CN103871867A - 一种低应力氮化硅薄膜的形成方法 - Google Patents

一种低应力氮化硅薄膜的形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低应力氮化硅薄膜的形成方法。本发明先利用等离子体增强化学气相方法(PECVD)淀积氮化硅；再利用紫外光照射(UV cure)去除氮化硅薄膜中的氢(H)，形成新的高拉应力的Si-N键，产生高拉应力膜；接着利用传统的PECVD方法淀积剩余氮化硅薄膜，且不作紫外光照射处理，形成压应力膜；并利用此两种应力膜的相互抵消，制作低应力氮化硅薄膜。本发明的方法克服了现有技术中所存在的缺陷，通过性质相近、但是应力相反的普通薄膜的简单叠加，改善原先陡峭的应力梯度，从而有效地控制所述氮化硅薄膜的应力，制备出内应力较低的低应力氮化硅薄膜，不仅提高了薄膜的工作性能，而且不需要额外沉积应力缓冲膜，降低了原料成本，提高了半导体器件的稳定性。

Description

一种低应力氮化硅薄膜的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体器件薄膜制造领域，特别涉及一种低应力氮化硅薄膜的形成方法。
背景技术
氮化硅薄膜是广泛应用于集成电路中的薄膜材料，它具有高的介电常数、可靠的耐热抗腐蚀性能和优异的机械性能，可以保护芯片免受外界腐蚀性物质的侵蚀和机械损伤。近来，氮化硅薄膜也被用在集成电路封装工艺中作为引线和压焊区的保护层以及传感器芯片中的钝化层，而在微电子机械系统中，氮化硅薄膜也得到了广泛的应用。
现有技术通常采用等离子增强化学气相淀积(简称PECVD)方法沉积氮化硅薄膜。PECVD是一种射频辉光放电的物理过程和化学反应相结合的技术，在沉积腔室中通以一定量的高纯氨气及一定浓度的硅烷，调控沉积腔室内气体的压力，在射频源产生的高频电场的激发下，气体产生高能电子和活性离子（等离子体），由于高能电子的有效碰撞，有关的化学键被打开，然后通过重新结合后淀积在衬底表面上，这样即在较低的温度下完成了相应的化学反应，淀积形成了氮化硅薄膜。由于PECVD工艺具有淀积温度低、淀积膜针孔密度小、均匀性好、台阶覆盖性好等优点，因此PECVD氮化硅薄膜沉积技术在半导体器件和集成电路的研制中，得到广泛重视和应用。但是，氮化硅薄膜在制备过程中，难以避免产生本征应力，使氮化硅薄膜处于某种应力状态：当氮化硅薄膜处于过大的拉应力状态时，就会引起开裂；处于过大的压应力状态时，会引起褶皱或剥落。这些应力问题会削弱氮化硅薄膜原有的绝缘、钝化、密封效果，从而影响器件的稳定性或导致芯片失效，因此需要降低氮化硅薄膜的应力。现有技术通常选择淀积应力缓冲膜，比如250nm左右的SiO2薄膜，来降低氮化硅薄膜的应力，但是这种方法不仅会导致工艺成本的增加，而且会使氮化硅薄膜的杨氏模量和硬度等力学性能减弱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低应力氮化硅薄膜的形成方法，解决了现有技术形成的氮化硅薄膜应力较大，影响半导体器件稳定性的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种低应力氮化硅薄膜的形成方法，包括以下步骤：
（1）提供半导体衬底；
（2）采用等离子体增强化学气相沉积方法，在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，在所述半导体衬底上沉积一层具有压应力的第一氮化硅薄膜；
（3）在所述第一氮化硅薄膜沉积完成后，将所述半导体衬底移至紫外光照射装置的腔体中，对所述第一氮化硅薄膜进行紫外光照射，将所述第一氮化硅薄膜转变为具有高拉应力的氮化硅薄膜；
（4）采用等离子体增强化学气相沉积方法，继续在沉积腔中通入SiH4和NH3反应气体，在所述第一氮化硅薄膜上沉积一层具有压应力的第二氮化硅薄膜，形成复合的双层膜结构。
