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基于pecvd技术的氮化硅薄膜应力优化研究
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中国科学技术大学硕士学位论文基于PECVD技术的氮化硅薄膜应力优化研究姓名杨景超申请学位级别硕士专业精密仪器及机械指导教师邬玉亭摘要在超大规模集成电路和微机电系统领域中等离子体辅助化学气相沉积法是一种常用薄膜制备技术具有淀积温度低均匀性好、台阶覆盖性强的优点。&&&&然而由于沉积环境和生长过程的影响薄膜类材料均难以避免应力的存在。&&&&与半导体组件不同的是领域中的薄膜微悬臂结构需要对其下面的牺牲层进行刻蚀以使微结构能够悬空。&&&&因此当存在于薄膜中的应力得已释放时会导致微悬臂结构产生弯曲等结构形变。&&&&对于用作钝化保护的掩膜来说当薄膜内部存有一定的大应力时则会引起异质结界面晶格失配不良的界面态界面陷阱等缺陷严重影响到掩膜的钝化效果损害器件的性能。&&&&而用作绝缘层的薄膜若薄膜内部应力较大就会使器件的直流特性上反映出跨导变小正反向击穿特性变差。&&&&严重时会直接导通致使器件报废。&&&&本论文是基于技术制作低应力氮化硅薄膜方面的研究。&&&&首先从氮化硅薄膜成膜机理出发结合应力成因从等离子场、温度场角度系统地分析了工艺参数和沉积设备对氮化硅薄膜沉积现象和应力的影响。&&&&接着从实验研究出发探讨了沉积工艺参数与氮化硅薄膜应力之间的联系。&&&&结果表明适当地调整沉积参数可使氮化硅薄膜应力控制于以下。&&&&射频功率越小地与影响的薄膜比越接近标准化学计量比载气体和反应压强调节的等离子状态越恰当沉积温度影响的表面扩散率越充分则氮化硅薄膜应力就越小。&&&&此外本文还对低应力氮化硅薄膜作为结构层、钝化掩膜层和绝缘层的实用效果也进行了探讨。&&&&结果显示实验中用低应力参数制备出的氮化硅薄膜悬臂结构不会发生悬臂端上下弯曲的现象。&&&&在℃溶液里低应力参数氮化硅薄膜与硅材料的刻蚀速率比为并且低应力参数制备出的氮化硅薄膜绝缘层电阻率在范围它可以很好地绝缘开两个电极层。&&&&关键词氮化硅薄膜应力实用性中国科学技术大学硕士论文??????璐汜Ⅱ中国科学技术大学硕士论文℃―Ⅱ中国科学技术大学硕士论文第一章绪论第一章绪论引言早在十九世纪中期利用蒸镀或溅镀的方式将材科沉积在基底表面的技术就已被发明。&&&&由于这层材料的厚度远较基底材料小的多几个数量级约在数十埃至数个微米的范围因此被称为薄膜。&&&&近年来基于薄膜材料在电、磁和光方面的特性薄膜材料被广泛地应用在许多领域如汽车、化工、航天、医疗和仪器等尤其在微机电系统和超大规模集成电路中薄膜技术更是工艺过程中的一大关键。&&&&然而目前的薄膜材料成长或沉积方式例如热氧化、溅镀、蒸发和化学气相沉积都会使这些沉积在基底表面的薄膜产生应力对于微机电系统而言应力的存在不仅容易造成薄膜结构元件的变形及寿命的减短而且还对半导体器件的机械、电学性能造成许多不良的影响。&&&&因此如何减小薄膜应力在目前微机电系统中是一个非常重要的课题。&&&&氮化硅仃是微机电系统中是常见的一种半导体薄膜材科。&&&&由于高的介电常数、可靠的耐热抗腐蚀性能和优异的机械性能它常被用作绝缘层、表面钝化层和结构功能层等。&&&&同样氮化硅薄膜也存在着薄膜应力问题。&&&&例如在局部氧化的技术中虽然低压沉积氮化硅可以有效的阻止氧的扩散。&&&&但如果将较高应力的氮化硅沉积在硅基底上则会由于本身结构紧密对硅基底产生很大的拉应力使下面的主动区产生缺陷电晶体的介面在逆偏压操作时会产生很大的漏电流致使器件报废。