PECVD SiNx 薄膜应力的研究

PECVD SiNx 薄膜应力的研究

摘要　

等离子增强化学气相淀积(P lasma2enhanced Chem ical V aper Depo sit ion, PECVD )SiN x 薄膜在微电子和微机械领域的应用越来越重要. 它的一个重要的物理参数—— 机械应力, 也逐渐被人们所重视. 本文研究了应力跟一些基本的淀积条件如温度、压力、气体流量等之间的关系. 讨论了应力产生的原因以及随工艺条件变化的机理. 通过工艺条件的合理选择, 做出了018～ 110Lm 厚的无应力的PECVD SiN x 薄膜.

1　引言
SiN x 薄膜具有高介电常数, 高绝缘强度, 漏电低, 对N a 和水汽具有良好的阻挡能力等优良的物理性能. 作为钝化、隔离、电容介质等, 广泛应用于微电子工艺中. 另外SiN x 膜还具有优良的机械性能和良好的稳定性, 所以在新兴的微机械加工工艺中的应用也越来越广泛.
然而, 多数化学气相淀积(CVD) SiN x 膜都存在一个机械应力较大的问题. 尤其是低压化学气相淀积(L PCVD) , SiN x 膜最厚只能淀积300nm 左右, 超过300nm 薄膜就会开裂, 甚至脱落.
等离子增强化学气相淀积(PECVD ) SiN x 薄膜的应力情况虽然比L PCVD 要好一点,但它受工艺条件的影响非常明显. 工艺条件适当, 可得到无应力的SiN x 薄膜. 工艺条件掌握不好, 300nm SiN x 照样会出现开裂、脱落等现象.
对微电子工艺来说, 机械应力可能是造成可靠性问题的一个重要的原因. 包括器件的电参数的漂移、退化等. 对于微机械工艺来说, 机械应力问题就显得越发明显. 因为许多微机械传感器的敏感部分就是用SiN x 薄膜本身做成的. 机械应力会引起膜的翘屈, 严重影响其机械性能, 影响传感器的灵敏度和线性. 甚至在膜的形成过程中扭曲或开裂, 而导致膜的制作失败.
目前, 专门研究工艺条件和应力之间关系的参考文献还不多. 因此研究探索工艺条件和薄膜应力之间的关系, 具有重要的实际意义. 特别是对于PECVD SiN x , 因为其成膜温度比较低, 一般低于400℃, 使得SiN x 的制备更加兼容于微电子和微机械工艺. 工艺条件掌握适当, 在300℃左右就能得到性能优良、低应力或无应力的SiN x 薄膜. 这也正是本文的主要目的.
当前, 一个消除PECVD SiN x 应力的方法是采用两套频率不同的功率源. 高频源频率约几十MHz, 低频源约几十到几百kHz. 因为低频(< 4MHz) 等离子产生压缩应力; 高频等离子产生张应力[ 1 ]. 两个功率源交替工作. 总的效果为, 压缩应力和舒张应力相互抵消, 从而形成无应力的SiN x 膜. 但是, 此方法的局限性在于它受设备配置的限制, 必须有两套功率源; 另外应力的变化跟两个频率功率源作用的比率的关系很敏感, 压应力和张应力之间有一个突变[ 2 ] , 重复性不易掌握, 工艺条件难以控制.
人们还发现, PECVD SiN x 的应力跟工艺条件如: 温度、气体的流量比, 反应压力等有着密切的关系. 反映在淀积的膜本身的物理参量上为膜的含H 量、折射率、SiöN 比、致密性等, 跟应力有着明显关系.本文的研究重点就放在这些关系的探索上. 通过各个参数的试验, 找出普遍规律, 最终制备出无应力的SiN x 膜.