PECVD氮化硅

实验内容
本实验采用牛津仪器公司生产的牛津Plasma80Plus在2 英寸(50mm)p型〈100〉晶向的单晶硅片上沉积约100～ 400nm的氮化硅薄膜。薄膜制备过程如下:实验前使用乙 醇和丙酮超声清洗样品15min以去除油污,然后用1号液 (V(H2O)∶V(H2O2)∶V(NH3・H2O)=5∶1∶1)和2号液 (V(H2O)∶V(H2O2)∶V(HCl)=5∶1∶1)清洗,最后再使用 体积分数为5%的稀氢氟酸(HF)漂洗5min以去除氧化层, 去离子水洗净烘干后放入反应室。反应气体体积分数为 5%的SiH4/N2,NH3和N2,射频功率为13156MHz[9]。通 过对衬底温度、射频功率、反应腔体气压等条件的调节 得到不同工艺条件下的氮化硅薄膜。通过AFM检测样品 表面形貌,利用XP-2台阶仪和椭圆偏振仪测量样品的厚度 和折射率。
1结果与讨论--射频功率对薄膜生长速率的影响
图3为射频功率对薄膜生长速率的影响,工艺参数为腔体气压 13313Pa,SiH4流量100cm3/min,NH3流量4cm3/min,N2流量 700cm3/min,时间10min,温度300℃,射频功率10～50W。由图3可以 发现,随着射频功率的增加,薄膜沉积速率提高,提高幅度缓慢下降,这 与文献[9】中相符,射频功率的提高增加了电子密度和相关的高能电 子的产生,增加的高能电子提供了更高的反应气体离子化和分解,从 而提高了反应气体的活化率,使反应气体在衬底表面的反应增加,从 而沉积速率提高。由图3可以看出射频功率是主要控制氮化硅薄膜 沉积速率的参数
1结果与讨论性非常重要[5-6,10-11],所 以研究并探讨衬底温度与沉积速率和结构稳定性的关系也是非常重 要的。图1为温度对薄膜生长速率的影响,工艺参数为腔体气压 13313Pa,射频功率20W,SiH4流量100cm3/min,NH3流量 4cm3/min,N2流量700cm3/min,时间10min,温度100～400℃。由图 1可以看出,薄膜生长速率随温度的升高而降低,并且下降速度略有减 缓,这与文献[6]中所得的实验结果相似。有三种可能的理论对其进行 解释:一是由于采用PECVD方法生长氮化硅薄膜
1结果与讨论--温度对薄膜生长速率的影响
实验结果与某些文献有不同。对比实验条件,李新贝等人[11]的研究 中工作气压为200Pa,射频功率100～200W,并且保持NH3过饱和。 随着衬底温度的上升,SiH4被活化量增加从而提高沉积速率。本次实 验中测量起始温度为100℃,射频功率只有20W,低于李新贝等人[11] 的研究中的射频功率。由于射频功率对于反应气体的活化比率起关 键作用。在射频功率20W的情况下,反应气体活化概率没有100W的 条件下高。温度的高低影响反应气体之间的碰撞剧烈程度。在反应 气体活化概率不高的情况下气体间碰撞并引发的化学反应速率受温 度的影响相对较小。因此在本次实验中沉积速率与衬底温度的关系 与某些文献中并不矛盾。
1结果与讨论--薄膜生长速率随腔体气压变化的关系

沉积腔体内的反应气体压强对沉积有一定的影响[4]。 反应气体压强越高沉积速率越大。通常腔体内的反应气 体压强要保证等离子体能够维持稳定的辉光放电。图4 为薄膜生长速率随腔体气压变化的关系曲线,工艺参数如 下:SiH4流量100cm3/min,NH3流量4cm3/min,N2流量 700cm3/min,时间10min,温度300℃,射频功率20W,腔体 气压67～200Pa
几种PECVD装置 图（a）是一种最简单的电感耦合产生等离子体的 PECVD装置，可以在实验室中使用。 图（b）它是一种平行板结构装置。衬底放在具有温控 装置的下面平板上，压强通常保持在133Pa左右，射频 电压加在上下平行板之间，于是在上下平板间就会出现 电容耦合式的气体放电，并产生等离子体。 图（c）是一种扩散炉内放置若干平行板、由电容式放电 产生等离子体的PECVD装置。它的设计主要为了配合工 厂生产的需要，增加炉产量
1结果与讨论--射频功率对薄膜生长速率的影响
