氮化矽薄膜的製造方法

2023-12-05 23:26:41

氮化矽薄膜的製造方法
【專利摘要】本發明公開一種氮化矽薄膜的製造方法，包括在350℃以下的環境溫度中通入矽烷、氨氣以及氮氣，以生成並沉積形成氮化矽薄膜的步驟，其中通入矽烷的速率為300~350sccm、通入氨氣的速率為1000sccm、通入氮氣的速率為1000sccm；高頻源功率為0.15~0.30KW，低頻源功率為0.15~0.30KW；反應壓力為2.3~2.6Torr；反應持續時間為4~6s。上述氮化矽薄膜的製造方法給出了低溫條件下生成低應力氮化矽薄膜的較佳參數範圍以及優選的參數，實現了低溫條件下的低應力氮化矽薄膜的製造，能夠更好地滿足需要低應力氮化矽薄膜的場合。
【專利說明】氮化矽薄膜的製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體工藝，特別是涉及一種氮化矽薄膜的製造方法。
【背景技術】
[0002]SIN (SiNx，氮化矽)薄膜具有高介電常數、高絕緣強度和漏電低等優良的性能，廣 泛應用於微電子工藝中作為鈍化、隔離和電容介質等。另外SIN膜還具有優良的機械性能 和良好的穩定性。
[0003]通常SIN薄膜的應力控制在10(T200MPa。在微電子機械系統(MEMS)或其他特殊 工藝澱積SIN薄膜時，則需要更低應力的SIN薄膜，例如0±50MPa。
[0004]多數化學氣相沉積(CVD)方法所製得的SIN膜都存在機械應力較大的問題，尤其 是低壓化學氣相沉積(LPVD)，SIN膜厚只能澱積300nm左右，超過300nm薄膜就會開裂，甚
至脫落。
[0005]等離子增強化學氣相澱積(PECVD) SIN薄膜的應力情況較LPVD好一些，但是受各 種工藝條件的影響較大。影響的因素包括溫度、氣體流量比以及反應壓力等。
[0006]傳統的消除PECVD工藝的SIN膜應力的方法是採用兩套頻率不同的功率源來消除 應力差異。高頻源頻率約幾十MHz，低頻源約幾十到幾百KHz。因為低頻等離子產生壓縮應 力，高頻等離子產生張應力，通過調節高頻源和低頻源的功率比，使兩個功率源交替工作， 可以使壓縮應力和張應力相互抵消，從而減小或消除應力。
[0007]但是在一些機臺中，在其他某些工藝條件要滿足特定要求的情況下，單純通過調 節高頻源和低頻源的功率比例不能很好地減小應力，即不論將高頻源和低頻源的功率調節 成何種比例，都無法進一步將應力降低到特定的要求。
[0008]特別地，在N0VELLUS Cl機臺上沉積SIN薄膜時，通常都要在低溫(350°C以下)條 件下進行，此時單靠調節高低頻功率源的功率的做法已經不能滿足要求。

