PECVD工藝中氮化硅薄膜龜裂研究

徐 衡，林洪春，唐 冬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

PECVD工藝中氮化硅薄膜龜裂研究

徐 衡，林洪春，唐 冬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

PE氮化硅薄膜優(yōu)異的物理、化學(xué)性能使其在半導(dǎo)體分立器件、IC電路中常被用作絕緣層、鈍化層而使用。然而，氮化硅龜裂問題是影響其作為鈍化層使用的阻礙因素，因此，科學(xué)的氮化硅工藝條件對(duì)其薄膜質(zhì)量的影響非常關(guān)鍵。給出了等離子體化學(xué)氣相淀積（PECVD）氮化硅薄膜技術(shù)的原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了誘發(fā)氮化硅龜裂現(xiàn)象的原因，優(yōu)化工藝條件，確定了PECVD氮化硅的最佳工藝條件，杜絕了龜裂現(xiàn)象對(duì)氮化硅作為鈍化層使用的影響。

等離子體化學(xué)氣相淀積；氮化硅薄膜；龜裂；鈍化

1 引 言

微電子行業(yè)的制造工藝中，等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積（PECVD）技術(shù)是近幾年來(lái)極受重視的制備介質(zhì)膜的先進(jìn)工藝技術(shù)。它允許襯底保持在較低溫度（一般在300℃-450℃）下生長(zhǎng)介質(zhì)薄膜。由于鋁是在400℃-500℃進(jìn)行退火的，因而蒸鋁后的器件制作鈍化介質(zhì)膜需要在低溫下進(jìn)行。PECVD氮化硅除了有優(yōu)越的低溫沉積特性外，與熱反應(yīng)相比，它還能增強(qiáng)淀積速率，獲得均勻組分和特性的介質(zhì)膜。PECVD氮化硅沉積技術(shù)除了用于制作器件的鈍化膜、增透膜外，它還可以用于制作光電器件擴(kuò)散工藝的阻擋層，以形成所需的 PN結(jié)。雖然PECVD氮化硅膜特性好，但片面發(fā)黃、龜裂等問題一直影響其使用。下面介紹了PECVD氮化硅薄膜的生長(zhǎng)原理以及影響其質(zhì)量的主要因素，從大量的工藝試驗(yàn)中摸索工藝條件，制造了優(yōu)質(zhì)的PECVD氮化硅薄膜，解決了氮化硅片面發(fā)黃、龜裂問題。

2 PECVD淀積氮化硅薄膜的基本原理

等離子體激活的化學(xué)氣相淀積法，是利用輝光放電的物理作用來(lái)激活化學(xué)氣相沉積反應(yīng)。在輝光放電所形成的等離子體中，由于電子和離子的質(zhì)量相差懸殊，二者通過(guò)碰撞交換能量的過(guò)程比較緩慢，所以在等離子體內(nèi)部，各種帶電粒子各自達(dá)到其熱力學(xué)平衡狀態(tài)。

等離子體化學(xué)汽相淀積氮化硅是一種非化學(xué)計(jì)量組分的反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為：

SiH4（氣體）＋NH3（氣體）＋N2——SixNyHz＋H2（氣體）

在這里，硅烷和氨氣反應(yīng)是在200℃-400℃的等離子體中發(fā)生的。薄膜的淀積速率與射頻功率、氣體流量、反應(yīng)室壓力和射頻頻率有關(guān)。

上述反應(yīng)中SiH4的流量為110sccm，NH3的流量為66sccm，N2流量為3600sccm，反應(yīng)腔體溫度為400℃，腔體壓力為4.6T，射頻頻率為13.56MHz。

3 龜裂現(xiàn)象的產(chǎn)生

按照上述工藝條件，氮化硅薄膜會(huì)有兩個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生，一是片面顏色深黃，如圖1所示。二是薄膜產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象，如圖2所示。

片面發(fā)黃、龜裂現(xiàn)象的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響了氮化硅在鈍化工藝中的使用，而龜裂現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于氮化硅的應(yīng)力過(guò)大而造成，測(cè)試氮化硅的應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，其應(yīng)力為344.0MPa。

圖1 氮化硅薄膜片面正常與深黃（下部深色硅片部分）比較

圖2 氮化硅在IC鈍化層中龜裂現(xiàn)象

圖3 氮化硅應(yīng)力分布區(qū)域

圖中深灰色部分為應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域，在此區(qū)域的芯片基本如圖2所以，產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象。

