CN105070644A - 低应力氮化硅薄膜的成长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低应力氮化硅薄膜的成长方法，包括采用等离子体增强化学气相沉积的步骤，该步骤中包括(1)在反应腔体内提供半导体衬底；(2)调整反应腔体内的沉积温度和调整反应腔体内的反应压力，该反应温度为750～800℃，该反应压力为150～250mT；(3)在反应腔体内通入反应气体DCS和NH3，DCS与NH3的体积比为6～0.8，在所述半导体衬底上沉积氮化硅薄膜。该方法所得氮化硅薄膜应力低于1GPa且大于150MPa，同时符合MEMS产品的结构需求，该方法薄膜的生产温度低，对低压力化学气相沉积法(LPCVD)所用炉管的损害小、耗能低、且应力减小的效果明显，适用于规划化生产。

Description

低应力氮化硅薄膜的成长方法
技术领域
本发明涉及一种半导体用膜材料的制备，尤其涉及一种低应力氮化硅薄膜的成长方法，属于半导体器件加工领域。
背景技术
氮化硅薄膜具有许多优良特性，如对可动离子(Na+)的阻挡能力强、结构致密、针孔密度小、呈疏水性、化学稳定性好、介电常数大等，是一种在半导体、微电子学和微机电系统(MEMS)领域广泛应用的膜材料。当氮化硅薄膜应用于MEMS加工领域，其薄膜应力在表面微机械加工技术中十分重要，过高的应力会导致MEMS结构的翘曲、断裂。
现有氮化硅薄膜的加工工艺主要通过在高温沉积条件下调节淀积温度和DCS(二氯硅烷)/NH3比例两个主要参数来实现生长低应力氮化硅薄膜，现有工艺通常采用的沉积温度一般在800～850℃，DCS/NH3比例为约0.75。当采用上述现有工艺进行沉积时，其生长温度高、对低压力化学气相沉积法(LPCVD)所用炉管的损害大、耗能高、且应力减小的效果有限，其沉积所得的氮化硅薄膜的应力通常大于1GPa。在LPCVD系统中，工艺温度高对设备损害大，且能耗高，通过提高反应温度来制备低应力膜，可调温度区间小，应力减小效果有限，因此在实际应用中采用温度来调节stress的方法不适用于规模生产。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种低应力氮化硅薄膜的成长方法，该方法在低温成膜的前提下，采用调整反应气体DCS与NH3的体积比来生成低应力氮化硅薄膜，该薄膜应力低于1GPa且符合MEMS产品的结构需求。
本发明的技术方案是：
一种低应力氮化硅薄膜的成长方法，包括采用等离子体增强化学气相沉积的步骤，该步骤中包括(1)在反应腔体内提供半导体衬底；(2)调整反应腔体内的沉积温度和调整反应腔体内的反应压力，该反应温度为750～800℃，该反应压力为150～250mT；(3)在反应腔体内通入反应气体DCS和NH3，DCS与NH3的体积比为6～0.8，在所述半导体衬底上沉积氮化硅薄膜。
其进一步的技术方案是：
选择DCS与NH3的气体体积比时，根据氮化硅薄膜最终的应力要求，在DSC与NH3的体积比例为6-0.8的区间内选择对应的比例，在此区间内当氮化硅薄膜的应力要求越小，则选取的比例值越接近6。
沉积所得氮化硅薄膜的应力小于1GPa且大于150MPa。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明所述方法在低温成膜时，选择合适的沉积温度750～800℃，合适的反应压力150～250mT，调整参与反应的反应气体DCS与NH3的体积比来生成低应力氮化硅薄膜，该薄膜应力低于1GPa且大于150MPa，同时符合MEMS产品的结构需求，该方法薄膜的生产温度低，对低压力化学气相沉积法(LPCVD)所用炉管的损害小、耗能低、且应力减小的效果明显，适用于规划化生产。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明具体实施例中所述三因素三水平正交实验的实验结果图；
图2是本发明具体实施例中DCS/NH3比例与沉积所得氮化硅薄膜应力对应关系图。
具体实施方式