&&&&再者在光衰减器器件设计中用等离子辅助化学气相沉积氮化硅作鼓膜光栅时如果在硅基底上沉积的氮化硅薄膜压应力过大时就会引起开口处边缘的氮化硅膜鼓膜出现褶皱或破裂现象导致器件失效。&&&&一般来讲。&&&&氮化硅成膜后的应力都比较大在’左右。&&&&当氮化硅薄膜处于较大的拉应力时状态时会引起薄膜开裂现象处于过大的压应力状态时会引起褶皱或剥落现象。&&&&这些应力问题不单会削弱氮化硅薄膜原中国科学技术大学硕士论文第一章绪论有的绝缘、钝化、密封效果而且还会直接影响到半导体器件的机械性能。&&&&氮化硅薄膜的应力优化研究从上世纪年代就已开始。&&&&其中较具代表性的研究有年和通过对沉积参数的优化将氮化硅薄膜应力控制在土以内年和等利用‘离子注入法将厚应力为的氮化硅薄膜应力减小到年、和等利用高低频交替技术将厚的氮化硅薄膜应力控制在以下甚至达到年、和弄用循环真空退火技术可以将氮化硅薄膜应力减至左右【。&&&&本论文研究的目的旨在通过探讨技术中沉积工艺参数与氮化硅薄膜应力之间的联系从理论到实验的基础上设计出制备低应力氮化硅薄膜的工艺参数以期能够分析出氮化硅薄膜应力的形成机制揭示出抑制氮化硅薄膜应力的有效工艺途径。&&&&此外本文还对低应力氮化硅薄膜的物理性能进行了探讨以确保其作为半导体器件层或功能层的实用性。&&&&氮化硅薄膜沉积技术及比较目前氮化硅薄膜的制备手段有很多有高温氮化法、溅射法、热分解法、等离子辅助法等等。&&&&根据制备原理的不同氮化硅薄膜制备技术大体上可分为直接氮化法、物理气楣沉积法、化学气相沉积法三大类。&&&&直接氮化技术高温氮化这是最早用来制备氮化硅薄膜的方法将清洗过的洁净硅片在高温下与反应在硅片表面生成薄层氮化硅膜的技术。&&&&这种方法反应温度高膜的生长速度很慢而且薄膜的厚度有限埃以下。&&&&等离子体增强氮化这种方法通过激发稀薄气体进行辉光放电得到等离子体利用等离子体的活性对硅片进行氮化常用和等离子体。&&&&此法虽然比高温氮化法的反应温度低但膜厚仍有限制且反应时间长。&&&&另外离子对薄膜表面的轰击会造成薄膜的损伤。&&&&中国科学技术大学硕士论文第一章绪论激光辅助氮化激光辅助氮化是一种利用大功率激光的热效应来沉积薄膜的方法。&&&&激光照射到硅片上对其加热硅在高温下蒸发并与氮气气氛反应生成氮化硅。&&&&这种方法可以达到很大的沉积速率当使用脉冲激光时硅靶的蒸发速率可以达到薄膜厚度没有限制反应时间短避免了高温对基底的不利影响而且由于材料加热源与蒸镀材料、基底不在同一腔室容易控制环境气氛”。&&&&缺点是设备复杂。&&&&难以大面积沉积薄膜且对氧污染比较敏感。&&&&利用直接氮化技术制备氮化硅的最大特点表面一旦形成氮化硅薄膜以后就把氮和硅隔离开来使得反应速度降低。&&&&用直接氮化法制备氮化硅膜厚一般在埃以下。&&&&同时为了能够进行氮化反应。&&&&常常需要将硅片加热到较高的温度一般要比法温度高用该方法制备的优点是氮化硅膜较其它制备方法致密、稳定”’。&&&&物理气相沉积技术离子束增强沉积法法是在真空系统中以电子柬蒸发或离子束溅射硅靶的同时用一定能量的离子束和进行轰击在常温下合成薄膜的方法。&&&&此法有不少优点高真空反应氧化程度低薄膜与基体的结合强度高沉积温度低可以控制薄膜的化学成分。&&&&但是使用这种方法氮的消耗量很大沉积速度太低同时高能离子的轰击使膜表面产生较多缺陷。&&&&磁控反应溅射溅射制膜是指在真空室中利用荷能粒子轰击靶材表面使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。&&&&溅射过程中还可以同时通进少量活性气体使它和靶材原子在衬底上形成化合物薄膜这就是反应溅射。&&&&溅射制膜可分为直流溅射、射频溅射、离子束溅射、偏压溅射、三极溅射等溅射制备氮化硅薄膜的设备可采用国产型超高真空磁控溅射系统如图示。