一种高应力氮化硅薄膜的形成方法

技术领域

本发明涉及氮化硅薄膜制备技术领域，特别涉及一种高应力氮化硅薄膜的形成方法。

背景技术

氮化硅薄膜具有优良的光电性能和机械性能,在集成电路、微机械电子、太阳能电池以及显示器件领域都有着广泛的应用。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)因其沉积效率高、薄膜均匀性好且可灵活操作的优势成为制备氮化硅薄膜的主要方法之一。目前形成高应力氮化硅薄膜的工艺方法主要是通过硅烷与氨气在等离子氛围下反应生成氮化硅，以大量氮气作为氛围气体及少量的反应气体，形成了高拉伸应力的氮化硅薄膜，在器件制造中起到非常重要的作用。但是由于高的拉伸应力，在腔体表面沉积该氮化硅薄膜作为保护腔体的薄膜时，其容易在反应腔表面形成片状的薄膜掉落，使得随后在基底沉积该高应力氮化硅薄膜的颗粒增多，从而导致镀膜次数有限，从而限制了镀膜设备的使用率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高应力氮化硅薄膜的形成方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

本发明提供了一种高应力氮化硅薄膜的形成方法，包括以下步骤：

S1、控制PECVD设备的真空反应腔室的温度为350～400 ℃，然后去除腔体杂质，并使真空反应腔室的上极板氟化形成氟化铝；

S2、向真空反应腔室内通入惰性气体吹扫后，通入含硅气体硅烷、氨气和笑气进行预处理；然后继续向真空反应腔室内通入含硅气体硅烷、氨气和笑气，并控制射频功率为1200～1300 W，在腔体表面沉积保护腔体的氧化硅薄膜；

S3、向真空反应腔室内通入惰性气体吹扫后，再通入笑气，并控制射频功率为500～1000 W，处理一定时间；

S4、将基底放入真空反应腔室内的基座上，向真空反应腔室内通入含硅气体硅烷和氨气进行预处理；然后继续向真空反应腔室内通入含硅气体硅烷和氨气，同时通入N

步骤S2中，所述进行预处理的具体步骤为：向真空反应腔室内通入含硅气体硅烷400～500 sccm、氨气130～170 sccm、笑气4000～5000 sccm，通入时间为5～10 s；

步骤S2中，所述在腔体表面沉积保护腔体的氧化硅薄膜的步骤中，保持真空反应腔室内的压强为1～10 torr，通入含硅气体硅烷、氨气和笑气的流量与预处理的流量相同，沉积时间为17～29 s，沉积的氧化硅薄膜的厚度为1000～2000 A，应力为-50～-75 Mpa。

优选地，所述在腔体表面沉积保护腔体的氧化硅薄膜的步骤中，控制沉积时间为17～21 s，沉积的氧化硅薄膜的厚度为1000～1400 A。

优选地，所述含硅气体硅烷和氨气的通入量比例为3:1。

优选地，步骤S3中，所述笑气的通入流量为5000～10000 sccm，使压力稳定在2～10 torr。

优选地，步骤S3中，所述处理一定时间为处理10～15 s。

优选地，步骤S1中，所述去除腔体杂质，并使真空反应腔室的上极板氟化形成氟化铝的具体步骤为：通入在腔室外部解离成氟离子的氟化氮气2000～6000 sccm和氩气 4000～12000 sccm，通入时间为30～60 s，并保持真空反应腔室内的压强为1～10 torr。

优选地，步骤S4中，所述进行预处理的具体步骤为：向真空反应腔室内通入含硅气体硅烷30～80 sccm、氨气60～160 sccm，通入时间为5～10 s。

优选地，步骤S4中，所述在基底表面沉积形成高应力氮化硅薄膜的步骤中，保持真空反应腔室内的压强为1～10 torr，通入含硅气体硅烷30～80 sccm和氨气60～160 sccm，通入N

优选地，所述含硅气体硅烷和氨气的通入量比例为1:2。

本发明还提供了一种根据前述方法制备的高应力氮化硅薄膜。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1）本发明通过引入较低应力（-50～-100 Mpa）的、适宜厚度（1000～2000 A）的氧化硅薄膜作为保护腔体的薄膜，使得该氧化硅薄膜在沉积高应力氮化硅薄膜的时候不容易掉下颗粒，从而减少了形成的高应力氮化硅薄膜的颗粒缺陷。

