氮化硅薄膜性质
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➢SiNx的优点：
✓优良的表面钝化效果 ✓高效的光学减反射性能（厚度和折射率匹配） ✓低温工艺（有效降低成本） ✓含氢SiNx:H可以对mc-Si提供体钝化
温度对薄膜影响
为了提高生成膜的质量,需要对衬底加温。这样可使成膜在到达衬底后具有一定的表面迁移能 力,在位能最低的位置结合到衬底上去,使所形成薄膜内应力较小,结构致密,具有良好的钝化性 能。衬底温度一般在250～350 ℃,这样能保证薄膜既在HF中有足够低的刻蚀速率和较低的本征 应力,又具有良好的热稳定性和抗裂能力。衬底温度低于200 ℃沉积生成的薄膜本征应力大且 为张应力,不容易沉积;而高于400 ℃时氮化硅薄膜生长不均匀,容易龟裂。
沉积速率与射频功率关系
腐蚀速率与射频功率关系
折射率与射频功率关系
从键能角度看,Si - H键的键能小于N - H键的键能,使N -H键破裂比Si - H键破裂需要更多的能量,当SiH4浓 度足够高时,随着射频功率的增加,使得更多的N - H键破裂,为反应气体提供了充分的氮的自由基,硅氮反应 充分,因而沉积速率直线上升。但是当SiH4浓度过低、气体总流量太小时,因激活率达到饱和,在较高功率下 会出现沉积速率饱和的现象,这时沉积速率几乎不受RF功率的影响。
当衬底温度升高时,沉积速率增大,氮化硅薄膜的含H量和Si/N比下降,折射率上升,腐蚀速率下降;衬底温 度的变化对氮化硅薄膜的腐蚀速率影响显著。
折射率是薄膜结构和致密性的综合反映,等离子体中的反应相当复杂,生成膜的性质受多种因素的
影响,因此,折射率是检验成膜质量的一个重要指标。
温度对沉积速率的影响较小,但对氮化硅薄膜的物化性质影响很大;温度升高时,薄膜的密度和折
气体流量比对生长氮化硅薄膜的影响
气体总流量直接影响到沉积的均匀性,为防止反应区下游反应气体因耗尽而降低沉积速率,并且补偿SiH4 气体的各种非沉积性的消耗, PECVD通常采用较大的SiH4和气体总流量。
SiH4 /NH3流量比对沉积速率、膜的组分及物化性质均有很大的影响。表3为SiH4 /NH3相对比例对沉 积薄膜的影响。由表3知,薄膜的折射率和相对特性由SiH4 /NH3膜的相对比例来调节,应采用较高的 SiH4 /NH3
射率直线上升,在缓冲HF中的腐蚀速率呈指数式下降,同时会提高衬底表面原子的活性和迁移率,
使衬底表面反应增强,过剩的硅原子减少,膜的含H量降低, Si/N比下降,改进了化学组分。
温度对氮化硅薄膜性质的影响。由表1可知:温度在300～500 ℃,每变化20 ℃,薄膜的沉积速率变化小于1%;温 度低于300 ℃,氮化硅膜的特性发生了显著变化;高于450 ℃,在显微镜下观察,发现氮化硅膜的龟裂区域出现。 表1 温度对氮化硅薄膜性质的影响 温度/℃ 沉积速率/( nm·min - 1 ) 折射率 缓冲HF刻蚀速率/ ( nm·min - 1 )
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320. 0 104. 0
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SiH4 /NH3 1:02 1:05 1:08 1:10 1:12
膜厚 340 340 360 380 390
折射率 2. 10 2. 05 1. 99 1. 96 1. 85
缓冲 HF腐蚀速率 慢 慢 较慢 较慢 快
片间均匀性 差 差 较好 好 好
当SiH4 /NH3 = 1：10时,沉积的氮化硅薄膜的特性最好;低于1：10时,氮化硅薄膜的折射率偏高,生长过 程中产生的应力问题更为突出,因而,生成的氮化硅薄膜愈厚,薄膜的龟裂现象愈易发生;高于1： 10时,薄 膜中的氢含量就高,严重地影响了器件的可靠性。 当SiH4 /NH3流量比增加时,氮化硅薄膜折射率上升, Si/N 比上升,腐蚀速率和介电强度下降;当 SiH4/NH3= 1：10时,沉积的氮化硅薄膜特性最好; SiH4 /NH3流量比对沉积速率基本无影响,但在很大 程度上决定了氮化硅薄膜的折射率。
