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文献标识码: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体会.
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
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
体工艺需求和工艺经验去确定合适的工艺参数.
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