一種應力可控型硅基薄膜的制備方法與流程

本發明涉及硅基薄膜的技術領域。

背景技術：

隨著傳統光學、信息光學、光和無線通訊的不斷擴展以及計算機技術、真空技術、光和微電子技術的飛速發展，薄膜光學器件以及薄膜電子器件得到了日益廣泛的應用，如在半導體器件中作為表面鈍化、金屬層隔離介質、電容器介質等材料使用的硅基薄膜。

不同的應用對硅基薄膜性能的要求不同，特別是對薄膜應力的要求不同，薄膜應力的性質和大小直接影響薄膜元器件的性能、成品率、穩定性和可靠性。故制備滿足不同應力要求的硅基薄膜對半導體器件而言是關鍵工藝之一。

目前常用且有效的調節硅基薄膜應力的方法之一是采用同時配置有高低頻射頻源的PECVD設備制備硅基薄膜，通常情況下高頻射頻源作用下所沉積的硅基薄膜呈現張應力，低頻射頻源作用下所沉積的硅基薄膜呈現壓應力，通過高低頻交替的過程，薄膜的應力由此實現張應力和壓應力之間的轉換。

目前常用且有效的調節硅基薄膜應力的另一種方法是選擇應力性質相反的兩種硅基薄膜進行組合，如氮化硅/氧化硅雙層膜，取得應力平衡，由此得到與器件相適的薄膜材料。之所以采用雙層膜或多層膜組合的方式，而非對單層膜進行厚度或形狀調整，是因與宏觀尺度材料不同，納米級范圍內的薄膜厚度變化和形狀調整對應力大小的影響非常有限，不能得到期望的效果。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種可在單頻射頻源的PECVD設備中制備得到的、單層膜即可在壓應力與張應力之間大范圍調整的、均勻性好、致密性高、成本低的硅基薄膜的制備方法。

本發明的技術方案如下：

一種應力可控型硅基薄膜的制備方法，其使用單頻PECVD設備通過化學氣相沉積法使原料氣體在襯底材料上沉積、生長，得到硅基薄膜，制備時在原料氣體中通入He和N₂。

在該技術方案中，He與N₂作為調節氣體加入，其中He在單頻PECVD設備中形成He等離子體，相對于其它常用惰性調節氣體而言，其具有更高的熱導率，提高了反應腔室直徑范圍內反應物和生成物熱分布的均勻性，同時N₂的加入調節了等離子體氣氛中的N₂⁺離子的分布，He的存在也進一步促進了N₂⁺離子的均勻分布，即兩者不僅獨立地具有調節硅基薄膜的成型質量的作用，同時相互間存在協同效應，通過共同作用增加了SiN_X薄膜中Si-N的結合能力，提高了薄膜的均勻性與致密性。

上述制備方法的一種實施方案為：所述N₂與He的流量比為0~10，不包括端點值0。

該實施方案對應硅基薄膜的應力要求，在該實施方案作用下，硅基薄膜的應力可調范圍為壓應力-1500Mpa~張應力2000Mpa，隨著流量比的進一步提高，張應力還可進一步提高。

其進一步的實施方案為：所述N₂與He的流量比為0~1，不包括端點值0。

該實施方案對應硅基薄膜的應力要求，在該實施方案作用下，硅基薄膜的應力可調范圍為壓應力-1500Mpa~張應力500Mpa。

所述應力可控型硅基薄膜的制備方法的另一種實施方案為：所述硅基薄膜為選自SiN薄膜、SiO₂薄膜、SiON薄膜中的一種或多種。

其進一步的實施方案為：所述原料氣體為選自SiH₄、NH₃、N₂O中的一種或多種。

可以理解的是，因本發明是以制備硅基薄膜為目的，上述原料氣體中至少應含有SiH₄。

所述應力可控型硅基薄膜的制備方法的另一種實施方案為：所述襯底材料為選自硅、砷化鎵、GaN、SiC、藍寶石中一種或多種。

本發明的技術方案在上述實施方案中，針對不同的襯底材料，均可得到在張應力與壓應力之間大范圍可調控的硅基薄膜，其并不因襯底材料的不同而只能得到單一應力性質的產品。

所述應力可控型硅基薄膜的制備方法的另一種實施方案為：所述硅基薄膜的沉積速率為20~35 nm/min。

在該實施方案中，硅基薄膜的沉積速率相對常規方法制備時更快，但得到的成品片內均勻性和致密性均表現優異。

所述應力可控型硅基薄膜的制備方法的另一種實施方案為：：所述單頻PECVD設備腔體內部真空壓力為500~3000mTorr，腔體內射頻功率為100~500W，腔體內溫度為230~350℃。