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9. 8
炉管温区示意图
射频功率对氮化硅薄膜的影响பைடு நூலகம்
射频功率是PEVCD最重要的工艺参数之一,在工作中射频功率一般在确定为最佳工艺条件后就不再改变,以 保证生产的重复性。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,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,使膜的均匀性下降,结构疏松,针孔密度增大, 钝化性能退化。腐蚀速率在一定程度上反映出膜的密度和成分,与折射率关系密切;一般是折射率越高腐蚀速 率越低。射频功率对氮化硅薄膜沉积速率和性质的影响见下图。
脉冲占空比影响
脉冲开关时间比例选择不恰当，也只能长出一些有干涉条纹的薄膜。其原因是：脉冲为高电平时产生气体 辉光放电，形成了等离子体，脉冲为低电平时辉光放电停止，此时为薄膜生长阶段，激活的反应物分发生 反应，在衬底表面迁徙成核而生长，附产物从衬底片上解吸，随主气流由真空泵抽走。在低频功率源下， 等离子体中的离子被多变的电场加速，到达衬底的速率要比高频交变电场中的大，对样品表面的轰击作用 也就更明显，造成压应力，出现干涉条纹。在高频功率源下，脉冲的开关时间选取不当，也会产生张应力， 使样品产生干涉条纹。
氮化硅薄膜特性以及影响膜品质 因素进行分析
电池片工艺部
培训人：闫素敏
培训内容：
➢ 薄膜性质 ➢ 沉积条件对氮化硅膜影响 ➢ 常见异常
氮化硅薄膜性质
氮化硅薄膜 是一种物理、化学性能十分优良的介质膜,具有高的致密性、高的介电常数、良好的绝缘性
能和优异的抗Na+能力等,因此广泛应用于集成电路的最后保护膜、耐磨抗蚀涂层、表面钝化、 层间绝缘、介质电容。等离子增强化学气相沉积(简称PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)具有沉积温度低( < 400 ℃) 、沉积膜针孔密度小、均匀性好、台阶覆盖性 好等优点。
✓优良的表面钝化效果 ✓高效的光学减反射性能（厚度和折射率匹配） ✓低温工艺（有效降低成本） ✓含氢SiNx:H可以对mc-Si提供体钝化
温度对薄膜影响
为了提高生成膜的质量,需要对衬底加温。这样可使成膜在到达衬底后具有一定的表面迁移能 力,在位能最低的位置结合到衬底上去,使所形成薄膜内应力较小,结构致密,具有良好的钝化性 能。衬底温度一般在250～350 ℃,这样能保证薄膜既在HF中有足够低的刻蚀速率和较低的本征 应力,又具有良好的热稳定性和抗裂能力。衬底温度低于200 ℃沉积生成的薄膜本征应力大且 为张应力,不容易沉积;而高于400 ℃时氮化硅薄膜生长不均匀,容易龟裂。
沉积速率与射频功率关系
腐蚀速率与射频功率关系
折射率与射频功率关系
从键能角度看,Si - H键的键能小于N - H键的键能,使N -H键破裂比Si - H键破裂需要更多的能量,当SiH4浓 度足够高时,随着射频功率的增加,使得更多的N - H键破裂,为反应气体提供了充分的氮的自由基,硅氮反应 充分,因而沉积速率直线上升。但是当SiH4浓度过低、气体总流量太小时,因激活率达到饱和,在较高功率下 会出现沉积速率饱和的现象,这时沉积速率几乎不受RF功率的影响。
当衬底温度升高时,沉积速率增大,氮化硅薄膜的含H量和Si/N比下降,折射率上升,腐蚀速率下降;衬底温 度的变化对氮化硅薄膜的腐蚀速率影响显著。
折射率是薄膜结构和致密性的综合反映,等离子体中的反应相当复杂,生成膜的性质受多种因素的
影响,因此,折射率是检验成膜质量的一个重要指标。
温度对沉积速率的影响较小,但对氮化硅薄膜的物化性质影响很大;温度升高时,薄膜的密度和折
气体流量比对生长氮化硅薄膜的影响
气体总流量直接影响到沉积的均匀性,为防止反应区下游反应气体因耗尽而降低沉积速率,并且补偿SiH4 气体的各种非沉积性的消耗, PECVD通常采用较大的SiH4和气体总流量。