&&&&基片材料选用取向的单晶片靶材为多晶硅氩气和氮气流量分别为和整个实验过程始终保持本底真空度为反应气压为板压为沉积时问均为小时。&&&&实验通过改变基片湿度℃、射频功率等参数可制备出不同性能的氮化硅薄膜”。&&&&磁控反应溅射技术集中了磁控溅射和反应溅射的优点不仅可以制备出符合要求的氮化硅薄膜而且膜的成分和结构容易控制。&&&&尤其是磁控反应溅射中国科学技术大学硕士论文第一章绪论法制备的氮化硅薄膜其性能几乎可以和辉光放电等离子体法制备的薄膜媲美。&&&&但缺点是靶材利用率低薄膜表面缺陷较多抗腐蚀能力差。&&&&图型超高真空磁控溅射系统图射频反应溅射装置示意图化学气相沉积技术法是最常用的氮化硅薄膜制各方法。&&&&它把含有构成薄膜元素的气体供给衬底利用加热、等离子体、紫外光等能源发生化学反应沉积薄膜。&&&&法具有很多优点薄膜形成方向性小微观均匀性好薄膜纯度高残余应力小延展性强薄膜受到的辐射损伤较低下面是常用的几种方法。&&&&图设备原理示意图常压热化学气相沉积法这种方法在常压下给反应气体加热利用热分解或化合反应在衬底表面形中国科学技术大学硕士论文第一章绪论成薄膜。&&&&它对设备的要求很简单是早期制备氮化硅薄膜的主要方法。&&&&但是因为薄膜生长缓慢膜厚不均匀易污染已经逐渐被低压热化学气相沉积法取代。&&&&低压热化学气相沉积法在低于玉力下工作的装置属于低压热化学气相沉积装置。&&&&与相比装置的工作压力常低至左右。&&&&这将使得气体的平均自由程和扩散系数增加约三个数量级【使其传输速度加快防止了产物的凝聚从而获得厚度均匀的薄膜。&&&&同时技术可实现大批衬底上的薄膜沉积工作效率高且制得的薄膜性能较好可重复性较高。&&&&但是和都是以热量活化反应气体反应温度很高在高温下衬底容易变形其中的缺陷会生长和蔓延从而影响界面性能。&&&&等离子体辅助化学气相沉积法虽然氮化硅薄膜的制备可以在下通过常压化学气相沉积法或者在℃左右由低压化学气相沉积法制得但目前在工业上和实验室中一般使用等离子体辅助化学气相沉积来制备氮化硅薄膜。&&&&这是因为这种方法沉积温度低对多晶硅中少子寿命影响小并且生产时能耗低沉积速率较快生产效率高工艺重复性好薄膜厚度均匀薄膜缺陷密度较低。&&&&此外虽然法沉积的氮化硅薄膜有较好的薄膜性能但是由于其沉积温度较高所得的氮化硅薄膜通常有高达以上的拉应力。&&&&因此以法所沉积的氮化硅其薄膜的厚度不宜超过范围以避免发生裂痕。&&&&而利用所沉积的氮化硅则没有这个困扰。&&&&因为法不仅有沉积温度低℃的优点而且还可借助功率的调整控制离子对沉积薄膜的轰击使氮化硅薄膜的拉伸应力下降或通过调整反应气体流量【与基板温度来控制氮化硅内部的应力大。&&&&法沉积氮化硅一般是和在等离子体气氛下反应生成反应式如下专马卜在低压状态下令射频发生器产生高频电场使电极间的气体发生辉光放中国科学技术大学硕士论文第一章绪论电产生非平衡等离子体。&&&&这时反应气体的分子、原子和离子均处于环境温度而电子却被电场加速获得很高的能量将反应的气体分子激活使原本高温下才发生的反应在低温时就能发生‘。&&&&根据等离子体的激发方式用于生长氮化硅薄膜的设备一般分为两种类型直接设.
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问答题论述题对于某种薄膜的CVD过程，淀积温度为900℃，质量传输系数hG=10cms-1，表面反应速率系数ks=1×107exp（-1.9eV/kT）cms-1。现有以下两种淀积系统可供选择（1）冷壁，石墨支座型；（2）热壁，堆放硅片型。应该选用哪种类型的淀积系统并简述理由。
反应室类型热壁：反应室腔壁与硅片及支撑件同时加热。一般为电阻丝加热，可精确控制反应腔温度和均匀性。适合对温度控制要求苛刻......
