一种应力可控型硅基薄膜的制备方法与流程

本发明涉及硅基薄膜的技术领域。

背景技术：

随着传统光学、信息光学、光和无线通讯的不断扩展以及计算机技术、真空技术、光和微电子技术的飞速发展，薄膜光学器件以及薄膜电子器件得到了日益广泛的应用，如在半导体器件中作为表面钝化、金属层隔离介质、电容器介质等材料使用的硅基薄膜。

不同的应用对硅基薄膜性能的要求不同，特别是对薄膜应力的要求不同，薄膜应力的性质和大小直接影响薄膜元器件的性能、成品率、稳定性和可靠性。故制备满足不同应力要求的硅基薄膜对半导体器件而言是关键工艺之一。

目前常用且有效的调节硅基薄膜应力的方法之一是采用同时配置有高低频射频源的PECVD设备制备硅基薄膜，通常情况下高频射频源作用下所沉积的硅基薄膜呈现张应力，低频射频源作用下所沉积的硅基薄膜呈现压应力，通过高低频交替的过程，薄膜的应力由此实现张应力和压应力之间的转换。

目前常用且有效的调节硅基薄膜应力的另一种方法是选择应力性质相反的两种硅基薄膜进行组合，如氮化硅/氧化硅双层膜，取得应力平衡，由此得到与器件相适的薄膜材料。之所以采用双层膜或多层膜组合的方式，而非对单层膜进行厚度或形状调整，是因与宏观尺度材料不同，纳米级范围内的薄膜厚度变化和形状调整对应力大小的影响非常有限，不能得到期望的效果。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可在单频射频源的PECVD设备中制备得到的、单层膜即可在压应力与张应力之间大范围调整的、均匀性好、致密性高、成本低的硅基薄膜的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种应力可控型硅基薄膜的制备方法，其使用单频PECVD设备通过化学气相沉积法使原料气体在衬底材料上沉积、生长，得到硅基薄膜，制备时在原料气体中通入He和N₂。

在该技术方案中，He与N₂作为调节气体加入，其中He在单频PECVD设备中形成He等离子体，相对于其它常用惰性调节气体而言，其具有更高的热导率，提高了反应腔室直径范围内反应物和生成物热分布的均匀性，同时N₂的加入调节了等离子体气氛中的N₂⁺离子的分布，He的存在也进一步促进了N₂⁺离子的均匀分布，即两者不仅独立地具有调节硅基薄膜的成型质量的作用，同时相互间存在协同效应，通过共同作用增加了SiN_X薄膜中Si-N的结合能力，提高了薄膜的均匀性与致密性。

上述制备方法的一种实施方案为：所述N₂与He的流量比为0~10，不包括端点值0。

该实施方案对应硅基薄膜的应力要求，在该实施方案作用下，硅基薄膜的应力可调范围为压应力-1500Mpa~张应力2000Mpa，随着流量比的进一步提高，张应力还可进一步提高。

其进一步的实施方案为：所述N₂与He的流量比为0~1，不包括端点值0。

该实施方案对应硅基薄膜的应力要求，在该实施方案作用下，硅基薄膜的应力可调范围为压应力-1500Mpa~张应力500Mpa。

所述应力可控型硅基薄膜的制备方法的另一种实施方案为：所述硅基薄膜为选自SiN薄膜、SiO₂薄膜、SiON薄膜中的一种或多种。

其进一步的实施方案为：所述原料气体为选自SiH₄、NH₃、N₂O中的一种或多种。

可以理解的是，因本发明是以制备硅基薄膜为目的，上述原料气体中至少应含有SiH₄。

所述应力可控型硅基薄膜的制备方法的另一种实施方案为：所述衬底材料为选自硅、砷化镓、GaN、SiC、蓝宝石中一种或多种。

本发明的技术方案在上述实施方案中，针对不同的衬底材料，均可得到在张应力与压应力之间大范围可调控的硅基薄膜，其并不因衬底材料的不同而只能得到单一应力性质的产品。

所述应力可控型硅基薄膜的制备方法的另一种实施方案为：所述硅基薄膜的沉积速率为20~35 nm/min。

在该实施方案中，硅基薄膜的沉积速率相对常规方法制备时更快，但得到的成品片内均匀性和致密性均表现优异。

所述应力可控型硅基薄膜的制备方法的另一种实施方案为：：所述单频PECVD设备腔体内部真空压力为500~3000mTorr，腔体内射频功率为100~500W，腔体内温度为230~350℃。

