LPCVD Si3N4工艺中副产物NH4Cl去除的研究

林洪春，朱应强，薛 斌

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引言

化学气相薄膜淀积是集成电路制造中常用的基础工艺之一，化学气相淀积分为低压淀积、常压淀积和等离子体淀积等，文章重点研究低压化学气相淀积（Low pressure chemical vapor deposition）氮化硅薄膜。氮化硅薄膜的质量直接关系集成电路的性能及良率，低压化学气相淀积过程中副产物的处理尤其重要，研究的目的是去除低压化学气相淀积LPCVD Si3N4工艺中的副产物NH4Cl，研究的主要成果在于有效的控制了LPCVD Si3N4片面的颗粒度，保证了Si3N4薄膜的生长质量[1]。

集成电路加工工艺中，薄膜质量直接影响器件的成品率，对于加工集成电路及光电系列产品的工艺线，低压淀积氮化硅薄膜是IC产品预氧化后掩蔽层的关键工序，氮化硅薄膜质量也关系有源区窗口质量及边缘鸟嘴的翘曲度。经过系列实验摸索，使用原工艺造成LP Si3N4薄膜颗粒过大，MOS电路需要返工来重新淀积Si3N4薄膜，返工时，要先利用磷酸在180℃条件下的高温化学反应除氮化硅，再使用50:1HF去除50nm预氧化层,而磷酸与稀释之后的50:1HF都无法去除氮化硅表面的颗粒[2]，如副产物NH4Cl，这样导致返工后颗粒残留。氮化硅薄膜由于其优良特性广泛应用于光电器件的制造，通常采用热氧化层与氮化硅薄膜组合作为光电产品的增透膜使用，如果氮化硅薄膜质量不佳，且光电品种增透膜无法返工，直接的后果就是报废。

因此，研究氮化硅薄膜质量问题十分必要，对于氮化硅反应中副产物NH4Cl去除的研究，有助于解决薄膜颗粒度以及副产物过多导致的氮化硅富硅现象，提升薄膜质量，提高元器件可靠性。

2 LPCVD Si3N4工艺原理

低压化学气相淀积氮化硅是半导体工艺制膜的方法之一[3]，其原理为低压化学气相反应，温度选择为790～810℃，压力设定为200mtor，以此为基础条件进行工艺反应[4]，NH3SiH2Cl2N2等反应气体在高温低压抽真空的环境中进行化学反应，生成的薄膜在晶圆表面形成小岛逐渐成膜[5]，成膜的质量与工艺密切相关。通过改变气体比例控制氮化硅薄膜的质量，可从根本上避免反应中副产物氯化铵（NH4Cl）的生成。经过理论结合试验验证，通过工艺过程中的气体比例调整，将化学反应过程中气体比例NH3:SiH2Cl2选择为3:1，即气体流量60sccm:20sccm，反应压力为200mtor，其优点在于反应过程中的气体配比合理，副产物生成较少，反应方程式如下[5]：

通过深入研究氮化硅薄膜的特性，采用系列化的工艺试验来验证LPCVD Si3N4薄膜的质量，其化学反应使用三种气体，分别是NH3、SiH2Cl2和N2，前两种气体的纯度为6N,氮气的纯度为4N,其理由是前两种气体为具体反应气体，后一种气体为反应过程中调节反应管道压力的饱和气体，反应温度采用梯度温度，管道口为790℃、管道中为810℃，管道尾为830℃。研究发现无法通过调整反应温度、反应腔体压力解决氮化硅表面颗粒问题。通过试验发现NH3、SiH2Cl2的气体流量比例是LPCVD Si3N4薄膜片面颗粒根除的关键，研究中通过调整这个比例来解决氮化硅表面颗粒度问题。经重新调整，将原有的工艺条件气体氨气、二氯二氢硅及反应压力，即NH3(30sccm):SiH2Cl2(60sccm)/Press(200mtor)更改为NH3(20sccm):SiH2Cl2(60sccm)/Press(200mtor)，这样大大增加了反应气体中氨气的比例，使反应气体中氨气的饱和量稍高，减少薄膜中富硅的现象产生，进而减少副产物NH4Cl的生成。

3 LPCVD Si3N4薄膜工艺优化方案

3.1 薄膜制备工艺流程

实验选用硅基N<100>晶片，使用50:1HF漂洗表面的自然氧化层3～5nm[6]，经过清洗甩干，为防止氮化硅应力过大，先进行预氧化。预氧化使用50nm氧化工艺菜单，氧化薄膜采用热氧化工艺。预氧化完成后，为防止清洗、甩干后氧化层表面有水汽等因素，导致淀积氮化硅薄膜质量不佳,不清洗直接进行氮化硅淀积，淀积厚度为180nm。工艺步骤如表1。

表1 淀积氮化硅的工艺步骤

3.2 工艺试验对比

试验采取新老工艺对比的方式进行，使用晶圆试验片进行厚度测试比较及折射率测试。老工艺的条件为NH3(30sccm)/SiH2Cl2(60sccm)/Press(200mtor)/810℃，新工艺条件为NH3(20sccm)/SiH2Cl2(60sccm）/Press(200mtor)/810℃。

老工艺 NH3（30sccm）/SiH2Cl2（60sccm）/Press（200mtor）/810℃ 进行10片试验，目标值为180±10nm,使用膜厚仪测试的厚度及折射率如表2：

表2 旧工艺的试验数据

采用新工艺NH3(20sccm)/SiH2Cl2(60sccm）/Press(200mtor)/810℃进行10片试验，目标值为180±10nm,使用膜厚仪测试的厚度及折射率如表3：

表3 新工艺的试验数据

采用新老工艺之后的片面对比情况如图1所示。老工艺的片面四周颜色不均，代表了薄膜厚度的差异；新工艺的片面均匀，很大程度上改善了晶圆表面四周颜色不均的问题。

图1 不同气体比例下氮化硅薄膜差异

4 实验结果

通过对新旧工艺样片测试结果对比，采用新工艺后，薄膜的厚度均匀性一致，折射率均为2.0[7]，解决了因副产物NH4Cl较多而产生的薄膜厚度不均匀问题，薄膜的折射率、均匀性、拟合度良好，薄膜质量优良。图2为膜厚仪的拟合曲线。

图2 新工艺薄膜的膜厚仪测试拟合曲线

5 结束语

通过以上理论及实践的研究，解决了因氮化硅工艺气体配比不合理而产生的副产物NH4Cl过多的问题，继而改善了氮化硅薄膜的颗粒及应力带来的薄膜质量问题，保证了低压化学气相淀积氮化硅薄膜的可靠性，有助于大幅度提高IC产品的成品率及光电器件增透膜的质量[8]。

参考文献：

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