等離子體增強化學(xué)氣相沉積法生長氮化硅薄膜

1pecvd生長氮化硅薄膜的原理氮硅膜具有高介電常數(shù)、高壓、低泄漏、良好的物理特性等。作為鈍化、隔離、電容介質(zhì)等,廣泛應(yīng)用于微電子工藝中。另外氮化硅薄膜還具有優(yōu)良的機械性能和良好的穩(wěn)定性,所以在新興的微機械加工工藝中的應(yīng)用也越來越廣泛。聚酰亞胺是一種高分子材料,不但具有耐腐蝕、耐高溫、抗有機溶劑的侵蝕性能,而且具有良好的平坦化性能和粘附性能,可在氧氣環(huán)境下用等離子去膠機去除,是作為犧牲層的理想材料。PECVD法能在低溫下生長出致密的,具有良好化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)良的機械性能的氮化硅薄膜,所以用PECVD法生長的氮化硅薄膜廣泛地應(yīng)用在MEMS領(lǐng)域。接觸式射頻MEMS開關(guān)中是在犧牲層聚酰亞胺上生長氮化硅薄膜,氮化硅作結(jié)構(gòu)層,作為懸梁的可動部分,是射頻開關(guān)的重要部件。所以有必要對PECVD生長氮化硅薄膜工藝進行研究。本文研究了PECVD法生長工藝參數(shù)對氮化硅薄膜的應(yīng)力、氮硅比、生長速率等的影響,調(diào)整工藝參數(shù),使得氮化硅薄膜從厚300nm就產(chǎn)生裂紋到厚1μm完好,成功地使用在射頻MEMS開關(guān)中作為懸梁的可動部件。2聚酰亞胺薄膜的生長實驗使用北京創(chuàng)威納科技有限公司生產(chǎn)的PECVD-2E標準型等離子體化學(xué)氣相淀積臺,使用氣體:SiH4(由N2稀釋,含12%SiH4)和NH3。在直徑為25mm的石英基片上旋涂聚酰亞胺固化后,聚酰亞胺厚度約為2μm,在聚酰亞胺上用PECVD法生長氮化硅薄膜。調(diào)節(jié)各項工藝參數(shù):溫度、功率、工作氣壓、氣體流量比等得到了適合于制作射頻MEMS開關(guān)中懸梁的生長工藝條件。3結(jié)果3.1在低溫下生長氮化硅PECVD法生長氮化硅薄膜是利用非平衡等離子體的一個重要特性,即等離子體分子、原子、離子或激活基團與周圍環(huán)境相同,而其中非平衡電子則由于電子質(zhì)量很小,其平均溫度可以比其它粒子大一、二個數(shù)量級,因此在通常條件下,要在高溫才能實現(xiàn)的許多化學(xué)反應(yīng),由于非平衡電子具有很高的能量,就能在低溫下實現(xiàn)。如通常需要800℃以上才能生長的氮化硅薄膜,用這種方法只需250~300℃就能生長,這是器件目前唯一能在低溫條件下生長氮化硅的CVD工藝。有3種反應(yīng)能生長出氮化硅薄膜:3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2(1)3SiHCl4+4NH3→Si3N4+12HCl(2)3SiH4Cl2+4NH3→Si3N4+6HCl+6H2(3)3SiΗ4+4ΝΗ3→Si3Ν4+12Η2(1)3SiΗCl4+4ΝΗ3→Si3Ν4+12ΗCl(2)3SiΗ4Cl2+4ΝΗ3→Si3Ν4+6ΗCl+6Η2(3)3.2pecvd生長研究3.2.1氣體流量比對生長速率的影響使用Dektak3臺階儀測出氮化硅薄膜的厚度,除以薄膜生長時間,得到氮化硅薄膜的生長速率。生長速率隨基片溫度變化關(guān)系的曲線如圖1(a),在功率為250W、工作氣壓為2Pa、氣體流量比m(SiH4)∶m(NH3)=38∶20的條件下。生長速率隨氣體流量比變化的關(guān)系曲線如圖1(b),在功率為250W、工作氣壓為2Pa、基片溫度為250℃,固定SiH4的氣體流量為38ml/min的條件下。生長速率隨射頻功率變化而變化的關(guān)系曲線如圖1(c)所示,在工作氣壓為2Pa、基片溫度為250℃、氣體流量比m(SiH4)∶m(NH3)=38∶20的條件下。3.2.2薄膜殘余應(yīng)力分析氮化硅薄膜的氮硅比由X射線光電子譜(XPS)測試計算得到。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)氮化硅薄膜中氮和硅的比例在接近氮化硅的化學(xué)計量比4∶3時,薄膜的殘余應(yīng)力值較小,而遠離化學(xué)計量比時,薄膜的殘余應(yīng)力值增大。所以有必要研究薄膜中的氮硅比。在功率為250W、工作氣壓為2Pa、生長溫度為100℃的條件下,測得不同氣體流量比下生長的氮化硅薄膜的氮硅比,如表1。圖3是用XPS測量100℃時生長氮化硅薄膜的測量曲線。3.3.3薄膜應(yīng)力與壓力對微電子工藝來說,機械應(yīng)力是造成可靠性問題的一個重要原因,包括器件的電參數(shù)的漂移、退化等。對于微機械工藝來說,機械應(yīng)力問題就顯得更明顯。因為許多微機械傳感器的敏感部分就是用氮化硅薄膜本身做成的。