韓小林，黎威志，袁 凱，蔣亞東

(電子科技大學光電信息學院電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054)

氮化硅薄膜以其良好的物理、化學穩(wěn)定性以及介電性能廣泛用于半導體行業(yè)；此外，在微機電系統(tǒng)(MEMS)中，氮化硅薄膜更是廣泛作為器件的支撐結構最常用的材料[1-4]。充當結構部件時，氮化硅薄膜的應力情況會對結構的穩(wěn)定性，器件的性能產生重要影響，太大的應力會使得的微結構變形或者失效，大大降低器件成品率[5-6]。由于工藝條件與微電子工藝兼容，等離子化學氣相沉積(PECVD)被越來越廣泛地用來制備氮化硅薄膜[7]，它具有沉積速度快，溫度低，臺階覆蓋性好等優(yōu)點，不過，PECVD工藝沉積薄膜的針孔問題比高溫化學氣相沉積(CVD)工藝更為嚴重。此外， PECVD氮化硅薄膜一般偏離化學計量比，且含有相當數量的氫原子，所以一般將其沉積的氮化硅薄膜描述為SixNy：H。氫原子雖然會使薄膜電學性能降低，不過在一定程度上可以降低薄膜應力[8]。

在PECVD工藝過程中，射頻功率為反應氣體提供能量，通過輝光放電激活反應氣體生成薄膜前驅物(硅烷和氨氣反應的前驅物主要是Si(NH2)4)，前驅物被氣相輸運到硅片表面，通過表面反應沉積成膜。在低頻(＜1 MHz)功率下，質荷比較電子大的離子將被加速轟擊到薄膜表面，使得薄膜的致密度大大提高，同時離子轟擊還會使薄膜從張應力向壓應力轉變。很明顯，功率在離子轟擊效應中起到重要作用。我們將首先改變低頻功率沉積不同氮化硅薄膜；此外，反應氣壓也是PECVD工藝的一個重要參數，它影響到所沉積薄膜的諸多性能，包括薄膜應力、沉積速率及沉積均勻性。本文將對不同功率和氣壓條件下低頻PECVD(LF PECVD)氮化硅薄膜的沉積速率、應力以及厚度均勻性的變化規(guī)律做較為深入的探討。

1 實驗

氮化硅薄膜沉積采用STS公司MESCMultip lex PECVD薄膜沉積系統(tǒng)。實驗所用為 P型硅片，＜100 ＞晶向。經過濃硫酸15 min浸泡， HF緩沖液5 min浸泡以及10分子無水乙醇超聲浸泡，分別去除表面重金屬雜質、氧化層和有機雜質后，用DI水清洗，在N2下甩干，放入烘箱中20 min烘干待用。分別改變沉積功率、工作氣壓(其他參數不變)沉積了不同氮化硅薄膜。具體條件如表1所列。

表1 氮化硅工藝條件

利用SENTECH公司SE850橢偏儀測量了薄膜厚度；沉積厚度非均勻性采取以下方法得到：在6 inch硅片上選取均勻分布的9點，分別測試各點的厚度值，利用廣泛采用的非均勻性公式((最大值-最小值)/2 倍平均值)得到；應力采用 AMBIOS TECHNOLOGY公司XP-2 臺階儀測量，基于Stony公式計算得到[9-10]。

2 結果和討論

2.1 低頻功率的影響

功率是PECVD工藝中最重要的參數之一。它對薄膜性能有著決定性的影響[7-8]。圖1給出了沉積速率及薄膜應力與功率的變化關系。從圖1中可以看出，薄膜沉積速率隨功率增加迅速增大，這是由于功率增加使得單位時間內將生成更多的薄膜先驅物，從而提高了薄膜生長速率。而從薄膜應力-功率關系可以看出，在功率變化范圍內，薄膜始終呈現壓應力狀態(tài)，這與文獻結果報道一致[12]，隨著功率的增加，薄膜應力逐漸增大，我們認為這個結果與薄膜生長過程密切相關。在PECVD薄膜沉積過程中，首先是薄膜先驅物被輸運到襯底，接著在加熱的襯底表面利用熱能遷移到自由能最低的位置，然后通過化學吸附生成薄膜。如果薄膜生長速率過快，前驅物在遷移到最低自由能位置之前就將相互結合并發(fā)生反應而生成薄膜，并被快速到來的后續(xù)前驅物所覆蓋，這將導致薄膜內部出現大量的空洞、間隙原子(團)、位錯等各種缺陷。這些缺陷將給薄膜內部帶來多余的能量，宏觀上即表現為薄膜應力。很明顯，沉積速率越快，薄膜缺陷將越多，薄膜應力也因此越大。影響低頻氮化硅薄膜的另一個重要因素就是離子轟擊效應[12-13]。由于交變電場頻率較低，相對電子質量較大的離子將跟得上電場變化從而被電場加速并轟擊襯底表面。由于離子的轟擊，沉積的薄膜結構更加致密，原子排列更緊密，從而使得薄膜呈現壓應力狀態(tài)；同時高速的離子轟擊還帶來了大量的薄膜內部缺陷，也造成了大的內應力，隨著功率的增加，這種轟擊作用越明顯，薄膜的應力也越大。