所述应力可控型硅基薄膜的制备方法的另一种实施方案为：通入N₂的流量为0~5000sccm，通入He的流量为0~5000sccm。

所述应力可控型硅基薄膜的制备方法的另一种实施方案为：所述单频PECVD设备的频率为13.56MHz~2.45GHz。

本发明的有益效果如下：

（1）可在单频射频源的PECVD中制备得到应力可控的硅基薄膜，大幅降低设备成本；

（2）所得硅基薄膜可在单层状态下实现张应力与压应力之间的转换，大幅降低材料成本，提高材料应用范围，提高材料应用率，减少制备成本；

（3）可在较高的沉积速率下制备得到均匀性好、致密性高的硅基薄膜，减少了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本；

（4）当N₂与He的流量比在0~10的范围内时，制备得到的硅基薄膜的应力可调范围至少为压应力-1500Mpa~张应力2000Mpa；

（5）针对不同的衬底材料，均可制备得到能够在压应力与张应力之间转换的硅基薄膜，降低了对衬底材料的选择性，减少了生产成本，提高了生产普适性；

（6）相对于高低频设备制备得到的硅基薄膜，本发明制备得到的硅基薄膜BOE蚀刻率平均降低50%以上，说明其致密性明显更好；

（7）本发明制备得到硅基薄膜在较高的沉积速率下，片内均匀性在4%以内，可满足高质量、大规模工业生产；

（8）本发明操作简单、可控性高。

附图说明

图1为使用Si作衬底材料、制备SiN薄膜时，N₂/He流量比与薄膜应力变化趋势图；

图2为使用GaAs作衬底材料、制备SiN薄膜时，N₂/He流量比与薄膜应力变化趋势图；

图3为使用Si作衬底材料、制备SiO₂薄膜时，N₂/He流量比与薄膜应力变化趋势图。

具体实施方式

实施例1

在衬底材料Si上制备SiN薄膜：

使用10wt%的HCl去离子水溶液清洗Si基片后放入频率为13.56MHz的单频PECVD设备的腔体内，其后将原料气体SiH₄、NH₃及N₂、He从腔体顶部喷淋小孔均匀通入腔体内，腔体内温度设置为250℃，腔体内压力设置为1500mTorr，制备过程中射频源的功率设置为150W，SiH₄流量为400sccm，NH₃流量为20sccm，N₂流量为0~5000sccm，He流量为0~5000sccm，实际流量根据流量比进行调整，薄膜沉积速率大于20nm/min，沉积时间为3min，从接近0开始调节N₂/He的流量比至1，得到如附图1所示的N₂/He流量比与薄膜应力变化趋势图，使用的应力测试设备为TOHO公司的应力测试仪，如附图1显示出在N₂/He流量比变化的过程中，对应得到的SiN薄膜应力从压应力-1500Mpa变化到张应力500Mpa，即可得到应力可控型硅基薄膜，从制得的应力可控型硅基薄膜中随机选择4批次与由高低频设备制得的SiN 薄膜进行4种不同应力条件下的BOE蚀刻测试，测试结果如下表所示：

可见本发明制备得到的SiN膜致密性均较高低频设备制备的SiN薄膜好；同时，经测试所得SiN薄膜厚度片内均匀性在4%以内。

实施例2：

在衬底材料GaAs上制备SiN薄膜：

使用10wt%的HCl去离子水溶液清洗GaAs基片后放入频率为13.56MHz的单频PECVD设备的腔体内，其后将原料气体SiH₄、NH₃及N₂、He从腔体顶部喷淋小孔均匀通入腔体内，腔体内温度设置为300℃，腔体内压力设置为2000mTorr，制备过程中射频源的功率设置为180W，SiH₄流量为700sccm， NH₃流量为50sccm，N₂流量为0~5000sccm，He流量为0~5000sccm，薄膜沉积速率大于35nm/min，沉积时间为5min，从接近0开始调节N₂/He的流量比至1，得到如附图2所示的N₂/He流量比与薄膜应力变化趋势图（其中X轴为N₂/He流量比，Y轴为应力）使用的应力测试设备为TOHO公司的应力测试仪，如附图2显示出在N₂/He流量比变化的过程中，对应得到的SiN薄膜应力从压应力-800Mpa变化到张应力200Mpa，即得到应力可控型硅基薄膜；从制得的应力可控型硅基薄膜中随机选择4批次与由高低频设备制得的SiN 薄膜进行4种不同应力条件下的BOE蚀刻测试，测试结果如下表所示：

