PECVD工藝中氮化硅薄膜龜裂研究

徐 衡，林洪春，唐 冬

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

PECVD工藝中氮化硅薄膜龜裂研究

徐 衡，林洪春，唐 冬

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

PE氮化硅薄膜優異的物理、化學性能使其在半導體分立器件、IC電路中常被用作絕緣層、鈍化層而使用。然而，氮化硅龜裂問題是影響其作為鈍化層使用的阻礙因素，因此，科學的氮化硅工藝條件對其薄膜質量的影響非常關鍵。給出了等離子體化學氣相淀積（PECVD）氮化硅薄膜技術的原理，通過實驗驗證，確定了誘發氮化硅龜裂現象的原因，優化工藝條件，確定了PECVD氮化硅的最佳工藝條件，杜絕了龜裂現象對氮化硅作為鈍化層使用的影響。

等離子體化學氣相淀積；氮化硅薄膜；龜裂；鈍化

1 引 言

微電子行業的制造工藝中，等離子體增強化學汽相淀積（PECVD）技術是近幾年來極受重視的制備介質膜的先進工藝技術。它允許襯底保持在較低溫度（一般在300℃-450℃）下生長介質薄膜。由于鋁是在400℃-500℃進行退火的，因而蒸鋁后的器件制作鈍化介質膜需要在低溫下進行。PECVD氮化硅除了有優越的低溫沉積特性外，與熱反應相比，它還能增強淀積速率，獲得均勻組分和特性的介質膜。PECVD氮化硅沉積技術除了用于制作器件的鈍化膜、增透膜外，它還可以用于制作光電器件擴散工藝的阻擋層，以形成所需的 PN結。雖然PECVD氮化硅膜特性好，但片面發黃、龜裂等問題一直影響其使用。下面介紹了PECVD氮化硅薄膜的生長原理以及影響其質量的主要因素，從大量的工藝試驗中摸索工藝條件，制造了優質的PECVD氮化硅薄膜，解決了氮化硅片面發黃、龜裂問題。

2 PECVD淀積氮化硅薄膜的基本原理

等離子體激活的化學氣相淀積法，是利用輝光放電的物理作用來激活化學氣相沉積反應。在輝光放電所形成的等離子體中，由于電子和離子的質量相差懸殊，二者通過碰撞交換能量的過程比較緩慢，所以在等離子體內部，各種帶電粒子各自達到其熱力學平衡狀態。

等離子體化學汽相淀積氮化硅是一種非化學計量組分的反應，其反應方程式為：

SiH4（氣體）＋NH3（氣體）＋N2——SixNyHz＋H2（氣體）

在這里，硅烷和氨氣反應是在200℃-400℃的等離子體中發生的。薄膜的淀積速率與射頻功率、氣體流量、反應室壓力和射頻頻率有關。

上述反應中SiH4的流量為110sccm，NH3的流量為66sccm，N2流量為3600sccm，反應腔體溫度為400℃，腔體壓力為4.6T，射頻頻率為13.56MHz。