SiH4 /NH3流量比对沉积速率、膜的组分及物化性质均有很大的影响。表3为SiH4 /NH3相对比例对沉 积薄膜的影响。由表3知,薄膜的折射率和相对特性由SiH4 /NH3膜的相对比例来调节,应采用较高的 SiH4 /NH3
射率直线上升,在缓冲HF中的腐蚀速率呈指数式下降,同时会提高衬底表面原子的活性和迁移率,
使衬底表面反应增强,过剩的硅原子减少,膜的含H量降低, Si/N比下降,改进了化学组分。
温度对氮化硅薄膜性质的影响。由表1可知:温度在300～500 ℃,每变化20 ℃,薄膜的沉积速率变化小于1%;温 度低于300 ℃,氮化硅膜的特性发生了显著变化;高于450 ℃,在显微镜下观察,发现氮化硅膜的龟裂区域出现。 表1 温度对氮化硅薄膜性质的影响 温度/℃ 沉积速率/( nm·min - 1 ) 折射率 缓冲HF刻蚀速率/ ( nm·min - 1 )
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SiH4 /NH3 1:02 1:05 1:08 1:10 1:12
膜厚 340 340 360 380 390
折射率 2. 10 2. 05 1. 99 1. 96 1. 85
缓冲 HF腐蚀速率 慢 慢 较慢 较慢 快
片间均匀性 差 差 较好 好 好
当SiH4 /NH3 = 1：10时,沉积的氮化硅薄膜的特性最好;低于1：10时,氮化硅薄膜的折射率偏高,生长过 程中产生的应力问题更为突出,因而,生成的氮化硅薄膜愈厚,薄膜的龟裂现象愈易发生;高于1： 10时,薄 膜中的氢含量就高,严重地影响了器件的可靠性。 当SiH4 /NH3流量比增加时,氮化硅薄膜折射率上升, Si/N 比上升,腐蚀速率和介电强度下降;当 SiH4/NH3= 1：10时,沉积的氮化硅薄膜特性最好; SiH4 /NH3流量比对沉积速率基本无影响,但在很大 程度上决定了氮化硅薄膜的折射率。
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炉管温区示意图
射频功率对氮化硅薄膜的影响பைடு நூலகம்
射频功率是PEVCD最重要的工艺参数之一,在工作中射频功率一般在确定为最佳工艺条件后就不再改变,以 保证生产的重复性。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,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,使膜的均匀性下降,结构疏松,针孔密度增大, 钝化性能退化。腐蚀速率在一定程度上反映出膜的密度和成分,与折射率关系密切;一般是折射率越高腐蚀速 率越低。射频功率对氮化硅薄膜沉积速率和性质的影响见下图。
脉冲占空比影响
脉冲开关时间比例选择不恰当，也只能长出一些有干涉条纹的薄膜。其原因是：脉冲为高电平时产生气体 辉光放电，形成了等离子体，脉冲为低电平时辉光放电停止，此时为薄膜生长阶段，激活的反应物分发生 反应，在衬底表面迁徙成核而生长，附产物从衬底片上解吸，随主气流由真空泵抽走。在低频功率源下， 等离子体中的离子被多变的电场加速，到达衬底的速率要比高频交变电场中的大，对样品表面的轰击作用 也就更明显，造成压应力，出现干涉条纹。在高频功率源下，脉冲的开关时间选取不当，也会产生张应力， 使样品产生干涉条纹。
氮化硅薄膜特性以及影响膜品质 因素进行分析
电池片工艺部
培训人：闫素敏
培训内容：
➢ 薄膜性质 ➢ 沉积条件对氮化硅膜影响 ➢ 常见异常
氮化硅薄膜性质
氮化硅薄膜 是一种物理、化学性能十分优良的介质膜,具有高的致密性、高的介电常数、良好的绝缘性
能和优异的抗Na+能力等,因此广泛应用于集成电路的最后保护膜、耐磨抗蚀涂层、表面钝化、 层间绝缘、介质电容。等离子增强化学气相沉积(简称PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)具有沉积温度低( < 400 ℃) 、沉积膜针孔密度小、均匀性好、台阶覆盖性 好等优点。