機械應(yīng)力會引起薄膜的翹屈,嚴重影響其機械性能,影響傳感器的靈敏度和線性,甚至在膜的形成過程中扭曲或開裂,而導(dǎo)致薄膜的制作失敗。PECVD法氮化硅薄膜的應(yīng)力跟工藝條件,如:溫度、氣體的流量比、反應(yīng)壓力、射頻功率等有著密切的關(guān)系。若各項工藝參數(shù)組合不當(dāng),氮化硅薄膜的厚度為300nm時就會產(chǎn)生裂紋,如圖4(a),表明氮化硅中的張應(yīng)力很大;當(dāng)?shù)柚械膲簯?yīng)力很大時,氮化硅薄膜會起皮、脫落,如圖4(b)。若調(diào)整組合好各項工藝參數(shù),可在聚酰亞胺上生長厚度為1μm的氮化硅薄膜,并可應(yīng)用于射頻MEMS開關(guān)中的懸梁,如圖5所示。4從薄膜本身統(tǒng)計分析4.1工藝參數(shù)與氮化硅薄膜生長速率的關(guān)系由圖1(a)可看出氮化硅薄膜的生長速率隨溫度的升高而下降。一方面這是因為在PECVD生長氮化硅薄膜的過程中,氣體的等離子體在基片表面沉積和揮發(fā)兩種機制同時進行,隨著溫度的升高,表面沉積量和揮發(fā)量都會升高;但是當(dāng)溫度升高到一定值后,揮發(fā)量與表面沉積量之間的平衡被打破,揮發(fā)量大于表面沉積量,所以最終淀積到基片表面的速率會下降;另一方面,隨著溫度升高,分子具有較高的能量,能運動到基片上合適的位置,使氮化硅薄膜變得更致密,如圖2所示。溫度升高時,氮化硅薄膜的生長速度減慢,致密度增大。圖2(a)是200℃生長的氮化硅薄膜的SEM圖片,晶粒較大;圖2(b)是250℃生長的氮化硅薄膜,晶粒較小,較致密。由圖1(b)可看出氮化硅薄膜的生長速率隨NH3流量的增加而增加,這是因為當(dāng)NH3流量增加時,生長出的氮化硅中的H含量增加,薄膜中的Si-H鍵、N-H鍵含量增加,而使得氮化硅變得疏松,薄膜生長速率加快。由圖1(c)可看出氮化硅薄膜的生長速率隨射頻功率的增大先增大后減小。這是因為隨著射頻功率的增加,(式1)的反應(yīng)加速,生長速率增加;同時,射頻功率加大時,極板間的電壓加大,對基板具有轟擊作用,把基片上的氮化硅薄膜打?qū)嵙?功率再進一步加大,就會出現(xiàn)類似“濺射”現(xiàn)象,從而,從而氮化硅薄膜的生長速率有緩慢的下降。4.2.2工藝參數(shù)與氮化硅薄膜中氮硅比的關(guān)系由表1可看出,隨著NH3的氣體流量升高,氮化硅薄膜中的氮硅比逐漸增大。這是因為PECVD生長氮化硅薄膜,當(dāng)NH3流量增大時,薄膜中N—H會增多,從而薄膜中氮的含量會增高。氣體流量比從38∶5變化到38∶20時,氮化硅薄膜中的氮硅比從1.028∶1增大到1.155∶1,更接近氮化硅的化學(xué)計量比4∶3。在實際制作薄膜時氮硅比很難達到化學(xué)計量比,這是因為薄膜中仍含有一些H元素,分別與N和Si形成N—H鍵和Si—H鍵。由圖3XPS測量圖片可看出,薄膜中除了有N元素和Si元素兩個主要的峰存在,其它仍有幾個明顯的雜質(zhì)形成的能量峰。4.2.3工藝參數(shù)與氮化硅薄膜中應(yīng)力的關(guān)系實驗發(fā)現(xiàn),在同樣的沉積條件下,在硅片上沉積的氮化硅薄膜不裂,而在聚酰亞胺上沉積的薄膜卻出現(xiàn)了裂痕,其主要原因是由于聚酰亞胺和氮化硅薄膜之間的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致殘余應(yīng)力過大而造成的。殘余應(yīng)力由本征應(yīng)力和熱應(yīng)力兩部分組成,本征應(yīng)力是在薄膜沉積過程中由于薄膜本身某些結(jié)構(gòu)不完整性和缺陷而產(chǎn)生的;而熱應(yīng)力是由于薄膜和基片的熱膨脹系數(shù)的不同以及成膜的溫度與測量時的溫度不同產(chǎn)生的。氮化硅薄膜和硅片的熱膨脹系數(shù)相差不大,都在10-6K-1數(shù)量級,而聚酰亞胺的熱膨脹系數(shù)達到10-5K-1數(shù)量級,所以當(dāng)冷卻后,氮化硅薄膜與聚酰亞胺之間產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,并且熱應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力。通過調(diào)整工藝參數(shù),使氮化硅薄膜的本征應(yīng)力為張應(yīng)力,可以與熱應(yīng)力互相抵消,從而可在聚酰亞胺犧牲層上沉積低應(yīng)力的氮化硅薄膜。5工藝參數(shù)對薄膜的影響采用PECVD法沉積氮化硅薄膜,可以通過調(diào)節(jié)基片溫度、反應(yīng)氣體流量比、射頻功率、工作氣壓等工藝參數(shù),獲得所需的氮化硅薄膜。另外,以上所討論的各個工藝參數(shù)對薄膜的影響都是在固定其它工藝參數(shù)的條件下進行的,其實各個工藝參數(shù)對薄膜的影響不是單一