刘瑞文等:用PECVD制备高抗腐蚀性能SiN 薄膜的工艺研究 用PECVD制备高抗腐蚀性能SiNz薄膜的工艺研究 刘瑞文,焦斌斌,欧 毅,陈大鹏 (中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室,北京100029) 摘 要: 研究了一种可抗高温强碱溶液腐蚀的氮化 硅薄膜的等离子增强化学气相淀积(PECVD)生长工 艺。通过X射线光电子能谱(XPS)、椭圆偏振仪、湿法 2 实验方法 实验选用4英寸p型(100>硅片为衬底,电阻率7 ~腐蚀等手段分析了所生长薄膜的元素含量、折射率、抗 腐蚀特性等性质随淀积工艺条件的改变所产生的变 13Q・em,经常规半导体清洗工艺对硅片进行清洗, 化。制备出的氮化硅薄膜可在高温强碱溶液(70℃、 33.3 KoH溶液)中支撑12h而无明显变化,并实现 用PECVD淀积氮化硅薄膜,设备选用中科院微电子 研究所PECVD,型号为plasma II。淀积过程中频率 固定为158kHz,压力恒为53.329Pa,Nz为5.1 mL/ 自支撑全镂空薄膜。 关键词: 等离子增强化学气相淀积(PECVD);SiN 薄膜;湿法腐蚀 中图分类号:TB321 文献标识码:A min,腔体内温度恒为270℃,改变RF功率和比例,生 长时间为10min,具体工艺条件如表1、2所示,制备得 到不同样品。淀积完成后,分别用膜厚仪和椭圆偏振 文章编号:1001-9731(2010)11-1907—04 仪测量各样品薄膜厚度和折射率,用XPS分析薄膜成 分,然后在33.3 的K0H腐蚀溶液,70℃的恒温条件 下腐蚀1h,腐蚀完成后,用去离子水进行清洗,氮气吹 干,再次用膜厚仪测量出腐蚀后的薄膜厚度,记录测量 结果。 1 引 言 氮化硅由于其良好的机械和电学性质被广泛地应 用于微电子、光电子和微机电系统(MEMS)等领域。 在MEMS领域中,氮化硅薄膜除了作为结构材料、敏 感材料外[1 ],最大的应用就是作为湿法腐蚀的掩蔽 层 ]。 表1 不同功率条件下制备薄膜的工艺参数 Table 1 Process parameters under different RF power 片号 RF功率 (W) A B# C# D 硅烷 45 45 45 45 氨气 49 49 49 49 压力 生长时间 (min) 10 1O 10 10 (mL/min) (mL/min) (Pa) 53.329 53.329 53.329 53.329 氮化硅薄膜常用的制备方法有:蒸发L8]、RF磁控 170 19O 210 230 溅射 ]、低压化学气相淀积LPCVD或等离子体增强 化学气相淀积PECVD r1仉“ 等。蒸发、溅射方法所制 备的氮化硅薄膜质地疏松、致密性差,现已很少使用。 E 238 45 49 53.329 10 LPCVD方法可制备出致密度好、低应力的高质量氮化 硅薄膜,因此被用作抗碱腐蚀氮化硅薄膜的常规制备 方法I1 。但是采用LPCVD的方法淀积氮化硅薄膜 时的沉积温度太高(一般高于1000K),这使得很多含 有温度敏感材料或结构的芯片无法耐受这个过程。而 PECVD是一种低温技术,这一优点使该方法可以为 已经制备有特殊敏感材料或者标准CMoS电路的芯 片上淀积具有抗腐蚀能力的氮化硅薄膜,从而实现一 些特殊的传感器件与电路的芯片级集成[1 州。 PECVD工艺由于工作真空度低,所淀积出的氮化 硅薄膜通常都含有氧、氢等元素,再加上等离子体对薄 F G Z5O 26O 45 45 49 49 53.329 53.329 10 10 表2不同气体流量比下制备薄膜的工艺参数 Table 2 Process parameters under different Sil4/ NH3 片号 SiH /NH。 RF功率 压力 生长时间 (W) (Pa) 53.329 (min) 1O 1 O.61 238 2 3# O.673 O8 .238 238 53.329 53.329 10 1O 4 5# 6 7# 8 9 lO o.9 1 1.942 2.934 3.44 4.53 4.81 238 238 238 238 238 238 238 53.329 53.329 53.329 53.329 53.329 53.329 53.329 1O 1O 1O 1O 1O 1O 1O 膜的轰击所产生的表面缺陷等问题[1 ,制备出的氮化 硅薄膜致密性较差往往难以承受高温强碱溶液的腐 蚀[1 。。]。本文通过研究PECVD淀积氮化硅薄膜的功 率与气体流量比等关键条件,摸索出了制备高致密度、 可抗高温强碱腐蚀的氮化硅薄膜制备工艺。 *根据腐蚀前后所测量的薄膜厚度计算出腐蚀速 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA04Z323) 收到初稿日期:2010—03—12 收到修改稿日期:2010—09—15 通讯作者:焦斌斌 作者简介:刘瑞文(1968--),男,内蒙古呼和浩特人,在读硕士,师承陈大鹏研究员,主要从事红外焦平面阵列研制及关键工 艺研究。 1908 助 财 料 2010年第1i期(41)卷 c.Ec、3— co一 西o△o凸 率。