下面结合附图1附图2及具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本具体实施例采用三因素三水平正交实验选择对氮化硅薄膜应力影响最大的工艺条件。本具体实施例中选用氮化硅沉积温度(Temp)、DCS:NH3体积比(GasRatio)和反应压力(Press)作为三个因素，其中Temp的三个水平依次为750℃、780℃和800℃，GasRatio的三个水平依次为0.25、4和6，Press的三个水平依次为150mT、200mT和250mT，所考察的项目为氮化硅薄膜的应力(FilmStress)/MPa，氮化硅薄膜的均匀度(THKNu)/％，氮化硅薄膜的厚度(THK)/A。该三因素三水平正交实验进行的各实验结果如图1所示，由该图中Temp纵列可以看出，当温度选择750℃、780℃和800℃时，第一栏中氮化硅薄膜的应力范围变化很小，在800～900MPa间，说明沉积温度对氮化硅薄膜应力影响不大；同时从第二栏和第三栏中可以看出，沉积温度对氮化硅薄膜的均匀性(2.2～2.6％)和厚度(2460～2500A)的影响均不大。由该图中GasRatio纵列可以看出，当DCS:NH3体积比选择0.25、4和6时，氮化硅薄膜的应力变化范围很大，从约1200Mpa降至约300MPa，说明反应气体的比例对氮化硅薄膜的应力影响较大；此时氮化硅薄膜的均匀性改变范围为2％～3％，氮化硅薄膜厚度为2410～2500A，当气体比例达到4时，厚膜突然增加至2490，此时膜均匀性和膜厚变化均不大，说明反应压力对二者的影响不大。由该图Press纵列可以看出，当反应压力为150mT、200mT和250mT时，氮化硅薄膜的应力变化为从900MPa降至约600MPa，应力变化并不显著，说明反应压力对氮化硅薄膜的应力影响不大；此时膜的均匀性从2.5％升至2.6％再降至2.2％，膜厚从2470A降至2440A再升至2500A，膜均匀性和膜厚变化均不大，说明反应压力对二者的影响不大。由上可以看出，在保证一定的氮化硅薄膜均匀性和厚度的基础上，对化学气相沉积法生长氮化硅薄膜工艺中，在750～800℃的温度区间内，通过调节沉积温度和反应压力来改变氮化硅薄膜应力的效果并不明显，而是与参与反应的气体比例紧密相关，因此下面选择合适的气体比例(DCS:NH3)做进一步的实验。
根据上述正交实验的结果，选择已知的、符合本发明工艺条件的氮化硅薄膜的沉积温度和反应压力进行实验选择合适的DCS与NH3的比例。选择气体比例时，根据氮化硅薄膜最终的应力要求，在DSC与NH3的体积比例为6-0.8的区间内选择对应的比例，在此区间内当应力要求越小，则选取的比例值越接近6。该具体实施例中选择的合适的沉积温度和反应压力，采用不同的DCS与NH3的体积比，分别为DCS/NH3＝0.2、DCS/NH3＝0.8、DCS/NH3＝4、DCS/NH3＝5、DCS/NH3＝6，具体实验结果参见图2所示。由图2可知，当DCS/NH3之间的比例为5～6时，所得氮化硅薄膜的应力降低至200MPa及以下，此时的应力最低；当DCS/NH3在0.8～5之间，氮化硅薄膜的应力呈直线关系迅速降低，其应力均能达到小于1GPa，且同时能够满足MEMS产品的结构需求；而在DCS/NH3为0.2～0.8之间时，虽然随着比例的增大，应力有所减小，但仍然大于1000MPa(即1GPa)。
本发明装置保证在相对较低的沉积温度下，通过调节主反应气体的比例，实现了所要求的低应力氮化硅薄膜的沉积，且同时保证了氮化硅薄膜的均匀性和厚度，以及能够满足MEMS产品的结构需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种低应力氮化硅薄膜的成长方法，包括采用等离子体增强化学气相沉积的步骤，其特征在于：该步骤中包括(1)在反应腔体内提供半导体衬底；(2)调整反应腔体内的沉积温度和调整反应腔体内的反应压力，该反应温度为750～800℃，该反应压力为150～250mT；(3)在反应腔体内通入反应气体DCS和NH3，DCS与NH3的体积比为6～0.8，在所述半导体衬底上沉积氮化硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的低应力氮化硅薄膜的成长方法，其特征在于：选择DCS与NH3的气体体积比时，根据氮化硅薄膜最终的应力要求，在DSC与NH3的体积比例为6-0.8的区间内选择对应的比例，在此区间内当氮化硅薄膜的应力要求越小，则选取的比例值越接近6。
3.根据权利要求1或2所述的低应力氮化硅薄膜的成长方法，其特征在于：沉积所得氮化硅薄膜的应力小于1GPa且大于150MPa。
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