CN107749394A - 一种氮化硅薄膜制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氮化硅薄膜制备方法，其中包括：步骤一、提供衬底，并在衬底上生长满足预设N/Si含量比的氮化硅；步骤二、对满足预设N/Si含量比的氮化硅进行高温退火；步骤三、在高温退火处理后的氮化硅中体注入低原子数杂质；步骤四、对体注入低原子数杂质后的氮化硅进行低温退火。本发明能够获得低原子数、低应力、高抗腐蚀性的氮化硅薄膜。

Description

一种氮化硅薄膜制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件材料技术领域，尤其涉及一种氮化硅薄膜制备方法。
背景技术
氮化硅是一种物理、化学性能优良的介质膜，具有高致密性、高介电常数、绝缘性能良好、机械强度高、热稳定性好、易加工制备等特点，因此，氮化硅被广泛应用于微电子集成电路器件、微机电系统器件的保护膜、耐磨抗蚀涂层、表面钝化、层间绝缘、结构支撑等处。
在现有技术中，氮化硅薄膜的制备有多种方式，例如低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、电子回旋共振(ECR)等薄膜制备方式，不同制备方法和生长条件形成的氮化硅薄膜的组成成分含量、应力类型与大小、薄膜抗腐蚀能力等性能各不相同。在微机电系统器件中，氮化硅通常需要被释放成镂空的薄膜，因此需要应力低、抗腐蚀。在现有氮化硅薄膜制备工艺中，只有低压化学气相沉积法(LPCVD)生长的低应力氮化硅薄膜满足要求，其它方法生长的氮化硅容易因应力较大起皱或破裂，或者因抗腐蚀性较差在释放成镂空薄膜时被腐蚀。
但是，目前通过低压化学气相沉积法(LPCVD)生长的低应力氮化硅均为富硅型氮化硅，即：SiNx，其中x＜1.33。由于富硅型氮化硅的组成成分及各组分含量难以调节，原子数较高，无法进一步从材料方面实现器件优化。因此，亟需设计一种氮化硅薄膜制备方法，能够突破现有技术只能通过低压化学气相沉积法(LPCVD)沉积富硅型氮化硅以达到薄膜低应力、高抗蚀性的局限，从氮化硅薄膜材料本身出发，提高氮化硅薄膜的成膜可控性和稳定性，从而实现器件的性能优化。
发明内容
本发明提供的氮化硅薄膜制备方法，针对现有技术的不足，从氮化硅材料的组成出发，解决了现有技术中低应力、高抗蚀性能的氮化硅薄膜只能通过LPCVD淀积富硅型氮化硅而实现的技术问题。
本发明提供一种氮化硅薄膜制备方法，其中包括：
步骤一、提供衬底，并在所述衬底上生长满足预设N/Si含量比的氮化硅；
步骤二、对所述满足预设N/Si含量比的氮化硅进行高温退火；
步骤三、在所述高温退火处理后的氮化硅中体注入低原子数杂质；
步骤四、对所述体注入低原子数杂质后的氮化硅进行低温退火。
可选地，上述步骤一中满足预设N/Si含量比的氮化硅为具有化学当量比的氮化硅或富氮型氮化硅，即：SiNx，其中x≥1.33。
可选地，上述步骤一使用PECVD或LPCVD生长所述满足预设N/Si含量比的氮化硅。
可选地，上述步骤二中高温退火的退火温度不低于650℃。
可选地，上述步骤二中使用30分钟及以上炉管退火或1分钟及以上快速热退火方式进行所述高温退火。
可选地，上述步骤三中体注入的所述低原子数杂质的注入能量不低于15KeV。
可选地，上述步骤三中体注入的所述低原子数杂质的注入剂量范围在1×1013cm-2到1×1017cm-2之间。
可选地，上述步骤三中体注入的所述低原子数杂质为硼、碳或氮。
可选地，上述步骤四中所述低温退火的退火温度不高于650℃。
可选地，上述步骤四使用30分钟及以上合金退火、30分钟及以上炉管退火或1分钟及以上快速热退火进行所述低温退火。
本发明提供的氮化硅薄膜制备方法，通过生长满足化学当量比的氮化硅或富氮型氮化硅以及高温退火、体注入掺杂、低温退火等工艺，能够获得低原子数、低应力、高抗腐蚀性的氮化硅薄膜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一实施例提供的氮化硅薄膜制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一个实施例提供一种氮化硅薄膜的制备方法，如图1所示，所述氮化硅薄膜的制备方法包括四个步骤。其中：
在步骤S101中，首先提供衬底材料，例如硅衬底。随后采用化学气相沉积法(CVD)在上述例如硅衬底的衬底材料上生长满足化学当量比的氮化硅或者富氮型氮化硅。具体的，化学气相沉积法(CVD)包括等离子增强化学气相沉积(PECVD)和低压化学气相沉积(LPCVD)。典型的，满足化学当量比的氮化硅或富氮型氮化硅为SiNx，其中x≥1.33。特别的，满足化学当量比的氮化硅或富氮型氮化硅的薄膜厚度范围为5nm-5μm。
具体地，满足化学当量比的氮化硅或富氮型氮化硅是通过调节反应气体比例实现的，生成氮化硅的反应气体包括含氮类气体和含硅类气体。其中，含氮类包括但不限于例如氮气、氨气等；含硅类气体包括但不限于例如硅烷、二氯二氢硅等。特别的，含氮类气体与含硅类气体的流量比不小于10：1。