所述應力可控型硅基薄膜的制備方法的另一種實施方案為：通入N₂的流量為0~5000sccm，通入He的流量為0~5000sccm。

所述應力可控型硅基薄膜的制備方法的另一種實施方案為：所述單頻PECVD設備的頻率為13.56MHz~2.45GHz。

本發明的有益效果如下：

（1）可在單頻射頻源的PECVD中制備得到應力可控的硅基薄膜，大幅降低設備成本；

（2）所得硅基薄膜可在單層狀態下實現張應力與壓應力之間的轉換，大幅降低材料成本，提高材料應用范圍，提高材料應用率，減少制備成本；

（3）可在較高的沉積速率下制備得到均勻性好、致密性高的硅基薄膜，減少了生產周期，提高了生產效率，降低了生產成本；

（4）當N₂與He的流量比在0~10的范圍內時，制備得到的硅基薄膜的應力可調范圍至少為壓應力-1500Mpa~張應力2000Mpa；

（5）針對不同的襯底材料，均可制備得到能夠在壓應力與張應力之間轉換的硅基薄膜，降低了對襯底材料的選擇性，減少了生產成本，提高了生產普適性；

（6）相對于高低頻設備制備得到的硅基薄膜，本發明制備得到的硅基薄膜BOE蝕刻率平均降低50%以上，說明其致密性明顯更好；

（7）本發明制備得到硅基薄膜在較高的沉積速率下，片內均勻性在4%以內，可滿足高質量、大規模工業生產；

（8）本發明操作簡單、可控性高。

附圖說明

圖1為使用Si作襯底材料、制備SiN薄膜時，N₂/He流量比與薄膜應力變化趨勢圖；

圖2為使用GaAs作襯底材料、制備SiN薄膜時，N₂/He流量比與薄膜應力變化趨勢圖；

圖3為使用Si作襯底材料、制備SiO₂薄膜時，N₂/He流量比與薄膜應力變化趨勢圖。

具體實施方式

實施例1

在襯底材料Si上制備SiN薄膜：

使用10wt%的HCl去離子水溶液清洗Si基片后放入頻率為13.56MHz的單頻PECVD設備的腔體內，其后將原料氣體SiH₄、NH₃及N₂、He從腔體頂部噴淋小孔均勻通入腔體內，腔體內溫度設置為250℃，腔體內壓力設置為1500mTorr，制備過程中射頻源的功率設置為150W，SiH₄流量為400sccm，NH₃流量為20sccm，N₂流量為0~5000sccm，He流量為0~5000sccm，實際流量根據流量比進行調整，薄膜沉積速率大于20nm/min，沉積時間為3min，從接近0開始調節N₂/He的流量比至1，得到如附圖1所示的N₂/He流量比與薄膜應力變化趨勢圖，使用的應力測試設備為TOHO公司的應力測試儀，如附圖1顯示出在N₂/He流量比變化的過程中，對應得到的SiN薄膜應力從壓應力-1500Mpa變化到張應力500Mpa，即可得到應力可控型硅基薄膜，從制得的應力可控型硅基薄膜中隨機選擇4批次與由高低頻設備制得的SiN 薄膜進行4種不同應力條件下的BOE蝕刻測試，測試結果如下表所示：

可見本發明制備得到的SiN膜致密性均較高低頻設備制備的SiN薄膜好；同時，經測試所得SiN薄膜厚度片內均勻性在4%以內。

實施例2：

在襯底材料GaAs上制備SiN薄膜：

使用10wt%的HCl去離子水溶液清洗GaAs基片后放入頻率為13.56MHz的單頻PECVD設備的腔體內，其后將原料氣體SiH₄、NH₃及N₂、He從腔體頂部噴淋小孔均勻通入腔體內，腔體內溫度設置為300℃，腔體內壓力設置為2000mTorr，制備過程中射頻源的功率設置為180W，SiH₄流量為700sccm， NH₃流量為50sccm，N₂流量為0~5000sccm，He流量為0~5000sccm，薄膜沉積速率大于35nm/min，沉積時間為5min，從接近0開始調節N₂/He的流量比至1，得到如附圖2所示的N₂/He流量比與薄膜應力變化趨勢圖（其中X軸為N₂/He流量比，Y軸為應力）使用的應力測試設備為TOHO公司的應力測試儀，如附圖2顯示出在N₂/He流量比變化的過程中，對應得到的SiN薄膜應力從壓應力-800Mpa變化到張應力200Mpa，即得到應力可控型硅基薄膜；從制得的應力可控型硅基薄膜中隨機選擇4批次與由高低頻設備制得的SiN 薄膜進行4種不同應力條件下的BOE蝕刻測試，測試結果如下表所示：

