SiH2Cl2-NH3-N2体系LPCVD氮化硅薄膜生长工艺

SiH2Cl2-NH3-N2体系LPCVD氮化硅薄膜生长工艺 SiH2Cl2-NH3-N2体系LPCVD氮化硅薄膜 生长工艺 造堡鱼堇:鎏国丑 Sill2Cl2一NH3一N2体系LPCVD氮化 硅薄膜生长工艺 李学文,彭志坚 (1.国防科学技术大学湖南长沙,410000; 2.中国电子科技集团公司第四十八研究所湖南长沙410111) 摘要:以自行研制的LPCVD设备所进行的工艺试验为基础,简要介绍了Si3N4 薄膜的制备方法 和LPCVD法制备的Si3N4薄膜的特性以及低压化学气相淀积(LPCVD)氮化硅 的工艺.通过调节 淀积温度,工艺气体流量,工艺压力及片距等工艺参数,最终使批量生产的氮化硅 薄膜在均匀性, 应力,耐腐蚀等方面均达到了使用要求. 关键词:氮化硅薄膜;LPCVD;工艺温度;工艺压力;气体流量;均匀性 中图分类号:TN305.5文献码:A文章编号:1004.4507(2008)12.0030—04 TheSill2CI2一NH3一N2SystemLPCVDCraftofSiN4Film XUEWenli,ZHIJianpeng2 (1,The48thresearchinstituteofCETC[1,2]410111,China;2,NUDT[1];changsha,China) Abstract:Si3N4filmhasmanygoodcharacteristics;andiSwideyusedInchesemi—condu ctog micro—electronics,theMEMSrealm,ThistextwithdevelopbyoneselfofLPCVDthecraftthatthe equipmentscarryonexperimentforfoundation,thesynopsisintroducedthemakingmethodandthe LPCVDlegalsystemoftheSi3N4thinfilmstohaveofthecharacteristicoftheSi3N4thinfilms, introducedlow—pressurechemistryspiritindetailmutuallytoaccumulate(LPCVD)thecraftofSi3N4 film.Passtoregulatetoaccumulatethetemperature,craftairdischarge,thecraftpressureandsliceto beapanfrometc.thecraftparameter,endmakesthenitrogenthatthebatchquantityproduceturnthe Sj3N4thinfilmintheeven,shoulddint,bearcorrosion,etc.allcomestoatheusagerequest. Keywords:Si3N4film;LPCVD;Crafttemperature;Craftpressure;Airdischarge;Uniformity 收稿日期:2008—11.25 作者简介:李学文(1974.),男,高级工程师,主要从事电子专用设备,太阳能电池工 艺设备的研制与开发及相关设备的工艺研究 工作. ?(总第167期)囫?圆 -电子工业毫用设备 ? IC制造设备与工艺? Si薄膜具有对可动离子a+)阻挡能力强,结 构致密,针孔密度小,呈蔬水性,化学稳定性好,介电 常数大等优良特性[1].是一种在半导体,微电子学和 MEMS领域广泛应用的薄膜材料,大量应用于钝化, 隔离,电容介质,结构材料等,特别是随着电子器件 尺寸缩小,Si薄膜将发挥更大的作用.因此,对于 Si薄膜的制备工艺及其组成,结构和性质的研究 越来越受到重视.而LPCVD技术可以提高淀积薄膜 的质量,使膜层具有均匀性好,缺陷密度低,台阶覆 盖性好等优点,成为制备Si3N4薄膜的主要方法. 本文旨在介绍SiH2CI2一NH,一N体系制备Si3N 薄膜的LPCVD工艺和如何通过调整工艺参数来获 得良好的片内均匀性和片间均匀性,以及工艺试验 过程中所得的一些心得. 1LPCVD设备与Si3N4薄膜生长工艺 1.1制备Si3r,『4薄膜的LPCVD设备简介 Si薄膜的生长工艺是在自行研制的LPCVD 设备上完成,设备原理与结构如图1所示,主要由 三温区电阻加热炉,石英反应管,悬臂推拉舟,气体 输送与控制系统,真空与压力控制系统,计算机自 动控制系统6个功能单元组成.