2）本发明还通过在形成保护腔体的氧化硅薄膜之后、沉积高应力氮化硅薄膜之前，用笑气等离子处理腔体和基座表面，可去除腔体表面未反应完全的SI-H键，对基座进行保护。

3）采用本发明的方法在连续镀膜两万片后，颗粒缺陷依然稳定，且通过采用最佳的工艺参数条件，可使颗粒数量稳定保持在10颗以下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1显示为对比例1方法制备的高应力氮化硅薄膜在不同镀膜片数下的颗粒状况；

图2显示为实施例1方法制备的高应力氮化硅薄膜在不同镀膜片数下的颗粒状况；

图3显示为实施例2方法制备的高应力氮化硅薄膜在不同镀膜片数下的颗粒状况；

图4显示为实施例3方法制备的高应力氮化硅薄膜在不同镀膜片数下的颗粒状况。

实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器、机台和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

在本申请研究之前，现有的制备高应力氮化硅薄膜的方法中，通常采用通入含硅气体硅烷和氨气作为反应源气体，并通入氮气，在真空反应腔室的腔体表面沉积氮化硅薄膜，但该氮化硅薄膜由于具有高拉伸应力，容易在反应腔表面形成片状的薄膜，并在后续的沉积步骤中掉落在基底沉积的氮化硅薄膜上，导致基底上沉积得到的高应力氮化硅薄膜的颗粒数量随镀膜片数的增加而显著增多。

基于此，本发明提供了一种高应力氮化硅薄膜的形成方法，所述方法包括下步骤：

1. 以铝（Al）为腔壁的材料，氮化铝ALN为耐高温基座的PECVD真空反应腔室，控制真空反应腔室的温度在350～400 ℃，且后续各步骤中也保持该温度不变，在该温度下均可实现高应力氮化硅薄膜的制备；例如该控制温度可以是350 ℃、355 ℃、360 ℃、365 ℃、370 ℃、375 ℃、380 ℃、385 ℃、390 ℃、395 ℃、400 ℃中的任意一个点值或任意两个点值之间的范围值，本发明不做特别的限制，其对最终制备的高应力氮化硅薄膜的性能影响不大。

2. 通入氟化氮气2000～6000 sccm（在腔室外部解离成氟离子后通入）和氩气4000～12000 sccm，通入时间为30～60 s，保持所述PECVD真空反应腔室内的压强为1～10torr的情况下，于所述环境下进行腔体杂质去除，并使真空反应腔室的上极板形成氟化铝；根据腔室大小，通入的氟化氮气的流量范围可以在2000～6000 sccm内进行任意调节，并根据氟化氮气与氩气的比例相应调整氩气的流量（这一步主要是在氟离子处理后，对上极板进行氟化，氟化氮（NF3）与氩气（AR）比例为1：2时，有效氟离子的浓度最佳。如果没有这一步，下面一个步骤的镀膜会有影响，吸附力会下降）。

3. 向PECVD的真空反应腔室内通入惰性气体（如氦气）吹扫环境后，再通入含硅气体硅烷（SIH4）400～500 sccm、氨气（NH3）130～170 sccm和4000～5000 sccm笑气（N2O），通入时间为5～10 s进行预处理；然后保持所述PECVD真空腔室内的压强为1～10 torr的情况下，继续向真空反应腔室内通入相同流量的含硅气体硅烷、氨气和笑气，保证压力稳定，并控制射频功率为1000～1400 W，沉积时间为17～29 s，于所述真空反应腔室的腔体表面沉积氧化硅薄膜，厚度约为1000～2000 A，薄膜应力为-50～-100 Mpa，主要起保护腔体的作用；其中硅烷、氨气和笑气的通入流量可在前述各流量范围内进行调节，优选硅烷和氨气的流量比例为3:1。沉积氧化硅薄膜中所采用的射频功率、沉积时间可在前述的功率值范围内进行调节，并通过射频功率和沉积时间的不同，得到不同应力、不同厚度的氧化硅薄膜；优选射频功率为1200～1400 W、制得的氧化硅薄膜应力为-50～-100 Mpa，具有较低的应力，更优选射频功率为1200～1300 W、制得的氧化硅薄膜应力为-50～-75 Mpa，最优选射频功率为1200 W、制得的氧化硅薄膜应力为-50 Mpa；优选沉积时间为17～25 s、制得的氧化硅薄膜厚度为1000～1800 A，更优沉积时间为17～21 s，制得的氧化硅薄膜厚度为1000～1400 A，最优选沉积时间为21 s、制得的氧化硅薄膜厚度为1400 A。