可見本發明制備得到的SiN膜致密性均較高低頻設備制備的SiN薄膜好；同時，經測試所得SiN薄膜厚度片內均勻性在4%以內。

實施例3

在襯底材料SiC上制備SiN薄膜：

使用10wt%的HCl去離子水溶液清洗SiC基片后放入頻率為2.45GHz的平板單頻PECVD設備的腔體內，其后將原料氣體SiH₄、NH₃及N₂、He從腔體頂部噴淋小孔均勻通入腔體內，腔體內溫度設置為350℃，腔體內壓力設置為3000mTorr，制備過程中射頻源的功率設置為500W，SiH₄流量為700sccm， NH₃流量為50sccm，N₂流量為0~5000sccm，He流量為0~5000sccm，薄膜沉積速率大于30nm/min，沉積時間為4min，從接近0開始調節N₂/He的流量比至10，在調節過程中，使用的應力測試設備測試得到的不同SiN薄膜應力，測試使用TOHO公司的應力測試儀，測試中可觀察到隨N₂/He流量比從0增大到10，SiN的應力從壓應力-1500Mpa連續變化至張應力2000Mpa，即通過本實施方案可得到應力可控型硅基薄膜，所得SiN薄膜厚度片內均勻性在4%以內。

實施例4

在襯底材料Si上制備SiO₂薄膜：

使用10wt%的HCl去離子水溶液清洗Si基片后放入頻率為13.56MHz的單頻PECVD設備的腔體內，其后將原料氣體SiH₄、N₂O及N₂、He從腔體頂部噴淋小孔均勻通入腔體內，腔體內溫度設置為300℃，腔體內壓力設置為1000mTorr，制備過程中射頻源的功率設置為100W，SiH₄流量為1100sccm，N₂O流量為4400sccm，N₂流量為50~100sccm，He流量為2000~4500sccm，薄膜沉積速率大于25nm/min，沉積時間為3min，從接近0開始調節N₂/He的流量比至2，得到如附圖3所示的N₂/He流量比與薄膜應力變化趨勢圖，使用的應力測試設備為TOHO公司的應力測試儀，如附圖3顯示出在N₂/He流量比變化的過程中，對應得到的SiO₂薄膜應力從壓應力-350Mpa變化到張應力50Mpa，即可得到應力可控型硅基薄膜，所得SiO₂薄膜厚度片內均勻性在4%以內。

實施例5

在襯底材料GaAs上制備SiO₂薄膜：

使用10wt%的HCl去離子水溶液清洗GaAs基片后放入頻率為13.56MHz的單頻PECVD設備的腔體內，其后將原料氣體SiH₄、N₂O及N₂、He從腔體頂部噴淋小孔均勻通入腔體內，腔體內溫度設置為350℃，腔體內壓力設置為1000mTorr，制備過程中射頻源的功率設置為150W，SiH₄流量為1200sccm，N₂O流量為4500sccm，N₂流量為50~100sccm，He流量為2000~4500sccm，薄膜沉積速率大于30nm/min，沉積時間為4min，從接近0開始調節N₂/He的流量比至5，在調節過程中使用的應力測試設備測試得到的不同SiO₂薄膜應力，測試使用TOHO公司的應力測試儀，測試中可觀察到隨N₂/He流量比從0增大到5的過程中對應得到的SiO₂薄膜應力從壓應力-450Mpa變化到張應力100Mpa，即可得到應力可控型硅基薄膜，所得SiO₂薄膜厚度片內均勻性在4%以內。

實施例6

在襯底材料藍寶石上制備SiO₂薄膜：

使用10wt%的HCl去離子水溶液清洗藍寶石基片后放入頻率為2.45GHz的平板單頻PECVD設備的腔體內，其后將原料氣體SiH₄、N₂O及N₂、He從腔體頂部噴淋小孔均勻通入腔體內，腔體內溫度設置為300℃，腔體內壓力設置為500mTorr，制備過程中射頻源的功率設置為500W，SiH₄流量為1200sccm，N₂O流量為4500sccm，N₂流量為50~100sccm，He流量為2000~4500sccm，薄膜沉積速率大于35nm/min，沉積時間為4min，從接近0開始調節N₂/He的流量比至10，在調節過程中，使用的應力測試設備測試得到的不同SiO₂薄膜應力，測試使用TOHO公司的應力測試儀，測試中可觀察到隨N₂/He流量比從0增大到10，SiO₂的應力從壓應力-600Mpa連續變化至張應力1000Mpa，即通過本實施方案可得到應力可控型硅基薄膜，所得SiO₂薄膜厚度片內均勻性在4%以內。

盡管這里參照本發明的解釋性實施例對本發明進行了描述，上述實施例僅為本發明較佳的實施方式，本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，應該理解，本領域技術人員可以設計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則范圍和精神之內。