低应力变化pecvd二氧化硅薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种二氧化硅薄膜的加工方法，尤其涉及一种低应力变化PECVD二氧 化硅薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002] PECVD (等离子体增强化学气相沉积）二氧化硅薄膜具有硬度高、介电特性好、光 透过率高、绝缘性好的特点，是一种在半导体、微电子学和微机电系统（MEMS)领域广泛应 用的膜材料。基于3以 4的PECVD二氧化硅薄膜广泛应用于MEMS加工领域，其薄膜应力在 表面微机械加工技术中十分重要，残余的应力可导致MEMS结构的偏移、翘曲甚至断裂。
[0003] 尤其如今MEMS对PECVD二氧化硅薄膜加工工艺的需求越来越多样化，一些包含有 退火（Anneal)工艺的MEMS结构要求PECVD二氧化硅薄膜退火后要有较好的介电性能和较 小的应力变化。为了能得到理想的PECVD二氧化硅薄膜，往往可以通过不断地调整退火温 度来获得，但此方案对上下层结构影响较大，可行性不高。目前现有的一般PECVD二氧化 硅工艺应力在0~±l〇〇Mpa之间，经过炉管退火后，薄膜的介电性能不符合MEMS要求，特 别是退火前后应力变化太大，导致MEMS结构偏移、变型。因此如何通过调整工艺参数来使 PECVD二氧化硅薄膜在退火前后应力变化最小，成为当前PECVD二氧化硅薄膜加工领域亟 待解决的问题。
【发明内容】
[0004] 为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种低应力变化PECVD二氧化硅薄膜 的制备方法，该方法通过调整沉积过程中气体流量和射频功率得到高收缩应力的PECVD二 氧化硅薄膜，经MEMS工艺中退火后应力变化小、介电性能优良，符合MEMS结构要求。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 一种低应力变化PECVD二氧化硅薄膜的制备方法，包括
[0007] 步骤（1):将反应气体供给到放置有基板的反应腔体中，并利用等离子体增强化 学气相沉积在基板上沉积二氧化硅薄膜，该步骤中沉积温度为400°C，产生等离子体的射频 功率为300~400W，反应气体的气体流量为60~70sccm，沉积所得PECVD二氧化硅薄膜的 应力为-200~_350MPa ;
[0008] 步骤⑵：将经步骤⑴所得二氧化硅薄膜进行退火，退火条件为1100~1200°C 下退火50~60min。
[0009] 其进一步的技术方案是：
[0010] 所述反应气体为SiH4和经汽化的TE0S。
[0011] 借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明改进了一般的PECVD二氧化硅 薄膜沉积工艺，通过在常规沉积温度400°C下，采用低气体流量60~7〇 SCCm及高射频功 率300~400W的方式沉积得高收缩应力的PECVD二氧化硅薄膜，并结合MEMS后续的退火 工艺，省略了比较繁琐和耗能耗时的退火工艺调整，可得到理想的退火前后应力变化小的 PECVD二氧化硅薄膜，同时使退火后的薄膜介电性能良好，符合MEMS结构的要求。
[0012] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明四因素三水平正交实验结果图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图1和具体实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述，以 下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0015] 本发明的具体实施例采用四因素三水平正交实验，选择对低应力变化PECVD二氧 化硅薄膜沉积影响明显的工艺条件，反应气体选用硅烷（SiH 4)气体。