图3为射频功率对薄膜生长速率的影响,工艺参数为腔体气压 13313Pa,SiH4流量100cm3/min,NH3流量4cm3/min,N2流量 700cm3/min,时间10min,温度300℃,射频功率10～50W。由图3可以 发现,随着射频功率的增加,薄膜沉积速率提高,提高幅度缓慢下降,这 与文献[9】中相符,射频功率的提高增加了电子密度和相关的高能电 子的产生,增加的高能电子提供了更高的反应气体离子化和分解,从 而提高了反应气体的活化率,使反应气体在衬底表面的反应增加,从 而沉积速率提高。由图3可以看出射频功率是主要控制氮化硅薄膜 沉积速率的参数
材料与器件 ---薄膜生长工艺的研讨
PECVD法氮化硅薄膜生长工艺的研究
摘要:采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD),在单
晶硅衬底(100)上成功制备了不同生长工艺条件下的氮化 硅薄膜。分别采用XP-2台阶仪、椭圆偏振仪等手段测试 了薄膜的厚度、折射率、生长速率等参数。并采用原子 力显微镜(AFM)研究了薄膜的表面形貌。结果表明,温度 和射频功率是影响薄膜生长速率的主要因素,生长速率变 化幅度可以达到230nm/min甚至更高。对于薄膜折射率 和成分影响最大的是NH3流量,折射率变化范围可以达到 217～1186。分析得出受工艺参数调控的薄膜生长速率 对薄膜的性质有重要影响。 关键词:等离子体增强化学气相沉积法;氮化硅薄膜;生长 速率;折射率;硅衬底
1结果与讨论--温度对薄膜生长速率的影响
过程中,受等离子体活化的反应气体在衬底表面有沉积和挥发两种机 制作用,并且这两种机制都是随着温度的升高而加剧的,然而在由低 温向高温转变时挥发机制的影响相比沉积机制更显著,所以导致了最 终沉积到表面的速率下降[8];二是由于沉积在衬底表面的分子温度越 高运动的能力越强,高的迁移能力可以让氮化硅分子有能力运动到基 片上的合适位置,比如缺陷、孔隙等,从而使氮化硅薄膜的致密度上 升,并反应在沉积速率上的下降[8](图2),然而温度过高则会导致基团 迁移率过快或者应力增加,降低了薄膜的性质[5,11-12];三是根据薄 膜自发形核理论,薄膜的临界核心半径r与临界形核自由能变化ΔG随 相变过冷度的增加而减少,所以随着衬底温度的增加,这两者都会增 大导致新相的形成变得困难,降低了沉积速率。
实验、测算仪器
台阶仪：正确名称应该是表面轮廓仪可以用探针把待测物体表
面的相对高度给出来~~~由于常用于测量台阶——比如测量所镀膜 的厚度那种，故也称为台阶仪！
椭圆偏振仪：椭圆偏振技术是一种多功能和强大的光学技术，
可用以取得薄膜的介电性质（复数折射率或介电常数）。椭圆偏振 是一个很敏感的薄膜性质测量技术，且具有非破坏性和非接触之优 点。它已被应用在许多不同的领域，从基础研究到工业应用，如半 导体物理研究、微电子学和生物学。
CVD(Chemical Vapor Deposition）原理 CVD(Chemical Vapor Deposition,化学气相沉积），指把含有构成 薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引 入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。在超大规模 集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。经过CVD处理后，表 面处理膜密着性约提高30%，防止高强力钢的弯曲，拉伸等成形时 产生的刮痕。
AFM原子力显微镜
AFM全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是继 扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope） 之后发明的 一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各 种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直 接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、 化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等 领域中，成为纳米科学研究的基本工具.