3 龜裂現象的產生

按照上述工藝條件，氮化硅薄膜會有兩個現象產生，一是片面顏色深黃，如圖1所示。二是薄膜產生龜裂現象，如圖2所示。

片面發黃、龜裂現象的產生，嚴重影響了氮化硅在鈍化工藝中的使用，而龜裂現象的產生是由于氮化硅的應力過大而造成，測試氮化硅的應力發現，其應力為344.0MPa。

圖1 氮化硅薄膜片面正常與深黃（下部深色硅片部分）比較

圖2 氮化硅在IC鈍化層中龜裂現象

圖3 氮化硅應力分布區域

圖中深灰色部分為應力超標區域，在此區域的芯片基本如圖2所以，產生龜裂現象。

4 影響PE氮化硅薄膜質量的因素及龜裂消除措施

隨著研究的進展，工藝人員發現如果SiH4／NH3流量比的增加，氮化硅薄膜中Si／N原子比逐漸增加。當SiH4／NH3流量比大于0.4，即薄膜中Si／N原子比超過0.9時，薄膜呈富Si態；SiH4／NH3流量比在0.1-0.2時，薄膜中Si／N原子比為0.7-0.85，最接近于氮化硅薄膜標準化學計量比，此時氮化硅薄膜有較小內應力。這是由于氮化硅薄膜中Si、N原子含量影響的結果。當氮化硅薄膜的結構致密且無冗余的Si或N原子時，薄膜內應力很小，如同體型氮化硅材料。當薄膜的缺陷或空洞較多時，富裕的Si或N原子就會填充到空洞中，對空洞周圍的薄膜分子產生擠壓力，致使薄膜呈現壓應力狀態。所以，選擇合適的沉積工藝條件制作出接近標準化學計量比的氮化硅薄膜，就可以達到減小氮化硅薄膜內應力的目的，從而消除龜裂現象。

另外，工藝人員通過純HF腐蝕氮化硅發現，HF酸液上會有一層黃色的粉末漂浮在上面。這種現象也表明，氮化硅中富硅現象嚴重，所以在HF酸液上才會有黃色粉末產生，而導致富硅現象的原因是SiH4的流量過大而造成。

工藝人員緊接著進行如下實驗，驗證SiH4／NH3比例對氮化硅薄膜的影響。我們設計的試驗是SiH4依次為70sccm、80sccm、90sccm、110sccm、130sccm，其他工藝條件不改變，具體的試驗數值如表1所示。

表1 硅烷流量變化實驗

通過重復此試驗，實驗結果基本一致。如果硅烷采用130sccm流量，薄膜的片面深黃，通過顯微鏡觀察，龜裂現象非常嚴重，依次減小硅烷的流量為110sccm，片面發黃和龜裂得到改善，但是不能去除。而綜合比較90sccm、80sccm、70sccm的流量發現，后兩種工藝不僅由于硅烷氣體的流量減小而生長速率降低，折射率也開始偏小，偏離了標準化學計量比的氮化硅薄膜。因此通過上述反復的工藝實驗，驗證了發黃、龜裂問題是硅烷流量引起的，而從生長速率、折射率、片面等綜合參數考慮，確定SiH490sccm的流量為最佳工藝，可以消除氮化硅片面發黃、龜裂等現象，并制作出優良的氮化硅薄膜。

5 結束語

影響氮化硅薄膜質量的發黃、龜裂問題一直是困擾著其作為絕緣層、鈍化層使用的不利因素。作者經過研究分析，優化工藝，最終確定PECVD氮化硅的工藝條件為：SiH4（90sccm）＋NH3（66sccm）＋N2（3600sccm）＝Si3N4＋等離子團，工藝腔體溫度為400℃，工藝腔體壓力為4.6T，射頻功率為650W，射頻頻率為13.56MHz。從檢驗氮化硅薄膜質量的應力、折射率、生長速率、片面等多方面參數為標準，制作出高質量的氮化硅薄膜，成功解決了氮化硅龜裂等問題。

［1］高廷仲.介質膜淀積工藝（第一版）［M］.天津：天津科學技術出版社，1982-11..

［2］關旭東.化學氣象淀積（第一版）［M］.北京：北京大學出版社，2003-10.

［3］孫承松.薄膜技術及應用［M］.沈陽：東北大學出版社，1998.

Research of Silicon Nitride Thin Film Cracking in Technical Process PECVD

XU Heng，LIN Hong-chun，TANG Dong
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

PE silicon nitride film，because of its excellent physical and chemical properties，is widely used in discrete semiconductor devices and IC circuit as an insulating layer and the passivation layer.However，the problem of silicon nitride cracking affects it used as the passivation layer，so the scientific process conditions should be kept to ensure the quality of the silicon nitride film.The paper presents the principle of a plasma chemical vapor deposition（PECVD）silicon nitride thin film，finds the reason of the nitrogen-induced silicon cracking，and optimizes the process conditions to prevent from cracking of the silicon nitride for good passivation layer.

Plasma chemical vapor deposition；Silicon nitride thin film；Cracking；Passivation

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.007

TN305.95

：A

：1002-2279（2014）04-0021-03

徐衡（1986-），男，遼寧沈陽人，助理工程師，主研方向：肖特基二極管。

2014-01-08