采用等离子体增强化学气相沉积方法沉积氮化硅薄膜时，受沉积温度、气体压力、气体组成和射频频率等沉积条件的影响，氮化硅薄膜的应力可以在几千兆帕的压应力到几千兆帕的张应力间变化，比如在较高温度或高频下沉积的薄膜具有张应力，而在低温或低频的条件下沉积的薄膜具有压应力。本发明的方法通过沉积条件的控制，首先在半导体衬底上沉积一层压应力的第一氮化硅薄膜，然后通过紫外线照射工艺，利用紫外线的光子能量使所述第一氮化硅薄膜中的SiH键和NH键打开，相邻断裂键中的氢原子相结合形成分子形式的氢气，氢气从所述第一氮化硅薄膜中扩散出来，从而在所述第一氮化硅薄膜中形成新的高拉应力的Si-N键，使其从压应力的氮化硅薄膜转变为具有高拉应力的氮化硅薄膜；然后在所述高拉应力的第一氮化硅薄膜上沉积一层压应力的氮化硅薄膜，利用此两种应力膜的相互抵消来降低整体氮化硅薄膜的应力，制作出低应力氮化硅薄膜，从而提高半导体器件的稳定性，防止晶圆破片。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，步骤（2）中，沉积所述第一氮化硅薄膜的条件为：所述半导体衬底温度为250～450℃；所述SiH4流量为20～200sccm，所述NH3流量为50～300sccm；射频功率为500～2000W。
进一步，步骤（3）中，采用波长范围为320-400nm的紫外光至少一次照射的方法，所述紫外光照射时间共为5～20min；所述紫外光照射的照射温度范围为300℃～400℃。
进一步，步骤（4）中，沉积所述第二氮化硅薄膜的条件为：所述半导体衬底温度为250～450℃；所述SiH4流量为20～200sccm，所述NH3流量为50～300sccm；射频功率为1000～3000W。
进一步，紫外光照射前的所述第一氮化硅薄膜的应力范围为-100～-300MPa。
进一步，紫外光照射后的所述第一氮化硅薄膜的应力范围为50～400MPa。
进一步，所述第二氮化硅薄膜的应力范围为-100～-300MPa。
进一步，所述复合的双层氮化硅薄膜的平均应力范围为-50～100MPa。
本发明的有益效果是：本发明先利用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)氮化硅；再利用紫外光照射(UV cure)去除氮化硅薄膜中的氢(H)，形成新的高拉应力的Si-N键，产生高拉应力膜；接着利用传统的PECVD淀积剩余氮化硅薄膜，且不作紫外光照射处理，形成压应力膜；并利用此两种应力膜的相互抵消，制作低应力氮化硅薄膜。本发明的方法克服了现有技术中所存在的缺陷，通过性质相近、但是应力相反的普通薄膜的简单叠加，改善原先陡峭的应力梯度，从而有效地控制所述氮化硅薄膜的应力，制备出内应力较低的低应力氮化硅薄膜，不仅提高了薄膜的工作性能，而且不需要额外沉积应力缓冲膜，降低了原料成本，适合大规模产业化生产。
附图说明
图1为本发明低应力氮化硅薄膜的形成方法的流程图；
图2a～2d为本发明低应力氮化硅薄膜的形成过程的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本实施例低应力氮化硅薄膜的形成方法的流程图，图2a～2d为本实施例低应力氮化硅薄膜形成过程的结构示意图，如图1所述，所述低应力氮化硅薄膜的形成方法，包括以下步骤：
S101提供半导体衬底1，如图2a所示。
S102采用等离子体增强化学气相沉积方法，在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，在所述半导体衬底1上沉积一层具有压应力的第一氮化硅薄膜2，如图2b所示；优选的，本实施例中，沉积所述第一氮化硅薄膜2的条件为：所述半导体衬底温度为300℃；所述SiH4流量为100sccm，所述NH3流量为200sccm，射频功率为1000W；所述沉积的第一氮化硅薄膜2的厚度为10nm～5000nm，具体沉积厚度根据工艺要求进行选择，沉积时间越长，沉积厚度越厚。经椭偏仪和应力仪测试出，所述沉积的第一氮化硅薄膜的应力为压应力，压应力为-200MPa，以下应力的数值中，负值表示压应力，正值表示拉应力。在其他实施例中，沉积所述第一氮化硅薄膜2的条件为：所述半导体衬底温度为250～450℃；所述SiH4流量为20～200sccm，所述NH3流量为50～300sccm，射频功率为500～2000W；所述第一氮化硅薄膜2厚度为10nm～5000nm，应力范围为-100～-300MPa。
S103在所述第一氮化硅薄膜2沉积完成后，将所述半导体衬底移至紫外光照射装置的腔体中，对所述第一氮化硅薄膜2进行紫外光照射，将所述第一氮化硅薄膜2转变为具有高拉应力的氮化硅薄膜3，如图2c所示；优选的，本实施例中，采用波长范围为320～400nm的紫外光4次照射，每次照射五分钟，所述紫外光照射的照射温度为350℃左右，经椭偏仪和应力仪测试，照射后的第一氮化硅薄膜3的应力为高拉应力，具体为300MPa。在其他实施例中，可以采用波长范围为320～400nm的紫外光至少一次照射的方法，所述紫外光照射时间共为5～20min；所述紫外光照射的照射温度范围为300℃～400℃，照射后的第一氮化硅薄膜3的应力范围为50～400MPa。