可见本发明制备得到的SiN膜致密性均较高低频设备制备的SiN薄膜好；同时，经测试所得SiN薄膜厚度片内均匀性在4%以内。

实施例3

在衬底材料SiC上制备SiN薄膜：

使用10wt%的HCl去离子水溶液清洗SiC基片后放入频率为2.45GHz的平板单频PECVD设备的腔体内，其后将原料气体SiH₄、NH₃及N₂、He从腔体顶部喷淋小孔均匀通入腔体内，腔体内温度设置为350℃，腔体内压力设置为3000mTorr，制备过程中射频源的功率设置为500W，SiH₄流量为700sccm， NH₃流量为50sccm，N₂流量为0~5000sccm，He流量为0~5000sccm，薄膜沉积速率大于30nm/min，沉积时间为4min，从接近0开始调节N₂/He的流量比至10，在调节过程中，使用的应力测试设备测试得到的不同SiN薄膜应力，测试使用TOHO公司的应力测试仪，测试中可观察到随N₂/He流量比从0增大到10，SiN的应力从压应力-1500Mpa连续变化至张应力2000Mpa，即通过本实施方案可得到应力可控型硅基薄膜，所得SiN薄膜厚度片内均匀性在4%以内。

实施例4

在衬底材料Si上制备SiO₂薄膜：

使用10wt%的HCl去离子水溶液清洗Si基片后放入频率为13.56MHz的单频PECVD设备的腔体内，其后将原料气体SiH₄、N₂O及N₂、He从腔体顶部喷淋小孔均匀通入腔体内，腔体内温度设置为300℃，腔体内压力设置为1000mTorr，制备过程中射频源的功率设置为100W，SiH₄流量为1100sccm，N₂O流量为4400sccm，N₂流量为50~100sccm，He流量为2000~4500sccm，薄膜沉积速率大于25nm/min，沉积时间为3min，从接近0开始调节N₂/He的流量比至2，得到如附图3所示的N₂/He流量比与薄膜应力变化趋势图，使用的应力测试设备为TOHO公司的应力测试仪，如附图3显示出在N₂/He流量比变化的过程中，对应得到的SiO₂薄膜应力从压应力-350Mpa变化到张应力50Mpa，即可得到应力可控型硅基薄膜，所得SiO₂薄膜厚度片内均匀性在4%以内。

实施例5

在衬底材料GaAs上制备SiO₂薄膜：

使用10wt%的HCl去离子水溶液清洗GaAs基片后放入频率为13.56MHz的单频PECVD设备的腔体内，其后将原料气体SiH₄、N₂O及N₂、He从腔体顶部喷淋小孔均匀通入腔体内，腔体内温度设置为350℃，腔体内压力设置为1000mTorr，制备过程中射频源的功率设置为150W，SiH₄流量为1200sccm，N₂O流量为4500sccm，N₂流量为50~100sccm，He流量为2000~4500sccm，薄膜沉积速率大于30nm/min，沉积时间为4min，从接近0开始调节N₂/He的流量比至5，在调节过程中使用的应力测试设备测试得到的不同SiO₂薄膜应力，测试使用TOHO公司的应力测试仪，测试中可观察到随N₂/He流量比从0增大到5的过程中对应得到的SiO₂薄膜应力从压应力-450Mpa变化到张应力100Mpa，即可得到应力可控型硅基薄膜，所得SiO₂薄膜厚度片内均匀性在4%以内。

实施例6

在衬底材料蓝宝石上制备SiO₂薄膜：

使用10wt%的HCl去离子水溶液清洗蓝宝石基片后放入频率为2.45GHz的平板单频PECVD设备的腔体内，其后将原料气体SiH₄、N₂O及N₂、He从腔体顶部喷淋小孔均匀通入腔体内，腔体内温度设置为300℃，腔体内压力设置为500mTorr，制备过程中射频源的功率设置为500W，SiH₄流量为1200sccm，N₂O流量为4500sccm，N₂流量为50~100sccm，He流量为2000~4500sccm，薄膜沉积速率大于35nm/min，沉积时间为4min，从接近0开始调节N₂/He的流量比至10，在调节过程中，使用的应力测试设备测试得到的不同SiO₂薄膜应力，测试使用TOHO公司的应力测试仪，测试中可观察到随N₂/He流量比从0增大到10，SiO₂的应力从压应力-600Mpa连续变化至张应力1000Mpa，即通过本实施方案可得到应力可控型硅基薄膜，所得SiO₂薄膜厚度片内均匀性在4%以内。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。