圖1 沉積速率及薄膜應力與功率的關系

圖2給出了氮化硅薄膜厚度非均勻性與功率的變化關系。從圖2中可以看到，薄膜厚度非均勻性總體上隨著功率的增加而略有增大，即均勻性略微變差，這很可能是由于在高速沉積條件下，薄膜前驅物沒有足夠時間遷移到其最適當的位置就被后續(xù)到達的前驅物所覆蓋，其參與成膜的位置的隨機性將變大，從而造成均勻性變差。

圖2 厚度均勻性與功率的關系

2.2 反應氣壓的影響

氣壓是PECVD工藝中另一個重要參數，因為它決定了反應腔體內反應氣體的分布和流速，從而直接影響薄膜的沉積過程。圖3給出了薄膜應力與反應氣壓的變化關系。圖中表明，隨著反應氣壓從200 mTorr增加到800 mTorr，薄膜壓應力逐漸減小。我們認為這是由于氣壓逐漸增大時，離子與其他分子的碰撞幾率增大，平均自由程縮小，離子的加速受到制約，因此對襯底的轟擊效應減弱，薄膜致密度變低，同時薄膜內部由于轟擊作用而帶來的缺陷也變少，從而薄膜壓應力變小。從圖3中的薄膜沉積速率與反應氣壓的變化中可以看到，隨氣壓增加，薄膜的沉積速率增幅逐漸放緩。當氣壓增加到800 mTorr時，沉積速率已經開始下降。我們認為，反應氣壓的增加對薄膜沉積速率的影響有正反兩個方面：首先，氣壓增加會導致腔內的反應物增多，薄膜前驅物因此增多，從而薄膜沉積速率增加；但另一方面，氣壓的增加也導致反應物和薄膜前驅物分子的平均自由程下降(λ∝1/p)，從而導致薄膜沉積速率下降。因此薄膜沉積速率是以上兩方面因素作用總的結果。氣壓較低時，隨氣壓增加，氣體分子自由程的降低不明顯，而反應氣體分子數量卻明顯增加，從而增大了薄膜沉積速率；當氣壓增大到一定值時，氣體分子自由程對沉積速率的影響將超過反應氣體分子數量的影響，這時薄膜沉積速率就開始隨氣壓增加而降低，如圖3中所示。

圖3 沉積速率及薄膜應力與反應氣壓的關系

圖4 給出了薄膜厚度非均勻性與反應氣壓之間的關系。可以看出，隨反應氣壓的增加，厚度非均勻性明顯改善。如200 mTorr時厚度非均勻性接近4 %，而600 mTorr時降低到僅為0.13 %。這個現象可用流體力學的知識得到解釋：氣壓較低時，在同樣的進氣速率下，氣體分子在腔體內的駐留時間短，從而流速較快，在腔體內呈現紊流狀態(tài)，從而導致其分布較氣壓高時不均勻，薄膜的非均勻性也因此相對較差。不過當反應氣壓增加到800 mTorr時可以看到薄膜非均勻性又有所增加，這可能是由于沉積速率加快以及分子自由程的進一步減小引起，因為兩者都將導致前驅物分子的成膜位置隨機性加大。

圖4 厚度非均勻性與反應氣壓的關系

3 結論

在分子平均自由程變化和離子轟擊效應的雙重作用下，低頻PECVD氮化硅薄膜的應力隨功率增加而增大，而隨著氣壓增加而減小。隨氣壓增加，薄膜沉積速率的增幅逐漸下降甚至出現負增長，是因為氣壓較高時反應氣體分子的平均自由程較低所導致。此外，薄膜的厚度均勻性在一定程度上受到功率和工作氣壓的影響，這也與PECVD工藝中薄膜生長機制相關——功率和工作氣壓的增加都將導致前驅物分子的成膜位置隨機性加大。

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