CN110684966A - 一种pecvd方式生长致密薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PECVD方式生长致密薄膜的方法，首先是通过PECVD方式沉积介质薄膜后，采用惰性气体轰击上述介质薄膜的方式增加薄膜致密性；所述惰性气体选自氩气（Ar）、氦气（He）、氙气（Xe）、氖气（Ne）、氢气（H2）、氮气（N2）或以上气体的任意组合。本发明通过一种沉积加轰击的循环模式生长致密薄膜，首先通过PECVD方式沉积介质薄膜，然后利用惰性等离子体进行轰击上述薄膜，将薄膜上结合不牢固的基团、吸附分子、氢原子等轰掉并通过热台提供的热能和惰性气体提供的等离子能量修复薄膜的悬挂键，从而增强薄膜致密性。

Description

一种PECVD方式生长致密薄膜的方法
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种PECVD生长致密薄膜的方法。
背景技术
等离子体增强化学气相沉积（PECVD, Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition）是微纳加工中的关键工艺，承担着生长薄膜的重要作用。PECVD利用射频电源为反应源提供能量产生等离子体，反应源运动衬底表面成核，核继续生长成薄膜。目前，PECVD射频电源多采用单频（13.56MHz）设计，也有基于双频（13.56MHz和400kHz）等多频高端设计方式，其中，单频电源为反应源提供产生等离子体能量；双频电源既为反应源提供产生等离子体能量，也为等离子体自身提供能量，所以双频镀出来薄膜会有很好的致密性，但其机台成本也很高。一般要提高薄膜致密性，热台的温度提供重要的贡献，一般400℃以上可以保证较高致密的介质薄膜，如氮化硅、氧化硅等。随着科技技术的发展，现在很多器件需要低温镀膜（<300℃），如磁存储器（MRAM）、磁传感器（TMR/GMR）、III-V衬底和基于有机基板的。这些器件并不兼容高温工艺（>300℃），所以对预算成本非常有限的高校、研究所来说如何用现有的单频PECVD机台调出致密薄膜是一个重要难题之一，如果作为保护层的介质薄膜不够致密，很多磁学器件因无法阻挡水和氧会失效。
发明内容
针对现有单频PECVD制备薄膜不够致密的技术问题，本发明利用PECVD采用沉积加轰击循环的方法制备出高致密薄膜。
为实现上述有益效果，本发明采用以下技术方案：
一种PECVD方式生长致密薄膜的方法，首先是在通过PECVD方式沉积介质薄膜后，采用惰性气体轰击上述介质薄膜的方式增加薄膜致密性；
所述惰性气体选自氩气（Ar）、氦气（He）、氙气（Xe）、氖气（Ne）、氢气（H2）、氮气（N2）或以上气体的任意组合。
进一步地，所述介质薄膜的厚度为0.2-20nm。
进一步地，所述介质薄膜可以为氮化硅（SiN）、氧化硅（SiO）、非晶硅（α-Si)、氮氧化硅（SiON）、碳化硅（SiC）或氮碳化硅（SiCN）。
进一步地，所述惰性气体的轰击功率高于所述单频PECVD工艺的沉积功率。
进一步地，所述惰性气体的轰击时间为1-200s。
进一步地，所述惰性气体的流量范围为100-10000 sccm。
进一步地，所述工艺压强为100-10000 mTorr。
进一步地，所述轰击功率为10~3000 W。
进一步地，所述工艺温度为100~450℃。
进一步地，薄膜沉积与惰性气体轰击为一个循环，所以可以增减循环次数控制待沉积薄膜厚度。
有益效果：本发明通过一种循环模式，首先通过PECVD方式沉积介质薄膜，然后利用惰性等离子体进行轰击上述薄膜，将薄膜上结合不牢固的基团、吸附分子、氢原子等轰掉并通过热台提供的热能和惰性气体提供的等离子能量修复薄膜的悬挂键，从而增强薄膜致密性。
附图说明
图1为本发明中采用惰性气体轰击介质薄膜的示意图，其中，A为Ar＋轰击薄膜示意图、B为介质薄膜经Ar＋轰击后示意图、1为Si衬底、2为介质薄膜、3为Ar＋离子。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明提供了一种PECVD方式生长致密薄膜的方法，具体包括以下步骤：
