射频频率对PECVD沉积氮化硅薄膜性能影响的研究*

刘久澄，刘晓燕，任 远，刘宁炀，王君君，王 巧，陈志涛

广东省半导体产业技术研究院，广东 广州 510650



射频频率对PECVD沉积氮化硅薄膜性能影响的研究*

刘久澄，刘晓燕，任 远，刘宁炀，王君君，王 巧，陈志涛

广东省半导体产业技术研究院，广东 广州 510650

采用PECVD方法制备氮化硅薄膜，利用椭偏仪和拉曼光谱对沉积薄膜的沉积速率、折射率及应力进行表征．结果表明：低频条件下，氮化硅薄膜的沉积速率和折射率比高频条件下的低；低频和高频条件下沉积的氮化硅膜内应力分别表现为压应力和张应力，而高低频交替沉积时，氮化硅的沉积速率、折射率及应力情况与低频与高频的时间占比相关．通过实验调控PECVD高低频时间的占比，制备出了低应力氮化硅薄膜．

氮化硅；PECVD；拉曼光谱；应力

氮化硅薄膜具有良好的抗离子和水汽穿透能力及机械性能，除氢氟酸外不与其它无机酸反应，凭借优异的物理和化学性能，被广泛应用于集成电路、半导体器件及MEMS中作为绝缘层、表面钝化层或结构功能层，可以保护芯片免受外界腐蚀性物质的侵蚀和机械损伤[1]．通常，氮化硅薄膜的沉积采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法，在PECVD过程中反应气体由等离子体激活，在低温下可以氮化硅薄膜，但低温下沉积的氮化硅薄膜通常含有许多非平衡态的化学键，具有较大的内应力，会引起薄膜的分层及开裂等，造成器件失效及可靠性降低．

薄膜内应力是氮化硅薄膜应用中需要解决的问题，在PECVD沉积氮化硅工艺中，薄膜应力主要来源于薄膜和衬底之间热膨胀系数所致的热应力及薄膜的微结构或缺陷产生的应力[2]．受不同沉积条件的影响，PECVD氮化硅薄膜的应力可以在几千兆帕的压应力到几千兆帕的张应力间变化．W.A.P.Claassen[3]研究了沉积温度、气体压力、气体组成及射频频率对氮化硅薄膜应力的影响，认为在较高温度(550 ℃)或高频下(13.5 MHz)沉积的薄膜内的应力为张应力，而在低温或低频(100～1000 kHz)的条件下沉积的薄膜内的应力为压应力．C.W.Pearce[4]利用高、低频双重频率的方法沉积氮化硅薄膜并研究了射频对应力的影响，同样发现随着射频功率中低频比例的增加，薄膜内的应力从张应力变化为压应力．由此可见，PECVD氮化硅薄膜沉积中的射频频率是影响薄膜应力的重要因素．

本文利用PECVD沉积方法，分别在高频和低频条件下沉积氮化硅薄膜，研究了射频频率对氮化硅薄膜的沉积速率、折射率及应力的影响，并利用高低频交替沉积的方法制备出低应力的氮化硅薄膜．

1 实验部分

1.1 实验原理

实验中用英国Oxford Instrument 生产的Plasmalab 800 Plus型PECVD沉积系统进行氮化硅薄膜的沉积，其原理如图1所示．PECVD装置系统主要由真空反应腔室、加热系统、冷却系统、真空系统、气路控制系统及电路控制系统等组成．

图1 PECVD 沉积氮化硅薄膜的原理示意图Fig.1 The diagram of PECVD deposited silicon nitride film technique

该系统是利用射频使含有薄膜组成成的气体在局部形成等离子体，由于等离子体化学活性很强，很

容易发生反应，从而在基片上沉积出所期望的薄膜．氮化硅薄膜的PECVD沉积是由硅烷(SiH4)和氨气(NH3)两种气体在等离子体场作用下反应来完成的，同时通入氮气(N2)作为稀释气体．首先反应气体通过喷淋头混合均匀后进入反应腔室，反应气体在等离子体中通过碰撞和次级反应生成反应物，反应物从等离子体中输运到衬底上并被衬底表面吸附，吸附在衬底表面的反应物通过扩散运动汇聚成岛，小岛合并成为连续完整的薄膜，副产物解吸附并以气体的形式脱离衬底，最终通过真空泵系统排出腔室．具体发生的化学反应如下：

(1)