PE CVD等离子体增强化学气相沉积
PECVD ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ) -- 等离 子体增强化学气相沉积法 PECVD：是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离， 在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应， 在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下 进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离 子体增强化学气相沉积(PECVD）
氮化硅薄膜Si3N4
氮化硅薄膜具有高介电常数、高绝缘强度、漏电低、抗氧化等优良 的物理性能。作为钝化、隔离、电容介质等,广泛应用于微电子工艺 中,例如MOSFET,HEMT等[3]。另外氮化硅薄膜还具有优良的机械 性能和良好的稳定性,在新兴的微机械加工工艺中的应用也越来越广 泛。
CVD化学气相沉积
实验与原理
实验与原理---PECVD法生长氮化硅薄膜的原理PECVD法生长氮化 硅薄膜是利用非平衡等离子体的一个重要特性,即等离子体中的分子、 原子、离子或激活基团与周围环境相同,而其非平衡电子则由于电子 质量很小,其平均温度可以比其他粒子高1～2个数量级,因此在通常 条件下,引入的等离子体使得沉积反应腔体中的反应气体被活化,并 吸附在衬底表面进行化学反应,从而能在低温下生长出新的介质薄膜。 如通常需要800℃以上才能生长的氮化硅薄膜,用PECVD法只需 250～300℃就能生长,而沉积反应中的副产物则被解吸出来并随主 气流由真空泵抽出反应腔体。这是目前唯一能在低温条件下生长氮 化硅的CVD工艺。由以下3种反应能生长出氮化硅薄膜 3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2 (1) 3SiHCl4+4NH3→Si3N4+12HCl (2) 3SiH2Cl2+4NH3→Si3N4+6HCl+6H2 (3)
1结果与讨论--温度对薄膜生长速率的影响

衬底温度对于氮化硅薄膜的结构稳定性非常重要[5-6,10-11],所 以研究并探讨衬底温度与沉积速率和结构稳定性的关系也是非常重 要的。图1为温度对薄膜生长速率的影响,工艺参数为腔体气压 13313Pa,射频功率20W,SiH4流量100cm3/min,NH3流量 4cm3/min,N2流量700cm3/min,时间10min,温度100～400℃。由图 1可以看出,薄膜生长速率随温度的升高而降低,并且下降速度略有减 缓,这与文献[6]中所得的实验结果相似。有三种可能的理论对其进行 解释:一是由于采用PECVD方法生长氮化硅薄膜
1结果与讨论--射频功率对薄膜生长速率的影响

射频功率是PECVD工艺中最重要的参数之一。在工 作和生产中找到最优的射频功率对保证生产的重复性、 产品的质量、生产速率、产出率等起到了关键性作用。 当射频功率较小时,气体尚不能充分电离,激活效率低,反 应物浓度小,薄膜针孔多且均匀性较差,抗腐蚀性能差; 当射频功率增大时,气体激活效率提高,反应物浓度增大, 并且等离子体气体对衬底有一定的轰击作用使生长的氮 化硅薄膜结构致密,提高了膜的抗腐蚀性能; 但射频功率不能过大,否则沉积速率过快,会出现类似 “溅射”现象影响薄膜性质。
1结果与讨论--温度对薄膜生长速率的影响
过程中,受等离子体活化的反应气体在衬底表面有沉积和挥发两种机 制作用,并且这两种机制都是随着温度的升高而加剧的,然而在由低 温向高温转变时挥发机制的影响相比沉积机制更显著,所以导致了最 终沉积到表面的速率下降[8];二是由于沉积在衬底表面的分子温度越 高运动的能力越强,高的迁移能力可以让氮化硅分子有能力运动到基 片上的合适位置,比如缺陷、孔隙等,从而使氮化硅薄膜的致密度上 升,并反应在沉积速率上的下降[8](图2),然而温度过高则会导致基团 迁移率过快或者应力增加,降低了薄膜的性质[5,11-12];三是根据薄 膜自发形核理论,薄膜的临界核心半径r与临界形核自由能变化ΔG随 相变过冷度的增加而减少,所以随着衬底温度的增加,这两者都会增 大导致新相的形成变得困难,降低了沉积速率。