CN109576677A - 一种利用等离子体增强原子层沉积可控制备不同氧含量的SiON薄膜的方法 - Google Patents

一种利用等离子体增强原子层沉积可控制备不同氧含量的SiON薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用等离子体增强原子层沉积可控制备不同氧含量SiON薄膜的方法。本发明利用等离子体增强原子层沉积PEALD制备技术，通过使用前驱体四（二甲氨基）硅烷作为硅源，N2与O2等离子体作为氮源和氧源。将其同时通入反应腔体，通过调控N2与O2反应气体的流量比，在基底上实现氧含量精确可控的高质量SiON薄膜生长。相比其他传统的物理或化学镀膜方法，本发明制备方法生长温度低、简易高效，不仅可以实现SiON薄膜中氧氮含量的精确调控，而且可以达到生长的薄膜厚度原子量级可控和大面积的均匀性。本发明制备的氧含量可调控的SiON薄膜在传感器、光电探测、微电子器件等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种利用等离子体增强原子层沉积可控制备不同氧含量的 SiON薄膜的方法
技术领域
本发明涉及微纳电子学及氮氧化合物半导体器件制备技术领域，更具体的说，涉及一种利用等离子体增强原子层沉积可控制备不同氧含量的SiON薄膜的方法。
背景技术
氮化硅（SiNX）薄膜是一种多功能材料，被广泛应用于传感器、光电探测、微纳电子学等领域。由于其具有良好的绝缘性和抗水汽渗透能力，且能有效阻止Na、P、B等杂质的扩散，因此在微电子工业里氮化硅薄膜通常被用于扩散阻挡层、绝缘层、机械保护层以及硅选择性氧化的掩膜。此外，和许多氮化物一样，氮化硅薄膜还具有很强的抗钝化能力，能同时起到减反射和钝化作用，因而自1981年开始，氮化硅薄膜被引入到太阳电池的制造工艺中，并得到迅速发展。
目前比较常见的SiNx以及SiON薄膜生长主要基于传统的化学气相沉积（CVD）、磁控溅射以及热原子层沉积（T-ALD）法。化学气相沉积（CVD）、磁控溅射法生长很难实现SiON薄膜含氧量和厚度的精确调控。而热原子层沉积（T-ALD）法制备SiON薄膜需要在复杂的气氛和苛刻的温度条件下进行，否则很容易导致生长的SiON薄膜氧含量偏高，且生长速率极其缓慢，这带来了该材料的成产成本问题。如果能够实现SiON薄膜中氧含量的精确可控，对于调控SiON薄膜的特性至关重要，同时对于定性研究特定氧含量的SiON薄膜的光电特性和器件特性具有重要的指导意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、制备成本相对低廉且氧含量精确可调的利用等离子体增强原子层沉积（PEALD）大面积生长并有效调控SiON薄膜氧含量的方法，以获得富氧SiON薄膜或富氮SiON薄膜。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是同时通入N2与O2等离子体反应源，通过改变反应气体N2与O2流量比来实现对SiON薄膜氧含量的控制。本发明的技术方案具体介绍如下。
本发明提供一种利用等离子体增强原子层沉积可控制备不同氧含量的SiON薄膜的方法，其采用等离子体增强的原子层沉积（PEALD）PEALD方法制备SiON薄膜，硅源前驱体为四（二甲胺基）硅烷（TDMAS），氧源和氮源分别是O2和N2；将N2与O2同时通入反应腔室，调节电源功率使两种气体同时产生等离子体，然后通过改变通入腔体的N2与O2的流量比，调配反应腔室生长温度以及TDMAS通入反应腔室的时间，从而实现对SiON薄膜中氧含量的调控。具体步骤如下：
a. 在以惰性气体为载气的反应腔室内放入衬底；
b. 在反应腔室内通入前驱体TDMAS；
c. 用惰性气体对衬底表面进行吹扫，吹扫除去多余的前驱体TDMAS；
d. 在反应腔室内同时通入O2与N2等离子体源，与吸附在衬底表面的前驱体TDMAS发生反应；
e. 用惰性气体对衬底表面进行吹扫，吹扫多余的等离子体O2与N2；
f. 步骤b, c, d, e被依次循环执行多次，以形成预定厚度的SiON薄膜；其中：
步骤b中，通入TDMAS的时间为1~4秒；
步骤d中，等离子体通入的时间为10-60秒，气体总流量为100 sccm，等离子体的功率为50-300W。
优选的，步骤a, c和e中，惰性气体均为Ar气。
优选的，反应腔室内的生长温度为200℃~300℃。
优选的，反应腔室内的真空度为1-4 mbar。
优选的，步骤c，e中，惰性气体通入的时间为2-10秒。
优选的，步骤d中，O2与N2气体流量比为1:9~1:99。
优选的，步骤f中，循环执行100~1000次。
优选的，步骤f中，SiON薄膜的厚度为 1~50 nm。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种等离子体增强原子层沉积（PEALD）可控制备不同氧含量的SiON薄膜方法，其优势在于可以制备超薄的SiON薄膜（1~50 nm），对SiON薄膜的氧含量能进行有效调控：通入的O2与N2气体流量比为1：9时，SiON薄膜中氧含量为40%-65%；通入的O2与N2气体流量比为1：19时，SiON薄膜中氧含量为20%-30%；通入的O2与N2气体流量比为1：99时，SiON薄膜中氧含量为5%-15%。并且可重复性强，成品率高，对于其衍生器件制备带来了便利。
附图说明
图1 本发明所用的等离子体增强原子层沉积（PEALD）制备SiON薄膜工艺示意图。
图2是实施例中制得的SiON薄膜的X射线光电子能谱图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例对本发明的内容进行详细描述。
本发明提供了一种利用等离子体增强原子层沉积(PEALD)调控SiON薄膜氧含量的方法，主要步骤包括反应前驱体的吸附，Ar吹扫，N2与O2等离子体同时通入腔体，Ar吹扫，上述过程可以经过多次循环形成高质量的SiON薄膜。而SiON薄膜的氧含量主要通过通入前驱体N2/O2的流量比进行调控。下面具体描述本发明的优选实例。
实施例：氧含量20-30%的SiON薄膜的制备
第一步骤，准备单晶Si基底样品：所述样品为晶圆尺寸为100 cm2，单面抛光，由严格半导体RCA工艺清洗后得到并经预刻蚀，样品由晶圆片切割成1.5 cm × 1.5 cm方形片，再经过5%氢氟酸水溶液浸泡2 min除去表面氧化层。
第二步骤，氧含量大约20-30%的SiON薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
a. 在以惰性气体为载气的反应腔室内放入清洗好的衬底；
b. 在所述反应腔室内通入前驱体TDMAS 4秒；
c. 用惰性气体对衬底表面进行吹扫，吹扫去多余的前驱体，吹扫时间5秒；
d. 在所述反应腔室内同时通入O2与N2等离子体40秒，与吸附在衬底表面的前驱体发生在反应，O2与N2等离子体气体流量比为1：19；
e. 用惰性气体对衬底表面进行吹扫，吹扫去多余的等离子体氧气，吹扫时间10秒；
上述工艺在反应腔室温度为250℃时开始进行；
上述工艺在反应腔室真空度为1-4 mbar时进行；
上述工艺中作为载气和用于吹扫的惰性气体均为Ar气；
上述步骤b中通入的前驱体TDMAS为液态源，源温度为20℃；
上述步骤d中通入的O2与N2的总流量是100 sccm，流量比为1：19，等离子体的功率为200 W；循环步骤b-e 500次可以得到厚度为8 nm的SiON薄膜。
以X射线光电子能谱法（XPS）测定上述SiON薄膜的氧含量约为27%，如图2所示；
在这种实施方式中，步骤b-e的循环次数可以更改以获得不同厚度的SiON薄膜，以PEALD获得高质量的SiON薄膜，而且上述步骤都可以Beneq TFS 200 ALD上通过同一个制程实现。
实施例2
其它实施条件同实施例1，区别在于，步骤d中，O2与N2的总流量是100 sccm，流量比为1：9；循环步骤b-e 500 次，得到厚度为25 nm的SiON薄膜。
以X射线光电子能谱法（XPS）测定上述SiON薄膜的氧含量约为51 %。
实施例3
其它实施条件同实施例1，区别在于，步骤d中，O2与N2的总流量是100 sccm，流量比为1：99；循环步骤b-e 500 次，得到厚度为5 nm的SiON薄膜。
以X射线光电子能谱法（XPS）测定上述SiON薄膜的氧含量约为12 %。