1.2 氮化硅薄膜的制备

实验样品制作采用2英寸的(100)面硅片作为衬底材料，其厚度为280 μm，电阻率为3～6 Ω/cm．沉积的工艺参数列于表1．

表1 氮化硅薄膜沉积工艺参数

在实验样品制作过程中保持反应气体流量、反应腔压力、衬底温度、射频功率及沉积时间不变，实验中唯一的变量为射频源的频率，样品在不同的高低频时间交替的射频功率下进行氮化硅薄膜的沉积(表2)．由表2可知，在样品1沉积过程中只有低频射频功率，在样品5沉积过程中只有高频射频功率，其他样品采用高低频射频交替的方法，射频功率均为50 W．

表2 氮化硅薄膜沉积射频功率高低频参数

1.3 测试方法

椭偏仪是一种用于探测薄膜厚度、光学常数及材料微结构的光学测量仪器．由于测量精度高、与样品非接触，对样品没有破坏且不需要真空，使得椭偏仪成为一种极具吸引力的测量仪器．采用PECVD沉积氮化硅制作样品后，首先采用椭偏仪对样品进行测试，得到沉积氮化硅的厚度及其折射率薄膜参数，然后通过厚度及沉积时间计算得到不同工艺条件下的沉积速率．

除测试薄膜的厚度和折射率外，还对薄膜的内应力进行了表征，采用拉曼(Raman)光谱法对沉积的薄膜应力大小进行分析[5]．该方法主要利用物体存在应力时某些对应力敏感的谱带将产生移动和变形的原理，其中Raman 峰频率偏移的改变与所受应力成正比，因此可以根据Raman谱带的漂移判断薄膜内应力的种类及大小当固体受压应力作用时，分子的键长通常要缩短，依据力常数和键长的关系，力常数将增加，从而增加了振动频率，导致谱带向高频方向移动；反之，当固体受张应力作用时，谱带向低频方向移动．拉曼峰值频率的移动量与薄膜内部残余应力的大小成正比，即Δω=α·δ或δ=-k·Δω．式中Δδ为被测样品和无应力标准样品对应力敏感的相同谱峰的频率差，即频移( frequency shift，单位 cm-1) ；为薄膜的残余应力；k和α为应力因子，其中k值为 Raman 峰频移与应力关系(一般是直线规律) 的斜率，k值的确定需要进行标定实验．

在拉曼光谱测试中，用激励光源波长为514.5 nm，功率为10 mW的氩离子激光器．由于应力的存在使拉曼峰发生位移，位移的程度反映了应力的大小．薄膜的残余应力δ=-k·Δω=-k(ω-ω0)．

式中k=518 MPa·cm[6]，ω和ω0分别为Si基底在有应力及无应力时的拉曼频率，δ负值为压应力、正值为张应力．

2 结果及分析

2.1 射频频率对氮化硅薄膜沉积速率的影响

用椭偏仪对样品薄膜厚度进行测试，得到的测试结果列于表3．根据薄膜沉积时间及薄膜厚度，通过计算得到不同射频频率条件下的沉积速率曲线(图2)．

图2 不同射频频率条件下的沉积速率曲线Fig.2 Deposition rate curve under the condition of different radio frequency

从图2可以看出，低频条件下氮化硅薄膜的沉积速率低于高频条件下的沉积速率；高低频交替沉积时，氮化硅的沉积速率和低频与高频的时间占比相关，高频沉积时间占比越高，沉积速率越大．这是因为高频射频沉积时，反应离子与射频磁场无响应，沉积过程匀速进行；在低频沉积时，反应离子与射频磁场响应，对已沉积的薄膜产生离子轰击，因此沉积的速率变小．

2.2 射频频率对氮化硅薄膜折射率的影响

用椭偏仪对样品薄膜的折射率进行测试，得到的测试结果如图3所示．从图3可以看出，在低频条件下沉积的氮化硅薄膜的折射率比高频条件下的低，而高低频交替调控PECVD沉积的氮化硅薄膜的折射率与其高低频时间占比相关．

图3 不同射频频率条件下的沉积薄膜折射率曲线Fig.3 Refractive index curve under the condition of different radio frequency

