应用于半导体器件工艺中[2]，如用于MOSFET 、HBT 、

HEMT [3]。并且，氮化硅还广泛用于集成电路的层间绝缘、介质电容、耐磨抗蚀涂层等[4]。此外，氮化硅薄膜具有优良的机械性能和良好的稳定性，在新兴微机械加工工艺中的应用也越来越广泛。人们还发现，在多晶硅太阳电池表面生长高质量的氮化硅薄膜不仅可以十分显著地提高多晶硅太阳电池的转换效率，还可以降低成本[3,5]。

氮化硅薄膜通常利用等离子增强化学气象沉积

法（PECVD）来制备，因为PECVD法具有生长温度低，沉积速率快，薄膜致密，工艺重复性好等优点[6]。PECVD法是目前唯一能在合金化(形成MIS结构薄膜)之后的低温条件下生长氮化硅薄膜的CVD技术[7]。但是薄膜的性能取决于PECVD系统的性能。针对中科院微电子所开发的新型PECVD设备进行了系统的沉积实验研究，主要考查了生长温度，射频功率，沉积时间，反应气体流量比对薄膜性能的影响。

1 实验方法

薄膜沉积过程十分复杂，这种出发点对于薄膜沉积机理的深刻认识尤为重要。迄今为止，许多重要的反应体系都是通过实验使工艺参数最优化，从而获得具有理想特性的薄膜。

1.1 衬底硅片的清洗

将抛光P型硅片（100）经丙酮和乙醇加热清洗油污之后，用浓度约为5％的氢氟酸浸泡5分钟以去除表面的氧化物以及生成保护表面的氢键，此氢键在沉积时加热即断裂，对实验结果没有影响。使用去离子水冲洗硅片20遍以上。

1.2 氮化硅薄膜生长

PECVD 法生长氮化硅薄膜的工艺参数较多，参数变化复杂，参数优化工作比较困难。特别是对不同的实验设备，实验条件，实验要求需要不同的工艺参数。在1976年，最早将大型等离子CVD 氮化硅薄膜沉积装置商业化的是应用材料公司的Richard S Rosler，其得出的如下结论现在仍然适用：(1)腐蚀速率对温度最敏感；(2)射频功率对沉积速率影响最大；

(3)SiH4与NH3流量比对折射率影响最大[1]。

实验采用中科院微电子所研制的新型HQ-3型PECVD设备。该设备是一种用于在衬底上沉积高质量氮化硅和二氧化硅薄膜的专用设备。沉积温度较低，特别适用于半导体器件和集成电路的钝化，用以提高器件和集成电路的可靠性。

具体的实验步骤为：

（1）将清洗完成的硅片放入PECVD设备的反应腔室中，将反应腔室加热到需要的反应温度并保持30 min。

（2）调节反应需要的时间，温度。衬底温度低于200 ℃时，氮化硅薄膜的本征应力较大，表现为张应力，不容易沉积薄膜；当衬底温度高于400 ℃时，氮化硅薄膜生长不均匀，容易龟裂。因此，需要选择合适的沉积温度以获得结构稳定的氮化硅薄膜。

（3）通入反应气体NH3，调节流量计至适当参数。

（4）开通500W射频功率源，将射频功率调节至实验需要的功率，实验中会产生一定的反射功率，调节匹配器将反射功率调至最低。

（5）通入反应气体SiH4，调节流量计至适当参数。反应腔室内的气体压强对薄膜的沉积有显著影响[8]。提高反应室压强时，沉积速率会增大。

（6）开始计时至反应结束。

1.3 氮化硅薄膜性能测试

将沉积的氮化硅薄膜送至中科院半导体所使用椭偏仪对薄膜的厚度和折射率进行测试。

2 结果与讨论

选取部分实验样品数据如表1和表2所示，表1为实验工艺参数，表2为对应的实验测试结果：

表1 部分实验工艺参数

Tab.1 Growth parameters of certain experiments 编号功率/W温度/ o C压强/Pa NH3:SiH4/sccm时间/min