S104采用等离子体增强化学气相沉积方法，继续在沉积腔中通入SiH4和NH3反应气体，在所述高拉应力的第一氮化硅薄膜3上沉积一层具有压应力的第二氮化硅薄膜4，形成复合的双层膜结构，如图2d所示；优选的，本实施例中，沉积所述第二氮化硅薄膜4的条件为：所述半导体衬底温度为300℃；所述SiH4流量为100sccm，所述NH3流量为200sccm，射频功率为2000W；所述沉积的第二氮化硅薄膜4的厚度为10nm～5000nm，具体沉积厚度根据工艺要求进行选择，沉积时间越长，沉积厚度越厚。经椭偏仪和应力仪测试，所述第二氮化硅薄膜4的压应力为-100MPa。在其他实施例中，沉积所述第二氮化硅薄膜4的条件为：所述半导体衬底温度为250～450℃；所述SiH4流量为20～200sccm，所述NH3流量为50～300sccm，射频功率为1000～3000W；所述第二氮化硅薄膜4厚度为10nm～5000nm，应力范围为-100～-300MPa。本发明在计算沉积形成的双层氮化硅薄膜的平均应力值时，选用的曲率半径是平均值，同样在计算应力时采用平均薄膜衬底厚度，因此得到的应力也是整个双层氮化硅薄膜的平均应力，采用本发明的方法制备的氮化硅薄膜的应力较低，处于-50～100MPa范围以内。
本发明先利用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)氮化硅；再利用紫外光照射(UV cure)去除氮化硅薄膜中的氢(H)，形成新的高拉应力的Si-N键，产生高拉应力膜；接着利用传统的PECVD淀积剩余氮化硅薄膜，且不作紫外光照射处理，形成压应力膜；并利用此两种应力膜的相互抵消，制作低应力氮化硅薄膜。本发明的方法克服了现有技术中所存在的缺陷，通过性质相近、但是应力相反的普通薄膜的简单叠加，改善原先陡峭的应力梯度，从而有效地控制所述氮化硅薄膜的应力，制备出内应力较低的低应力氮化硅薄膜，不仅提高了薄膜的工作性能，而且不需要额外沉积应力缓冲膜，降低了原料成本，适合大规模产业化生产。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低应力氮化硅薄膜的形成方法，包括以下步骤：
（1）提供半导体衬底；
（2）采用等离子体增强化学气相沉积方法，在沉积腔中通入反应气体SiH4和NH3，在所述半导体衬底上沉积一层具有压应力的第一氮化硅薄膜；
（3）在所述第一氮化硅薄膜沉积完成后，将所述半导体衬底移至紫外光照射装置的腔体中，对所述第一氮化硅薄膜进行紫外光照射，将所述第一氮化硅薄膜转变为具有高拉应力的氮化硅薄膜；
（4）采用等离子体增强化学气相沉积方法，继续在沉积腔中通入SiH4和NH3反应气体，在所述第一氮化硅薄膜上沉积一层具有压应力的第二氮化硅薄膜，形成复合的双层膜结构。
2.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于：步骤（2）中，沉积所述第一氮化硅薄膜的条件为：所述半导体衬底温度为250～450℃；所述SiH4流量为20～200sccm，所述NH3流量为50～300sccm；射频功率为500～2000W。
3.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于：步骤（3）中，采用波长范围为320～400nm的紫外光进行至少一次照射，所述紫外光照射时间共为5～20min；所述紫外光照射的照射温度范围为300℃～400℃。
4.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于：步骤（4）中，沉积所述第二氮化硅薄膜的条件为：所述半导体衬底温度为250～450℃；所述SiH4流量为20～200sccm，所述NH3流量为50～300sccm；射频功率为1000～3000W。
5.根据权利要求1～4任一所述的形成方法，其特征在于：紫外光照射前的所述第一氮化硅薄膜的应力范围为-100～-300MPa。
6.根据权利要求1～4任一所述的形成方法，其特征在于：紫外光照射后的所述第一氮化硅薄膜的应力范围为50～400MPa。
7.根据权利要求1～4任一所述的形成方法，其特征在于：所述第二氮化硅薄膜的应力范围为-100～-300MPa。
8.根据权利要求1～4任一所述的形成方法，其特征在于：所述复合的双层氮化硅薄膜的平均应力范围为-50～100MPa。
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