2.3 射频频率对氮化硅薄膜应力的影响

用拉曼(Raman)光谱法对沉积的薄膜应力大小进行分析，通过实验中拉曼峰值(W0)确定为520.45 cm-1，图4为测试样品得到的拉曼光谱．从图4可见：样品1和样品2向拉曼峰值W0的右边偏移，根据拉曼光谱测试应力的原理可知，薄膜内部应力为压应力；样品5向拉曼峰值的左边偏移，薄膜内部应力为张应力；样品3和样品4拉曼光谱峰值与拉曼光谱的中心峰值接近，可知样品的薄膜内部应力比较小．这是由于在低频下等离子体的离化度较高，离子轰击效应明显，去除薄膜生长中的一些结合较弱的原子团，离子轰击使得薄膜结合更加致密，所以表现为压应力；相反在高频下没有离子轰击，薄膜原子结合疏松，表现为张应力．

图4 样品拉曼光谱图Fig.4 Raman Spectrum of the samples

对样品拉曼谱峰频率偏移进行分析和计算，得到样品应力的大小，PECVD沉积氮化硅薄膜应力与高频时间占比的关系曲线如图5所示．从图5可见，高频下沉积的薄膜具有张应力，而低频下沉积的薄膜具有压应力，高低频混合沉积时薄膜应力大小、类型与高频频率的占比相关．实验结果表明，当高频时间占比为65%时，薄膜应力最小．

图5 氮化硅薄膜内应力与高频时间占比的关系Fig.5 Film stress vs percentage hf

3 结 论

在PECVD沉积氮化硅薄膜过程中，射频频率对沉积速率及薄膜性能有影响．低频条件下，氮化硅薄膜的沉积速率和折射率比高频条件下的低；低频率和高频条件下沉积的氮化硅薄膜内部应力，分别表现为压应力和张应力；高低频交替沉积时氮化硅的沉积速率、折射率和应力与高频的时间占比相关，通过调控高低频时间的占比可以调控PECVD沉积氮化硅薄膜的折射率、生长速率及应力．

[1] 崔进炜．二氧化硅和氮化硅的等离子体汽相淀积与应用[J]．半导体技术，2000，25(4)：15-17

[2] 冉春华，金义栋，祝闻，等．应力对薄膜结构与性能影响的研究现状[J]．材料导报，2013，27(3)：139-142.

[3] CLAASSEN W A P，VALKENBURG W G J N，WILLEMSEM M F C，et al. Influence of deposition temperature, gas pressure，gas phase composition，and RF Frequency on composition and mechanical stress of plasma silicon nitride layers[J].Electrochem Soc，1985，132：893-898.

[4] PEARE C W，FETCHO R F，GROSS M D，et al．Characteristics of silicon nitride deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition using a dual frequency radio-frequency source[J].Appl Phys，1992，71：1838.

[5] INGRID D W．Micro raman spectroscopy to study local mechanical stress in silicon integrated circuits[J]．Semiconductor Science and Technology，199611：139-154．

[6] WOLF I D，VANHELLEMONT J，ROMANANO-RODRFGUEZ A，et al．Micro-raman study of stress distribution in local isolation structures and correlationwith transmission electronmicroscopy[J].Appl Phys， 1992，71：898-906．

Study the effect of RF frequency on the performance of silicon nitride film deposited by PECVD

LIU Jiucheng，LIU Xiaoyan，REN Yuan，LIU Ningyang，WANG Junjun，WANG Qiao，CHEN Zhitao

GuangdongResearchInstituteofSemiconductorIndustrialTechnology，Guangzhou510650，China

Silicon nitride films were deposited by the plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method at different radio frequencies. And the film thickness, refractive index and stress were characterized by ellipsometer and raman spectrum respectively．The results show that the deposition rate and refractive index of the silicon nitride film deposited at low RF frequencies are lower than those at high RF frequencies. Silicon nitride deposited at lower radio frequencies and higher RF frequencies display compressive stress and tensile stress respectively, and when silicon nitride is deposited at higher and lower RF frequencies alternately, its deposition rate, refractive index and stress are related to the ratio of time lower RF frequencies and higher RF frequencies cost. Control over the ratio of time allows modulation of the refractive index, growth rate and stress of silicon nitride films deposited with the PECVD method.

silicon nitride；PECVD；raman spectrum；stress

1673-9981(2016)03-0171-05

2016-08-12

广东省创新团队(2013C067)；广东省科技计划项目(2016B070701023)；广东省重大科技专项(2014B010119003，2015B010112002)；广东省应用型科技研发专项(2015B010129010，2015B010134001，2015B010132004)；广东省科研基础条件建设专题(2016GDASPT-0313，2016GDASPT-0219)

刘久澄(1988-)，男，江西赣州人，工程师，硕士.

TN304.24

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