4. 再向PECVD的真空反应腔室内通入惰性气体（如氦气）吹扫后，通入N2O 5000～10000 sccm，保证压力稳定在2～10 torr，控制射频功率为500～1000 W，处理时间为10～15 s，以去除腔体表面未反应完成的SI-H 键，并对基座进行保护。

5. 然后在PECVD的真空反应腔室的基座上放入基底（为12英寸晶圆），向所述PECVD的真空反应腔室内通入含硅气体硅烷（SIH4）30～80 sccm和氨气（NH3）60～160sccm，通入时间为5～10 s进行预处理；然后保持所述PECVD真空腔室内的压强为1～10torr的情况下，继续向真空反应腔室内通入相同流量的含硅气体硅烷和氨气，并且通入N22000～4000 sccm保证压力稳定，控制射频功率为50～150 W，沉积时间为50～100 s，于所述12英寸晶圆表面沉积氮化硅薄膜，厚度约为100～500 A。其中，硅烷和氨气的通入流量可在前述各流量范围内进行调节，优选硅烷和氨气的流量比例为1:2；所述氮气的通入流量可在前述流量范围内进行调节，保证压力稳定即可。

实施例

下面将结合实施例及实验数据对本申请的形成低温氮化硅薄膜的方法进行详细说明。

本对比例提供了一种高应力氮化硅薄膜的形成方法，具体步骤如下：

1）以Al为腔壁的材料，氮化铝ALN为耐高温基座的PECVD真空反应腔室，控制真空反应腔室的温度在380 ℃，且后续各步骤中也保持该温度不变；

2）通入氟化氮气4000 sccm（在腔室外部解离成氟离子后通入）和氩气8000 sccm，通入时间为40 s，保持所述PECVD真空反应腔室内的压强为5 torr的情况下，于所述环境下进行腔体杂质去除，并使真空反应腔室的上极板形成氟化铝；

3）向所述PECVD真空反应腔室内通入含硅气体硅烷（SiH

4）然后在真空反应腔室的基座上放入12英寸晶圆，向所述PECVD真空反应腔室内通入含硅气体硅烷（SiH

采用该对比例方法连续制备高应力氮化硅薄膜20000片，考察其颗粒状况，结果如图1所示。在不同镀膜片数下测得的高应力氮化硅薄膜的颗粒状况（粒径＞0.12μm）变化较大，颗粒数不稳定，且随镀膜片数增加整体呈明显上升趋势。

实施例1

本实施例提供了一种高应力氮化硅薄膜的形成方法，具体步骤如下：

1）以Al为腔壁的材料，氮化铝ALN为耐高温基座的PECVD真空反应腔室，控制真空反应腔室的温度在380 ℃，且后续各步骤中也保持该温度不变；

2）通入氟化氮气4000 sccm（在腔室外部解离成氟离子后通入）和氩气8000 sccm，通入时间为40 s，保持所述PECVD真空反应腔室内的压强为5 torr的情况下，于所述环境下进行腔体杂质去除，并使真空反应腔室的上极板形成氟化铝；

3）向所述PECVD真空反应腔室内通入惰性气体吹扫环境后，通入含硅气体硅烷（SiH

4）再向PECVD的真空反应腔室内通入惰性气体吹扫后，通入N

5）然后在真空反应腔室的基座上放入12英寸晶圆，向所述PECVD真空反应腔室内通入含硅气体硅烷（SiH

采用本实施例方法，分别以步骤3）中控制射频功率为1200、1300、1400 W在真空反应腔室的腔体表面沉积氧化硅薄膜，得到氧化硅薄膜1-1、1-2、1-3的应力如表1所示。并按照后续步骤在12英寸晶圆表面沉积氮化硅薄膜，连续镀膜20000片，以不同氧化硅薄膜1-1、1-2、1-3对腔体进行保护下制备的氮化硅薄膜在不同镀膜片数下的颗粒状况（粒径＞0.12μm）结果如表2和图2所示。