Claims (9)

1.一种利用等离子体增强原子层沉积可控制备不同氧含量的SiON薄膜的方法，其特征在于，采用等离子体增强的原子层沉积（PEALD）方法制备SiON薄膜，硅源前驱体为四（二甲胺基）硅烷TDMAS，氧源和氮源分别是O2和N2；将N2与O2同时通入反应腔室，调节电源功率使两种气体同时产生等离子体，然后通过改变通入腔体的N2与O2的流量比，调配反应腔室生长温度以及TDMAS通入反应腔室的时间，从而实现对SiON薄膜中氧含量的调控。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，具体步骤如下：
a. 在以惰性气体为载气的反应腔室内放入衬底；
b. 在反应腔室内通入前驱体TDMAS；
c. 用惰性气体对衬底表面进行吹扫，吹扫除去多余的前驱体TDMAS；
d. 在反应腔室内同时通入O2与N2等离子体源，与吸附在衬底表面的前驱体TDMAS发生反应；
e. 用惰性气体对衬底表面进行吹扫，吹扫多余的等离子体O2与N2；
f. 步骤b, c, d, e被依次循环执行多次，以形成预定厚度的SiON薄膜；其中：
步骤b中，通入TDMAS的时间为1~4秒；
步骤d中，等离子体通入的时间为10-60秒，气体总流量为100 sccm，等离子体的功率为50-300W。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤a, c和 e中，惰性气体均为Ar气。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：反应腔室内的生长温度为200℃~300℃。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：反应腔室内的真空度为1-4 mbar。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤c，e中，惰性气体通入的时间为2-10秒。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤d中，O2与N2气体流量比为1:9~1:99。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤f中，循环执行100~1000次。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤f中，SiON薄膜的厚度为 1~50 nm。
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