【發明內容】

[0009]基於此，有必要提供一種在350°C以下的低溫條件下製造±50MPa以內應力的氮 化矽薄膜的製造方法。
[0010]一種氮化矽薄膜的製造方法，包括在350°C以下的環境溫度中通入矽烷、氨氣以及 稀釋氣體，以生成並沉積形成氮化矽薄膜的步驟，通入矽烷的速率為30(T350SCCm、通入氨 氣的速率為IOOOsccm ;高頻源功率為0.15?0.30KW，低頻源功率為0.15?0.30KW ;反應壓力 為2.3?2.6Torr ;反應持續時間為4?6s。
[0011]在其中一個實施例中，所述環境溫度為300°C。
[0012]在其中一個實施例中，通入矽烷的速率為340sccm、通入氨氣的速率為IOOOsccm ； 高頻源功率為0.18KW、低頻源功率為0.25KW ;反應壓力為2.6Torr ;反應持續時間為5s。
[0013]在其中一個實施例中，所述稀釋氣體為氮氣。
[0014]在其中一個實施例中，通入氮氣的速率為lOOOsccm。[0015]上述氮化矽薄膜的製造方法給出了低溫條件下生成低應力氮化矽薄膜的較佳參 數範圍以及優選的參數，實現了低溫條件下的低應力氮化矽薄膜的製造，能夠更好地滿足 需要低應力氮化矽薄膜的場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為一種PECVD澱積機臺的結構簡圖；
[0017]圖2為一實施例的氮化矽薄膜製造方法對應的壓力-應力折線圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖和實施例對氮化矽薄膜的製造方法進行進一步說明。
[0019]本實施例的氮化矽薄膜的製造方法基於等離子增強化學氣相沉積(PECVD)，在 PECVD的工藝中，涉及對溫度、氣體流量、反應壓力以及功率源的高頻功率和低頻功率的調 控，使得氮化矽薄膜具有較低的應力，本實施例中，是使氮化矽薄膜具有±50MPa的低應 力。
[0020]如圖1所示,是一種PECVD澱積機臺的結構簡圖。該澱積機臺10包括反應腔110、 進氣管道120、功率源130、氣壓控制器140以及溫度調節器150等等。
[0021]待處理的晶圓20放置在基底30上並一起置於反應腔110中。通過溫度、氣壓和 功率調節，在反應腔110中形成氮化矽生成的環境。
[0022]通過進氣管道120可通入各種反應氣體，具體在本實施例中，反應氣體包括矽烷 (SiH4)和氨氣(NH3),並且採用氮氣(N2)作為稀釋氣體。圖1中的進氣管道120為示意圖， 實際上的進氣管道應該至少包括上述三種氣體的通氣管道和氣體混合腔體等。
[0023]功率源130採用一定比例的高頻功率和低頻功率生成等離子體。
[0024]氣壓控制器140以及溫度調節器150分別對反應腔110的氣壓和溫度進行調節和 控制。
[0025]根據實驗及理論，PECVD工藝的SIN應力跟工藝條件如溫度、氣體流量、反應壓力 等有著密切的關係，反映在澱積的膜本身的物理參量上為膜的含H量、折射率、Si/N比以及 緻密性等。
[0026]本實施例中，要求在350 °C，特別地，是在300°C的低溫條件下，生成應力為 ±50MPa以內的氮化矽薄膜。由於在低溫條件下SiH4的反應活性下降得比NH3更為厲害， 相比以往的高溫反應條件，參數的調節方向變得難以預測。
[0027]本實施例以N0VELLUS Cl機臺為例，給出在低溫條件下生成上述低應力的氮化矽 薄膜的較佳參數範圍以及優選參數。
[0028]具體是:
[0029]通入矽烷的速率為30(T350sccm、通入氨氣的速率為lOOOsccm、通入氮氣的速率 為 IOOOsccm ；
[0030]高頻源功率為0.15?0.30KW,低頻源功率為0.15?0.30KW ；
[0031 ] 反應壓力為2.3?2.6Torr ；
[0032]反應持續時間為4?6s。
[0033]其中sccm是半導體工藝中的常用單位，意為標況毫升每分，即常溫常壓下每分鐘的毫升數，是氣體通入的速率單位。Torr是氣壓單位，即毫米萊柱。每Torr為1.33MPa,
2.3?2.6Torr 即為 3.06?3.46MPa。
[0034]優選地:
[0035]通入矽烷的速率為340sccm、通入氨氣的速率為lOOOsccm、通入氮氣的速率為 IOOOsccm ；
[0036]高頻源功率為0.18KW、低頻源功率為0.25KW ；
[0037]反應壓力為2.0Torr ；
[0038]反應持續時間為5s。
[0039]參考圖2，是在通入矽烷的速率為340sccm、通入氨氣的速率為lOOOsccm、通入氮 氣的速率為lOOOsccm ;高頻源功率為0.18KW、低頻源功率為0.25KW時的壓力-應力折線圖。
[0040]可以看到在反應壓力為2.3?2.6T0rr時，所得到的氮化矽薄膜的應力較小，在
2.6Torr時達到最小,而超過2.6Torr之後會迅速增大。
[0041]雖然通過考察SIN薄膜應力單獨與溫度、氣體流量、反應壓力以及高低頻功率比 的關係，可以了解調節各項參數時的應力變化的大致趨勢，然而具體到機臺中時，其菜單的 調節可能受到各種因素的影響。多種因素相互作用將會使得工藝條件的選取變得難以預 測，而且在調節中，應力變化趨勢還可能出現反轉，這會使得應力難以達到要求。
[0042]上述實施例中給出了低溫條件下生成低應力氮化矽薄膜的較佳參數範圍以及優 選的參數，實現了低溫條件下的低應力氮化矽薄膜的製造，能夠更好地滿足需要低應力氮 化矽薄膜的場合。
[0043]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並 不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保 護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種氮化矽薄膜的製造方法，包括在350°C以下的環境溫度中通入矽烷、氨氣和稀 釋氣體，以生成並沉積形成氮化矽薄膜的步驟，其特徵在於，通入矽烷的速率為30(T350sccm、通入氨氣的速率為IOOOsccm ；高頻源功率為0.15?0.30KW，低頻源功率為0.15?0.30KW ；反應壓力為2.3?2.0Torr ；反應持續時間為4?6s。
2.根據權利要求1所述的氮化矽薄膜的製造方法，其特徵在於，所述環境溫度為 300。。。
3.根據權利要求1所述的氮化矽薄膜的製造方法，其特徵在於，通入矽烷的速率為340sccm、通入氨氣的速率為IOOOsccm ；高頻源功率為0.18KW、低頻源功率為0.25KW ；反應壓力為2.6Torr ；反應持續時間為5s。
4.根據權利要求1至3任一項所述的氮化矽薄膜的製造方法，其特徵在於，所述稀釋氣 體為氮氣。
5.根據權利要求4所述的氮化矽薄膜的製造方法，其特徵在於，通入氮氣的速率為 1000sccmo
【文檔編號】H01L21/205GK103578937SQ201210266307
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月30日 優先權日:2012年7月30日
【發明者】李展信 申請人:無錫華潤上華半導體有限公司