实施例2

本实施例提供了一种高应力氮化硅薄膜的形成方法，具体步骤如下：

1）以Al为腔壁的材料，氮化铝ALN为耐高温基座的PECVD真空反应腔室，控制真空反应腔室的温度在380 ℃，且后续各步骤中也保持该温度不变；

2）通入氟化氮气4000 sccm（在腔室外部解离成氟离子后通入）和氩气8000 sccm，通入时间为40 s，保持所述PECVD真空反应腔室内的压强为5 torr的情况下，于所述环境下进行腔体杂质去除，并使真空反应腔室的上极板形成氟化铝；

3）向所述PECVD真空反应腔室内通入惰性气体吹扫环境后，通入含硅气体硅烷（SiH

4）再向PECVD的真空反应腔室内通入惰性气体吹扫后，通入N

5）然后在真空反应腔室的基座上放入12英寸晶圆，向所述PECVD真空反应腔室内通入含硅气体硅烷（SiH

采用本实施了方法，分别以步骤3）中控制射频功率为1200、1300、1400 W在真空反应腔室的腔体表面沉积氧化硅薄膜，得到氧化硅薄膜2-1、2-2、2-3的应力如表1所示。并按照后续步骤在12英寸晶圆表面沉积氮化硅薄膜，连续镀膜20000片，以不同氧化硅薄膜2-1、2-2、2-3对腔体进行保护下制备的氮化硅薄膜在不同镀膜片数下的颗粒状况（粒径＞0.12μm）结果如表2和图3所示。

实施例3

本实施例提供了一种高应力氮化硅薄膜的形成方法，具体步骤如下：

1）以Al为腔壁的材料，氮化铝ALN为耐高温基座的PECVD真空反应腔室，控制真空反应腔室的温度在380 ℃，且后续各步骤中也保持该温度不变；

2）通入氟化氮气4000 sccm（在腔室外部解离成氟离子后通入）和氩气8000 sccm，通入时间为40 s，保持所述PECVD真空反应腔室内的压强为5 torr的情况下，于所述环境下进行腔体杂质去除，并使真空反应腔室的上极板形成氟化铝；

3）向所述PECVD真空反应腔室内通入惰性气体吹扫环境后，通入含硅气体硅烷（SiH

4）再向PECVD的真空反应腔室内通入惰性气体吹扫后，通入N

5）然后在真空反应腔室的基座上放入12英寸晶圆，向所述PECVD真空反应腔室内通入含硅气体硅烷（SiH

采用本实施了方法，分别以步骤3）中控制射频功率为1200、1300、1400 W在真空反应腔室的腔体表面沉积氧化硅薄膜，得到氧化硅薄膜3-1、3-2、3-3的应力如表1所示。并按照后续步骤在12英寸晶圆表面沉积氮化硅薄膜，连续镀膜20000片，以不同氧化硅薄膜3-1、3-2、3-3对腔体进行保护下制备的氮化硅薄膜在不同镀膜片数下的SIO2颗粒状况（粒径＞0.12μm）结果如表2和图4所示。

表1

表2

由上述表2和图2-4（以镀膜片数为横坐标、颗粒数量为纵坐标）的结果可见，氧化硅薄膜的应力对制备的高应力氮化硅薄膜中的SIO2颗粒数量影响明显，氧化硅薄膜的应力为-50～-75 Mpa时，均可获得颗粒数量少且稳定的氮化硅薄膜，颗粒数量未随着镀膜片数的增加而呈现明显增加。尤其氧化硅薄膜的应力为-50 Mpa时，制备的氮化硅薄膜中的颗粒数量在1000、5000、10000、20000片时基本无增加，且颗粒数量都在10以下，效果十分显著。此外，氧化硅薄膜的厚度对制备的高应力氮化硅薄膜中的SIO2颗粒数量也有一定影响，氧化硅薄膜的厚度为1000-1400A时，颗粒数量更少。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。