首先，在衬底上生长0.2-20nm介质薄膜，如氮化硅（SiN）、氧化硅（SiO）、非晶硅（a-Si)、氮氧化硅(SiON)、碳化硅(SiC)、氮碳化硅（SiCN）；
把沉积气体抽空，通入轰击气体使压强稳定并同于工艺压强，轰击气体一般选择非反应气体，首选惰性气体（非薄膜沉积气体），可以是氩气（Ar）、氦气（He）、氙气（Xe）、氖气（Ne）、氢气（H2）、氮气（N2）的一种或者是它们之间的任意组合；
其次，用惰性气体在同一工艺压强、温度下，在比沉积工艺高一点的功率下轰击，1~200s，去掉不牢固的基团、吸附分子、氢原子等和加固前的薄膜结构，如图1所示；
结束轰击以后，抽空非反应气体，再次通入薄膜沉积气体，循环上述生长-轰击过程。
本发明通过一种沉积加轰击的循环模式生长致密薄膜，首先通过PECVD方式沉积介质薄膜，然后利用惰性等离子体进行轰击上述薄膜，将薄膜上结合不牢固的基团、吸附分子、氢原子等轰掉并通过热台提供的热能和惰性气体提供的等离子能量修复薄膜的悬挂键，从而增强薄膜致密性。
下面以生长SiN薄膜为例，说明PECVD生长加轰击生长模式制备致密薄膜的方法。
实施例1
PECVD腔体中通入30 sccm SiH4、125 sccm NH3、1000 sccm N2反应气体，热台温度保持250℃，腔体压力设置为1600 mTorr，待腔压稳定，开启射频源RF，RF功率设置75W，保持5s。接着通入1000 sccm Ar，腔压设置为1600 mTorr，待腔压稳定后，开启射频源RF，RF功率设置300W，保持20s，实现一个循环薄膜的生长。
根据一个循环生长薄膜的厚度，设置总循环数来控制薄膜的厚度。
根据实施1所述，参考菜单1，沉积膜厚35nm SiN薄膜需要沉积加轰击7个循环，在23℃下1/100 dHF（49wt%HF水溶液：去离子水=1：100（体积比）的成分混合而成）对薄膜的湿法腐蚀速度（验证致密性的最直接方法）为7~9nm/min。参考菜单2，只沉积无轰击，生长SiN薄膜在上述同样条件下的腐蚀溶液中对薄膜的湿法腐蚀速度为18~20nm/min。采用沉积加轰击方式生长出来的SiN致密性（薄膜耐腐蚀性）要好于仅沉积无轰击生长方式，也说明沉积加轰击方式生长出来的SiN薄膜致密性相对会好很多。

Claims (10)

1.一种PECVD方式生长致密薄膜的方法，其特征在于：通过PECVD方式预沉积介质薄膜后，再采用惰性气体轰击上述介质薄膜的方式增强薄膜致密性；
所述惰性气体选自氩气、氦气、氙气、氖气、氢气、氮气或以上气体的任意组合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预沉积的介质薄膜的厚度为0.2-20nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述介质薄膜可以为氮化硅、氧化硅、非晶硅、氮氧化硅、碳化硅或氮碳化硅。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述惰性气体的轰击功率高于所述PECVD工艺的沉积功率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述惰性气体的轰击时间为1-200s。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述惰性气体的流量范围为100-10000sccm。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述工艺压强为100-10000 mTorr。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述轰击功率为10~3000 W。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述工艺温度为100~450℃。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：PECVD方式预沉积与惰性气体轰击为一个循环，可以增减循环次数控制待沉积薄膜厚度。
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