主要技术指标: 基片尺寸150mm(6英寸); 最高温度:900?; 恒温区长度:?800mm; 控温精度:??1~C/24h(800?); 系统极限真空:1.33Pa; 工作压力:20,133Pa可调; 系统漏气率:停泵关阀后压升率<1.2Pa/min; 推舟方式:自动悬臂杆 片与载片舟II石英反应管lI三温区电阻加热炉 气体输送与 压力控制系统 炉门 空与压力控制系l温度控制系统ll悬臂杆推拉 计算机控制系统 图1LPCVD设备结构与原理示意图 该LPCVD设备生长Si薄膜采用的是 SillC1:一NH.一N:工艺气体体系,气路配置与原理如 图2所示. 图2Sill2C12一NH3一N2体系气路配置与原理 1.2硅片的标准清洗 在制备Si3N4薄膜前必须对硅片进行清洗,以 去除硅片表面油渍,灰尘等,以保证Si3N4薄膜的淀 积质量.硅片的标准清洗流程如图3所示『3]. 』l 在70%的丙酮和30%用I号洗液(V(NH4OH):V 的乙醇混合液中浸泡(H2O2):V(DI)=I:2:5)水浴 7h以上加热至75?煮10,15min, J热去离子水冲净 同混合液中一起用超 l 声波清洗5min用II号洗液(V(HC1):V(HO:) l:(DI)=1:2:5)水浴加热至75?煮1O,15min,热去离 子水冲挣 置于丙酮中用超声波』清洗5min 用干净的高压N吹去水膜后,』100?左右烘30min以去除 表面残留的水分 置于乙醇中用超声』波清洗5min 置于培养器皿中存放与干燥 l塔内备用 置于浓硫酸与去离 子水的混合液中煮//, 沸5minf清洗完毕1 f\\/ 图3硅片的标准清洗流程 ? IC制造设备与工艺?电子工业毫用设备- 在进行超声波清洗时,温度控制在50?以下, 以防止丙酮挥发.超声功率不宜过高,以防止硅片 被震碎,一般来说用于硅片清洗的超声波清洗机超 声频率为40kHz,在进行硅片清洗时,电源功率不 超过60w.其中DI为去离子水,所有试剂均采用 分析纯,并严格按照体积比混合. 1.3反应体系与原理 氮化硅薄膜的LPCVD工艺气体体系主要有 Sill4一NH3体系,SiHC13一NH3体系,SiC14.NH3体系, SillC1:.NH,体系4种.Sill.NH体系反应速度快, 但均匀性极差而且很难控制;SiHC1一NH,体系和 SiC1NH体系生长均匀性好,但副产物多,且Sill— Cl和SiC1在常温下为液态,源流量不易控制; SillC1一NH,体系相对前3种反应体系而言氮化硅 薄膜生长均匀性好,副产物少,且SillC1常温下为 气态,流量易控,因此SillC1:一NH,体系是目前 LPCVD工艺生长氮化硅薄膜的首选工艺气体体 系,国外普遍采用该体系来进行氮化硅薄膜的 LPCVD工艺生长工艺. Sill2C1:一NH3.N:体系生长氮化硅薄膜的LPCVD 工艺原理:以N:作为背景气体,二氯甲硅烷 (NH3)为反应气体,在750~900?温 (Sill:CI2)~IJ氨气 度,和低压条件下反应生成固态氮化硅沉积于硅片 表面.其化学反应式为: 3Sill2C12+10NH!Si4+6NH4ClT+6H2T 1.4LPCVD制备氮化硅薄膜工艺流程 LPCVD工艺制备氮化硅薄膜的工艺流程根据不同 设备,不同工艺要求不尽相同,一般工艺流程如图4所示. 图4LPCVD工艺生长氮化硅薄膜工艺流程 1.5工艺试验与结果 温度范围, 在工艺试验过程中,在700~850? 30,133Pa压力范围内,流量~L(SiHC12:NH,)在1 ?(总第167期)圜?匝圆 1:10之间,片间距分别在4.76mm(标准6 :l, 英寸石英舟的开槽间距),9.52mm,14.28mm进行 了大量的工艺试验.最终将工艺参数确定,见表1. 表1工艺参数 温度/~C流量/mL?min片问时间膜厚 压力/Pa距目标 /mln炉口炉中炉尾SiH2Cl2NH3/mm值/nm 77778079042802609.5220100 最终以此工艺参数生长了9批氮化硅薄膜.生 长稳定性,均匀性以及薄膜质量均非常好: 用椭偏仪对每批样片进行膜厚测试结果进行数 据处理后,片内不均匀性??1.98%,片间不均匀 性??1.87%,批间不均匀性为1.81%.薄膜平均折 射率为2.05,接近氮化硅(Si3N4)薄膜折射率的理论 值(1.98). 在显微镜下观察其微观行貌良好,针孔密度非 常小,完全满足氮化硅薄膜的一般使用要求. 在煮沸浓硫酸(90%)溶液种腐蚀速度约为 12nm/min(用做电容器介质膜的Si3N薄膜一般要 求腐蚀速率在8,18nm/min). 