119030031.560:3025

215030036.960:3030

317030027.160:4030

416030023.760:4560

517030028.960:6045

表2 部分实验测试结果

Tab.2 Experimental results of certain experiments 编号折射率厚度/nm

1 1.802160.8

2 1.8110.8

3 1.80

4 130.4

4 2.0360.1

5 1.840141.9

通过对实验测试数据的分析总结可得到如下结论：2.1 射频功率的选择

射频功率对氮化硅薄膜沉积速率的影响是主要因素，对薄膜质量的影响尤为重要[8]。射频功率与氮化硅薄膜内应力呈单调关系，功率越大，等离子体中152 红外与激光工程：工程光学与制造

第38卷

离子携带能量越高，越易造成离子轰击效应，理论上沉积的薄膜厚度越厚，但过度的离子轰击将破坏薄膜，所以射频功率在最大和最小之间存在着一个优选值。在实验过程中，首先在其他工艺参数不变的情况下考虑了功率变化对实验结果的影响。实验所得的沉积功率对厚度和折射率的关系如图1和图2所示：

图1 薄膜厚度与射频功率的变化关系

Fig.1 Thickness of thin film vs. RF power

图2 薄膜折射率与射频功率的变化关系

Fig.2 Refractive index of thin film vs. RF power

实验中满足生长的最低功率为150 W，而后增大功率进行生长。功率到达一定值后继续增加时，薄膜的沉积速率并没有线性增加，其原因可能在于沉积系统的极板面积较大，而相对于极板面积，气体总流量偏小。所以当功率为160 W时，硅烷已经基本耗尽，功率的继续增加未能提高基团的产生率，因此薄膜的厚度随功率的增加变化不大，当沉积功率增大到300 W 时，

薄膜厚度急剧下降，分析是射频功率超过了离子轰击效应的极限值导致破坏了薄膜的沉积。从以上图中得知，优选的功率为160~190 W之间。综合厚度和折射率两方面考虑，厚度可以通过增大沉积时间得到近似线性的增长，所以选取的优选功率为160 W和170 W。后续实验中工艺参数的改变中功率都维持在160~170 W内。

根据以上分析，为探求硅烷浓度相对于沉积速率是否偏低，在后续实验中通过提高硅烷的浓度来进一步测试薄膜的沉积速率。

2.2 气体流量比的选择

研究发现，影响薄膜折射率的因素主要是硅烷和氨气的流量比，薄膜的折射率是薄膜的成分及致密程度的综合反映，是检验成膜质量的一个重要指标[1]。图3示出了薄膜折射率与气体流量比的变化关系。

图3 薄膜折射率与气体流量比的变化关系

Fig.3 Refractive index of thin film vs. gas flow rate

测试结果表明，在氨气流量稳定的情况下，硅烷流量从30上升到60的过程中出现了一个较佳值，即在流量为45的情况下，有较好的折射率和厚度性质。这说明，在稳定的功率条件下，硅烷的流量在30时表现为不饱和状态，增加到45附近时十分趋近于饱和，从而带来了较好的薄膜性质；继续增加到60后过于饱和，此时由于压强和电子温度的共同作用，薄膜的厚度和折射率等性质又有所下降。

2.3 反应温度的选择

实验中的反应温度对薄膜厚度的影响如图4所示。

图4 薄膜厚度与生长温度的变化关系

Fig.4 Thickness of thin film vs. growth temperature

实验结果表明，薄膜厚度随着沉积温度的增加而增增刊张檀威等：PECVD法沉积氮化硅薄膜性质工艺实验研究 153

加，但是在300 o C以后，增长速率变慢了很多。综合折射率的因素，给出沉积时的优选温度为300 o C。

在所有的氮化硅沉积工艺条件下，反应压强维持在20~40 Pa时，沉积的薄膜质量较好，未出现龟裂和剥落的情况。

3 结论

文中系统研究了生长温度，射频功率，沉积时间以及反应气体流量比等工艺参数对HQ-3型PECVD 设备沉积氮化硅薄膜性能的影响，通过一系列实验给出优选工艺参数：生长温度：300 o C；射频功率：160~170 W；反应气体流量比：NH3:SiH4=60:45 sccm；压强限度：30 Pa；时间：参考30 min生长厚度约为160~180 nm进行近似线性递归设定。

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