4 影響PE氮化硅薄膜質(zhì)量的因素及龜裂消除措施

隨著研究的進(jìn)展，工藝人員發(fā)現(xiàn)如果SiH4／NH3流量比的增加，氮化硅薄膜中Si／N原子比逐漸增加。當(dāng)SiH4／NH3流量比大于0.4，即薄膜中Si／N原子比超過(guò)0.9時(shí)，薄膜呈富Si態(tài)；SiH4／NH3流量比在0.1-0.2時(shí)，薄膜中Si／N原子比為0.7-0.85，最接近于氮化硅薄膜標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比，此時(shí)氮化硅薄膜有較小內(nèi)應(yīng)力。這是由于氮化硅薄膜中Si、N原子含量影響的結(jié)果。當(dāng)?shù)璞∧さ慕Y(jié)構(gòu)致密且無(wú)冗余的Si或N原子時(shí)，薄膜內(nèi)應(yīng)力很小，如同體型氮化硅材料。當(dāng)薄膜的缺陷或空洞較多時(shí)，富裕的Si或N原子就會(huì)填充到空洞中，對(duì)空洞周圍的薄膜分子產(chǎn)生擠壓力，致使薄膜呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)。所以，選擇合適的沉積工藝條件制作出接近標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比的氮化硅薄膜，就可以達(dá)到減小氮化硅薄膜內(nèi)應(yīng)力的目的，從而消除龜裂現(xiàn)象。

另外，工藝人員通過(guò)純HF腐蝕氮化硅發(fā)現(xiàn)，HF酸液上會(huì)有一層黃色的粉末漂浮在上面。這種現(xiàn)象也表明，氮化硅中富硅現(xiàn)象嚴(yán)重，所以在HF酸液上才會(huì)有黃色粉末產(chǎn)生，而導(dǎo)致富硅現(xiàn)象的原因是SiH4的流量過(guò)大而造成。

工藝人員緊接著進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證SiH4／NH3比例對(duì)氮化硅薄膜的影響。我們?cè)O(shè)計(jì)的試驗(yàn)是SiH4依次為70sccm、80sccm、90sccm、110sccm、130sccm，其他工藝條件不改變，具體的試驗(yàn)數(shù)值如表1所示。

表1 硅烷流量變化實(shí)驗(yàn)

通過(guò)重復(fù)此試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。如果硅烷采用130sccm流量，薄膜的片面深黃，通過(guò)顯微鏡觀察，龜裂現(xiàn)象非常嚴(yán)重，依次減小硅烷的流量為110sccm，片面發(fā)黃和龜裂得到改善，但是不能去除。而綜合比較90sccm、80sccm、70sccm的流量發(fā)現(xiàn)，后兩種工藝不僅由于硅烷氣體的流量減小而生長(zhǎng)速率降低，折射率也開始偏小，偏離了標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比的氮化硅薄膜。因此通過(guò)上述反復(fù)的工藝實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了發(fā)黃、龜裂問題是硅烷流量引起的，而從生長(zhǎng)速率、折射率、片面等綜合參數(shù)考慮，確定SiH490sccm的流量為最佳工藝，可以消除氮化硅片面發(fā)黃、龜裂等現(xiàn)象，并制作出優(yōu)良的氮化硅薄膜。

5 結(jié)束語(yǔ)

影響氮化硅薄膜質(zhì)量的發(fā)黃、龜裂問題一直是困擾著其作為絕緣層、鈍化層使用的不利因素。作者經(jīng)過(guò)研究分析，優(yōu)化工藝，最終確定PECVD氮化硅的工藝條件為：SiH4（90sccm）＋NH3（66sccm）＋N2（3600sccm）＝Si3N4＋等離子團(tuán)，工藝腔體溫度為400℃，工藝腔體壓力為4.6T，射頻功率為650W，射頻頻率為13.56MHz。從檢驗(yàn)氮化硅薄膜質(zhì)量的應(yīng)力、折射率、生長(zhǎng)速率、片面等多方面參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，制作出高質(zhì)量的氮化硅薄膜，成功解決了氮化硅龜裂等問題。

［1］高廷仲.介質(zhì)膜淀積工藝（第一版）［M］.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1982-11..

［2］關(guān)旭東.化學(xué)氣象淀積（第一版）［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2003-10.

［3］孫承松.薄膜技術(shù)及應(yīng)用［M］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，1998.

Research of Silicon Nitride Thin Film Cracking in Technical Process PECVD

XU Heng，LIN Hong-chun，TANG Dong
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

PE silicon nitride film，because of its excellent physical and chemical properties，is widely used in discrete semiconductor devices and IC circuit as an insulating layer and the passivation layer.However，the problem of silicon nitride cracking affects it used as the passivation layer，so the scientific process conditions should be kept to ensure the quality of the silicon nitride film.The paper presents the principle of a plasma chemical vapor deposition（PECVD）silicon nitride thin film，finds the reason of the nitrogen-induced silicon cracking，and optimizes the process conditions to prevent from cracking of the silicon nitride for good passivation layer.

Plasma chemical vapor deposition；Silicon nitride thin film；Cracking；Passivation

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.007

TN305.95

：A

：1002-2279（2014）04-0021-03

徐衡（1986-），男，遼寧沈陽(yáng)人，助理工程師，主研方向：肖特基二極管。

2014-01-08