此外,我们在工艺试验过程中还对此工艺条件 下究竟能长多厚氮化硅薄膜不龟裂进行了实验,最 后结果是当氮化硅薄膜生长到800nm时薄膜开始 龟裂,800am以下薄膜基本完好不龟裂. 2分析与讨论 在工艺实验过程中通过对工艺参数的调整与 薄膜质量,均匀性的检验.各种工艺参数对薄膜质 量,均匀性均有不同程度的影响. 对薄膜生长速度和膜厚均匀性影响最大的是 工艺温度,工艺试验过程中,我们发现,SillC1:.NH, 已经开始 体系生长氮化硅(Si,N4)基本上在700? 发生Si3N4薄膜的淀积反应,但770?以下反应速 度很缓慢,不能满足批量生产需求.随着反应温度 的升高.薄膜淀积的反应速率逐渐增加;在840? 附近反应速率达到最高;随着反应温度的进一步升 高,Si3N薄膜的淀积速率急剧降低.这是因为,在 I电子工业董用设备 ? IC制造设备与工艺? NH与SiH2Cl:化学气相淀积Si,N4薄膜的反应 中主要发生两类化学反应:一类是NH,与Sill:C1: 反应生成Si薄膜的主反应.还有一类就是反 应物分子NH,与Sill:C1的热分解副反应.在较 低的反应温度下,前者占主导地位,后者尚未发 生.随着反应温度的升高,一方面SillC1与NH, 发生化学反应生成Si薄膜的反应速率增大, 另一方面,NH与Sill:C1的自身热分解反应也 慢慢开始,并逐渐增大反应速度;当反应温度超 过某一临界值后,反应物分子的热分解反应转化 为主导反应,因而Si3N4薄膜淀积速率由逐步增 大转化为迅速减小.因此,SiHC1一NH,体系 LPCVD工艺生长氮化硅(Si3N4)的生长温度在 770,840?之间为宜. 反应管内温度均匀性直接影响薄膜生长均匀性, 当恒温时间不够,也就是说反应管内温度没有足够均 匀时,严重影响片内均匀性,一般来说是上面厚下面 薄,中间厚边缘薄,因此要保证片内均匀性,恒温时间 要足够长.为保证片间均匀性,生长区内必须有温度梯 度,梯度方向(即从炉口至炉尾的温度降低还是升高)跟 反应压力有关,压力高则炉口温度低于炉尾温度,压力 低则炉口温度高于炉尾温度,这是由于当压力高时,薄 膜生长区内工艺气体充足,在炉口已有足够的工艺气 体分解,而炉尾却因为气流耗尽效应使分解工艺气体 浓度降低,必须通过抬高尾部温度来补偿;而当反应压 力低时,薄膜生长区内工艺气体稀薄,炉口端气体由于 受热时间太短,分解不充分,而炉尾端则反之,导致炉 口端已分解工艺气体浓度低于炉尾端,这时就要求升 高炉口端温度来进行补偿,以使前后反应速度一致,从 而保证片尖均匀性. 其次是工艺压力对膜厚均匀性也有较大影响, 工艺压力越高,均匀性越差,工艺压力越低,均匀性 越好.实践证明在工艺压力高的情况下通过温度补 偿是很难保证优良的均匀性,很难找到合适的温度 梯度,而且稳定性也很差.但是并不是说工艺压力 越低越好,工艺压力越低,其薄膜生长速率越低,将 影响批量生产的能力. 此外,对于氮化硅薄膜而言,片间距也是一个 影响膜厚均匀性的一个重要因素.间距越小,均匀 性越差,问距越大,均匀性越好,这跟工艺气体质 量,分子自由程有关,在此不作详述.同理,并不是 说片间距越大越好,因为设备恒温区长度是一定 的,当片间距大时意味着每批处理片数越少,影响 生产效率. 氮化硅薄膜的耐腐蚀性,针孔密度,应力主要 受Sill2C1和NH3流量比例影响,Sill2C12:NH3越 大,氮化硅薄膜富硅,其膜质越致密,耐腐蚀性强, 针孔密度小,但应力越大,容易龟裂.SillC1:NH, 越小,氮化硅薄膜富氮,其膜质越疏松,耐腐蚀性弱, .因此必须根据具体需要选择 针孔密度大,应力小 SillC1:和NH流量比例来生长氮化硅薄膜,比如在 MEMS器件应用中要求厚而致密的富硅氮化硅薄 膜,就存在矛盾,如何生长出低应力,厚而致密的富 硅氮化硅薄膜一直是LPCVD工艺的一个难题. 当然,影响氮化硅薄膜质量的还有其他因素, 如反应管洁净度,整个工艺系统的密封性,工艺气 体浓度等,这是由LPCVD设备的固有性能所决 定,在此不再表述. 3结语 综匕所述,影响LPCVD工艺基于SillC12.NH一N: 体系制备氮化硅薄膜质量的主要因素有:工艺温度, 工艺压力,工艺气体流量比例,片间距等.而这些因 素又是相辅相成或互相制约的,这就导致在工艺摸 索过程中寻求最佳工艺参数变得十分复杂.实践证 明工艺参数不是一成不变的,必须针对不同设备,具 体工艺需求和工艺去确定合适的工艺参数. 参考文献: [1]厦门大学物理系半导体物理教研室.半导体物理器件 工艺原理【M].北京:人民教育出版社,1977,410.411. 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