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薄膜淀积工艺(下)教程分析.ppt 29页
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薄膜淀积工艺 （下） 薄膜淀积（Thin Film Deposition）工艺 ■ ?? 概述 ■ ?? 真空技术与等离子体简介 ■ ?? 化学气相淀积工艺 ■ ?? 物理气相淀积工艺 ■ ?? 小结 参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第12章 （电子讲稿中出现的图号是该书中的图号） 四、物理气相淀积工艺 ■ ?? 引言 ■ ?? 蒸发工艺 ■ ?? 溅射工艺 （一）引言 1、物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）技术： ■
蒸发（Evaporation）法 ■
溅射（Sputtering）法 PVD的特点： 靶材料 薄膜材料 2、在IC制造中，PVD技术主要用于金属薄膜的制备。 蒸发的速率取决于： (1) 离开蒸气源的材料有多少；(2) 到达硅片衬底的材料有多少 真空度一般要求高于 10-5Torr。 （二）蒸发工艺介绍 1、 蒸发工艺是最早出现的金属淀积工艺。 2、蒸发工艺的淀积速率 单位时间内通过单位面积表面的气体分（原）子数 其中，P是压强，M是气体分（原）子质量 单位时间内坩锅内蒸气源材料质量的消耗速率 其中，Pe是蒸气源的平衡蒸气压，T是材料温度 假设材料温度近似为恒定，同时面积A恒定，则有： 为一个固定量 1)通量密度： 质量蒸发率： 图12.2
常用材料的蒸气压曲线 温度越高， 蒸气压越高。 a. 离开蒸气源的气体分子流 F
当蒸气源近似为点源时，
气体分子流是各向同性的。 ■
当蒸气源近似为平面源时，
气体分子流与夹角θ有关。 此时，蒸气源正上方的硅片会得到更 多的淀积薄膜。 2) 离开坩埚材料与堆积在圆片表面材料的比值 假设：腔室真空度足够高，气体分子的相互碰撞可以被忽略，
离开蒸气源的气体分子以直线形式运动到硅片表面。 图12.3
圆片淀积位置 b. 到达圆片表面的材料比例常数 为获得好的均匀性，一般采 用球形放置方式，此时有： k为一个常数，保证了达到硅 片表面各点的气体分子数相等， 即淀积速率的均匀性。 考虑到到达圆片表面的部分正比于圆片所对的立体角 3) 淀积速率的公式： 其中，ρ是淀积材料的质量密度。 Rd的单位是：m/s 影响淀积速率的主要参数： a. 被蒸发材料本身的性质 b. 淀积温度：温度越高，Pe越高 c. 腔室和坩锅的几何形状 讨 论 3、 常用蒸发系统（加热器） 电阻加热蒸发、（电感）感应加热蒸发、电子束蒸发 加热温度有限 加热元件沾污 提高蒸发温度 坩锅材料沾污 只加热淀积材料 存在辐射损伤 1) 薄膜的淀积速率： 4、蒸发工艺的限制因素 图12.4
在高的淀积速率下材料平衡蒸汽压使坩埚正上方区域形成粘滞流，在坩埚顶部上方10cm处形成虚拟源 2) 淀积薄膜材料的纯度 高速率与均匀性的矛盾 解决：加热硅片并进行旋转。 当表面吸附原子移动率低时，阴影效应会造成严重的台阶覆盖问题。 3) 淀积薄膜的台阶覆盖性 注意：增加衬底温度要影响薄膜形貌，因此常用蒸发后加
离子束，使沉积层重新分布 图12.10
蒸发多成分薄膜的方法示意图 4) 合金材料与多组分复合材料薄膜的淀积 b. 当合金材料的蒸气压不同时，采用多源同时蒸发； c. 当进行多成分薄膜淀积时，采用多源按次序蒸发。 a. 当合金材料的蒸气压相近时，一般采用单源蒸发； （三）溅射工艺介绍 1、 溅射概述 2) 溅射工艺(相对于蒸发工艺)的优势： a.
台阶覆盖性得到改善 b.
辐射缺陷远小于电子束蒸发 c.
容易制备难熔金属、合金材料和复合材料薄膜。 3) 当靶材料是化合物或合金时，淀积材料的化学配比与
靶材料的略微不同。 当不同成分的溅射速率不同时，靶表面积累更多溅射速率 较低的材料，使得淀积薄膜的成分重新接近靶体材料 IC制造中金属材料的淀积 1) 溅射工艺的用途： 2、溅射原理 简单的直流溅射系统示意图 ■
真空中充入的氩气 在电场下产生气体放电（等离子体） ■
高能Ar+轰击靶材（阴极），使其表面原子剥离并淀积到对面阳极（硅片）表面 气压范围：1～100mTorr 图12.12
离子入射到靶表 面时可能产生的结果 (1) 带能离子轰击靶表面时，可能造成的结果： a. 离子能量很低时，被反弹回来； b. 能量小于10 eV的离子被吸附在靶
表面，以声子（热）形式释放能量； c. 能量大于10 keV的离子深入衬底，
改变衬底的原子排列结构； 离子注入 d. 当离子能量处于上述两者之间，
能量传递仅限于表面几层原子层，
通过断裂化学键使表面靶原子发
射出来。 溅射 (2)
淀积速率与溅射产额 a. 影响淀积速率的关键因素： 入射离子流量、溅射产额
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