在腐蚀过程中,为了保持实验样品的其它条件和 上也反映材料的结构和致密度。通常情况下其它条件 环境相同,我们将所有试验样品同时放入同一K0H 溶液中进行腐蚀。 3实验结果与讨论 3.1 RF功率对氮化硅薄膜的影响 相同功率不同时,主要是影响淀积速率,进而影响到薄 膜的致密度,导致折射率和腐蚀速率的变化,此时折射 率和腐蚀速率向相反方向变化。对于同种材料,薄膜 越致密,折射率越大,腐蚀速率越小。对于本实验,我 们观察到的实验结果为折射率和腐蚀速率向相同方向 变化。因氮化硅薄膜的折射率和在碱液中腐蚀速率均 此实验研究了功率从170W增加到Z60W时对薄 膜性能的影响。图1给出了淀积速率与RF功率关系 图。从图中看出,随着功率升高,淀积速率逐渐增大。 随Si含量的增加而增大,所以本实验观察到的结果应 主要由薄膜内各原子含量的不同所引起。PECVD反 这是因为当功率升高时,真空腔中的单位体积内的电 应非常复杂,据文献报道,这种现象是由于si—H键 子平均能量提高,这些高能电子通过碰撞使得等离子 体中反应活性粒子数增加,反应粒子数增加了,自然也 引起了淀积速率的增加。 Fig 1 Variation of deposition rate as a function of RF power 图2给出了折射率和腐蚀速率与RF功率关系变 化折线图。从图2中看出,折射率和腐蚀速率的变化 趋势基本相同,随着功率的增大,折射率和腐蚀速率均 先增大后减小,接着再增大。当RF功率从170W增 大到210W时,腐蚀速率从12.2nm/h增加到27.7nm/ h,折射率也从2.2167增大到2.2599,当功率为210W 时,折射率和腐蚀速率达到最大值,分别为0.22599和 27.7nm/h。此后开始下降,RF功率在238W时,折射 率减小到最小值为2.0495,腐蚀速率则继续减小,直 到功率250W时减到最小值,为10.3nm/h,此后开始 增大,当功率为260W时,折射率增加到2.2202,腐蚀 速度增加到21.9nm/h。 图2 腐蚀速率折射率与RF功率关系图 Fig 2 Etching rate and refractive index as a function of RF power 折射率可以直接反映材料的结构和致密度,腐蚀 速率不仅可以反映材料的类型和成分,而且一定程度 的键能与N—H键的键能不同,通过功率的变化,引起 各键的破裂情况不同,最后造成薄膜内Si、N原子含量 以及H的含量不同,最后造成折射率和腐蚀速率的变 化[19,213,对于各薄膜内H含量,可通过FT—IR测量计 算得到 。 理想的氮化硅薄膜的折射率约在2.0左右,此时 Si、N比例接近0.75。所以本实验通过不同功率下得 到的腐蚀速率和折射率的综合结果,我们最终选择功 率为238W条件下研究气体流量比对薄膜的影响。 3.2气体流量比对氮化硅薄膜的影响 图3为淀积速率随气体流量比的变化关系图。从 图3中看出,当SiH /NH。从0.61增加到0.9时,淀 积速率从13.9nm/min增加到18.3nm/min,此后开始 降低,直到SiH /NH。为1.942时,淀积速率减小到极 小值,为14.7nm/min,此后随着气体流量比的增大而 增加,直到SiH /NH。为4.81时,淀积速率增大到 18.5nm/min。 圭1 C 童1 舌1 量 g1 △ 吕1 图3 淀积速率与气体流量比关系图 Fig 3 Variation of deposition rate as a function of SiH4/NH3 ratio 对于淀积速率增加,主要由于等离子效应使得活 性离子分解,从而为淀积SiN 薄膜提供了足够的原材 料,使得淀积工艺持续进行[233。而淀积速率减小,主 要由于当淀积速率达到一个临界值后,腔内充裕的活 性离子相互碰撞、相互作用影响了SiN.的淀积,所以 出现了淀积速率的减小。 图4给出折射率和腐蚀速率随气体流量比关系 图。对于9、10 样品,在腐蚀过程中我们发现,在腐蚀 30min后出现大量气泡,说明此时SiN 薄膜已被腐蚀 透,开始腐蚀体硅。从图4看出,折射率和腐蚀速率均 随着SiH /NH。的增加而增大,当SiH /NH。从0.61 刘瑞文等:用PECVD制备高抗腐蚀性能SiN 薄膜的工艺研究 增加到4.81时,折射率只在开始阶段有微小的下降, 然后开始一直增大,最小值为2.0010,最大值则达到 了3.1134;腐蚀速率则一直增大,从3.8nm/h增大到 359.2nm/h。 Fig 5 Si,N atom concentration as a function of SiH4/ NH3 ratio 从图5的XPS分析结果看出,随着Sil /NH。从 图 0.8增加到3.44时,薄膜内Si的含量逐渐升高,而N Fig 4 Etching rate and refractive index as a function 的含量降低,薄膜内si、N原子含量比Si/N从最初的 0f SiH4/NH3 ratio 1.265增大到2.841。Si含量的增加,导致折射率和在 对于上述实验结果,主要是由于形成的SiN 薄膜 KOH溶液中的腐蚀速率增大,验证了上述得到的腐蚀 内富硅所引起,随着Sil /NH。的增加,薄膜内Si的 研究结果。 