典型地，满足化学当量比的氮化硅或者富氮型氮化硅应力不小于200MPa，在温度为80℃、浓度为33％的KOH溶液中，腐蚀速率通常不小于3nm/h。
进一步的，为了提高经过步骤S101处理的氮化硅的机械强度，在步骤S102中对氮化硅进行高温退火。
具体的，高温退火的退火温度不低于650℃。高温退火的退火方式包括但不限于炉管退火、快速热退火等，其中，炉管退火的高温退火时间不少于30min，快速热退火的高温退火时间不少于1min。
典型地，高温退火后的氮化硅应力不小于200MPa，并且会出现略微波动。但氮化硅的硬度典型地可比退火前的氮化硅硬度提高1-10GPa。
为了进一步降低氮化硅的应力以及原子数，在步骤S103中，利用体注入在氮化硅中掺入具有低原子数的杂质。
具体的，体注入是注入能量不低于15KeV的离子杂质，典型的，杂质具有小于硅元素的低原子数，包括但不限于硼、碳或氮等。体注入的离子注入剂量范围在1×1013cm-2到1×1017cm-2。
典型地，进行低原子数杂质体注入后的氮化硅应力范围在-200MPa到200MPa之间。经过步骤S103的氮化硅在温度为80℃、浓度为33％的KOH中腐蚀速率不小于5nm/h。
为了进一步消除体注入损伤、增强材料密度、提高抗腐蚀性，在步骤S104中，对经过步骤S103处理的氮化硅进行低温退火。
具体的，低温退火的退火温度不高于650℃。低温退火的退火方式包括合金退火、炉管退火和快速热退火，其中，合金退火的低温退火时间不少于30min，炉管退火的低温退火时间不少于30min，快速热退火的低温退火时间不少于1min。
典型地，低温退火后的氮化硅应力范围可维持在-200MPa到200MPa之间，会出现略微波动。在温度为80℃、浓度为33％的KOH中腐蚀速率能不大于3nm/h。
本发明实施例提供的氮化硅薄膜的制备方法，通过生长满足化学当量比的氮化硅或者富氮型氮化硅，使得氮化硅具有低原子数；再通过高温退火提高氮化硅机械强度；又通过在氮化硅中体注入具有低原子数的杂质，调整原子数并进一步降低材料应力；最后通过低温退火，使氮化硅材料在保持低应力的情况下，消除注入损伤增强材料密度，提高抗腐蚀性。
本发明实施例提供的氮化硅薄膜的制备方法，既拓展了氮化硅薄膜的加工手段，又丰富了能镂空成膜的氮化硅薄膜类型，能够使得最终制备的氮化硅薄膜具有原子数低、应力低、抗腐蚀性良好等特点，从而有效提高微电子及微机电器件的性能。尤其适用于将氮化硅薄膜作为透射电子显微镜进行液体或气体观测用的密闭腔室材料，提高观测分辨率；或作为结构层，应用于太赫兹成像器件中，增强工艺可控性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种氮化硅薄膜制备方法，其特征在于，包括：
步骤一、提供衬底，并在所述衬底上生长满足预设N/Si含量比的氮化硅；
步骤二、对所述满足预设N/Si含量比的氮化硅进行高温退火；
步骤三、在所述高温退火处理后的氮化硅中体注入低原子数杂质；
步骤四、对所述体注入低原子数杂质后的氮化硅进行低温退火。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中满足预设N/Si含量比的氮化硅为具有化学当量比的氮化硅或富氮型氮化硅，即：SiNx，其中x≥1.33。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一使用PECVD或LPCVD生长所述满足预设N/Si含量比的氮化硅。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二中高温退火的退火温度不低于650℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二中使用30分钟及以上炉管退火或1分钟及以上快速热退火方式进行所述高温退火。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中体注入的所述低原子数杂质的注入能量不低于15KeV。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中体注入的所述低原子数杂质的注入剂量范围在1×1013cm-2到1×1017cm-2之间。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中体注入的所述低原子数杂质为硼、碳或氮。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤四中所述低温退火的退火温度不高于650℃。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤四使用30分钟及以上合金退火、30分钟及以上炉管退火或1分钟及以上快速热退火进行所述低温退火。
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