含量逐渐升高 弘],随着Si含量的升高,薄膜的折射 率和在KOH溶液中的腐蚀速率都增大。XPS分析验 4 抗KOH溶液腐蚀的SiN 全镂空自支撑薄 证了此结果,表3和图5给出了样品XPS分析结果。 膜的制备 表3样品XPS分析Si、N含量 通过研究PECVD工艺条件对SiN 薄膜性能的 Table 3 Si,N atom concentration as a function of 影响,我们得到制备具有抗高温强碱腐蚀的SiN 薄膜 SiH4/NH3 ratio 时PECVD的工艺条件为:Sill /NH。为0.6,N 为5. 片号 SiH4/NH3 Si含量( ) N含量( ) Si/N 1mI /rain,压力53.329Pa,射频频率158kHz,功率 3 0.8 38.14 30.15 1.265 238W,此条件下淀积的氮化硅薄膜在33.3 的K0H 4# O.9 4O.94 27.40 1.49416 5 1 41.58 21.97 1.89258 溶液中,7O℃的腐蚀速率只有3.8nm/h。在此工艺条 6 1。942 44.84 23.76 1.8872 件下,我们通过湿法腐蚀释放,制备出具有强抗碱腐蚀 7# 2.934 44.57 18.48 2.4118 性能的自支撑全镂空氮化硅薄膜,如图6所示。 8 3.44 46.76 16.46 2.841 雷 冒 圈si 口SiN (3)背面全镁空 图6 SiN 自支撑全镂空薄膜显微镜图 Fig 6 Microscope images of self_supporting and full—hollow SiN thin film 自支撑全镂空氮化硅薄膜制备的主要工艺步骤 SiN 薄膜。 为:(1)PECVD方法双面淀积SiN 薄膜,正面厚度 从显微镜图中看出,薄膜出现褶皱现象比较严重, 1 m,制作自支撑薄膜,背面淀积500.Onto,用作湿法 这是由于薄膜内压应力较大所引起的。采用Toho 腐蚀的掩模;(2)背面光刻体刻蚀窗,ICP背面刻蚀 Technology公司的应力测试仪FI X一2320对所生长的 SiN ,形成矩形窗口;(3)在7O℃,33.3 的KOH溶 液背面腐蚀体硅,直到全镂空,释放得到具有自支撑的 氮化硅薄膜进行了测试,结果为~584MPa。应力测试 结果与全镂空白支撑薄膜所表现出的褶皱相符。关于 1910 开展。 助 材 科 2010年第11期(41)卷 如何制作出平整白支撑薄膜的工艺还有待后续工作的 Technol,2005,12(137—142):138—14O. [12]陈大鹏,叶甜春,谢常青,等.[J].半导体学报,2001,22 (12):1529. 5 结 论 通过研究PECVD不同射频功率和气体流量比等 工艺参数对SiN 薄膜抗碱腐蚀性能的影响,借助折射 [133 Chou Bruce C S,et a1.[J].IEEE Electron Device Let— ters,1997,18(12):599-60i. [14]Tuantranont A,Liew Li—Anne,Bright V M,et a1.[J]. Sensors and Actuators A,2001,89(124—134):125—126. 率测量、XPS分析以及湿法腐蚀等手段,获得制备抗高 温强碱溶液腐蚀的高性能SiN 的工艺条件,并将此条 件下制备的SiN 薄膜成功运用到湿法腐蚀的掩蔽层, 最终实现了自支撑全镂空SiN 薄膜。 [15]Soumik Ghosh,Magdy Bayoumi.On Integrated CMOS- MEMS System-on—Chip.0-7803—8935—2/05/¥20.oo 2005 IEEE. [16]Takao H,lehikawa T,Nakata T,et a1.Post—cmos Inte— gration Technology of Thick・—film Soimems Devices U—- 参考文献: sing Micro Bridge Interconnections.978—1—4244—1793—3/ [1] Kim D H,oh K S,Park S.[J].Journal of Mechanical Sci— o8/¥25.oo 2008 IEEE:359—360. enee and Technology,2009,23:1537. 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SiN thin film with high corrosion—resistance has been deposited,the thin film can endure 12h in high—tempera— ture alkaline solution(70℃,33.3%KOH solution)without significant change,and accomplish se】f supporting and full-hollow thin film finally. Key words:PECVD;silicon nitride thin film;wet etching