本具体实施例中均采 用目前现有技术中的常规沉积温度400°C，选择反应腔体内基板到气体喷淋头之间的距离 (Spacing)、射频功率（RF)、SiH^体流量（SiH 4)和反应腔体内压力（Pressure)为四个因 素，其中Spacing的三个水平依次为330mil、370mil和410mil，RF的三个水平依次为100W、 130W和160W，SiH 4的三个水平依次为60sccm、80sccm和lOOsccm，Pressure的三个水平依 次为4. 2Torr、3. 8Torr和3. 4Torr，然后通过上述因素和各因素的水平进行L9正交实验，实 验结果参见图1所示，其中纵列四个验证指标自上向下依次为沉积所得PEVCD二氧化硅薄 膜的应力（Stress) /MPa，沉积所得PEV⑶二氧化硅薄膜的厚度（THK) /A，沉积所得PEV⑶二 氧化硅薄膜的均匀度（THK Nu)/%，沉积所得PEVCD二氧化硅薄膜的折射率（RI)。
[0016] 参见图1所示，由该图中Spacing纵列可以看出，当反应腔体内基板到气体通 道之间的距离为330mil、370mil和410mil时，PEV⑶二氧化硅薄膜的应力由0转变至 约-lOOMPa，变化并不明显，且膜厚（THA)在35000~25000A之间逐步减小，膜的均匀性 (THK Nu)在I. 0~1. 3%之间变动，膜的折射率（RI)在1. 47~1. 46之间变动，该四个验 证指标的变化均不明显，说明反应腔体内基板到气体通道之间的距离对PEVCD二氧化硅 薄膜沉积工艺的影响不大。由该图中RF纵列可以看出，当射频功率为100W、130W和160W 时，PEV⑶二氧化硅薄膜的应力由约IOOMPa转变至约-150MPa，变化显著，但膜厚（THA)在 35000~25000A之间略有变动，膜的均匀性（THK Nu)在0. 5~1. 5%之间变动，膜的折射 率（RI)在1. 47~1. 46之间变动，该四个验证指标中PEV⑶二氧化硅薄膜的应力和膜的均 匀性变化显著，说明射频功率对PEVCD二氧化硅薄膜的应力和膜的均匀性影响较大。由该 图中SiH 4纵列可以看出，当SiH 4气体流量为60sccm、80sccm和IOOsccm时，PEVCD二氧化 硅薄膜的应力由约_200Mpa呈上升状转变至约lOOMPa，变化显著，膜厚（THA)在23000~ 40000A之间呈上升变动，膜的均匀性（THK Nu)在1. 2~1. 0%之间呈下降变动，膜的折射率 (RI)在1. 45~1. 48之间呈上升变动，该四个验证指标的变化均较为显著，说明SiH4气体 流量对PEVCD二氧化硅薄膜的应力、膜厚、膜的均匀性及折射率影响均较大，且该影响显著 于射频功率RF的影响。由该图中Pressure纵列可以看出，当反应腔体内压力为4. 2Torr、 3. 8Torr和3. 4Torr时，PEV⑶二氧化硅薄膜的应力为-20Mpa且基本没有任何变动，膜厚 (THA)在23000~38000A之间呈上升变动，膜的均匀性（THK Nu)在I. 1~1. 0%之间呈下 降变动，膜的折射率（RI)在约1. 46~约1. 47之间呈上升变动，该四个验证指标的变化均 不明显，说明反应腔体内压力对PEVCD二氧化硅薄膜的应力、膜厚、膜的均匀性及折射率影 响均较小。综上所述，在保证一定的膜厚、膜均匀性和折射率的前提下，沉积工艺中的射频 功率（RF)和SiH4气体流量对PEVCD二氧化硅薄膜的应力有显著影响。因此选择合适的射 频功率及一丨比气体流量来得到所需的高收缩应力的PEVCD二氧化硅薄膜。
[0017] 对本发明中所述射频功率（RF)选用300~400W、SiH^体流量（SiH4)选用60~ 70sccm，反应腔体内基板到气体喷淋头之间的距离（Spacing)为280mil固定值，反应腔体 内压力（Pressure)为3. 8Torr固定值，沉积温度为400°C，分别进行对比例1和实施例1-6， 测试所得PEVCD二氧化硅薄膜的应力如表1所示。
[0018] 表 1
[0019]
[0020] 将上述经对比例1和实施例1-6所述工艺参数沉积所得的PEV⑶二氧化硅32K薄 膜经退火后测试前后应力的变化，其中退火条件为1100°c下进行60分钟，应力变化的结果 如表2所示。
[0021] 表 2
[0022]
[0023]
[0024] 由上述表1和表2可知，在常规沉积温度400°C条件下，固定对PEV⑶二氧化硅 薄膜的应力及应力变化影响极小的工艺参数：反应腔体内基板到气体喷淋头之间的距离 (Spacing)和反应腔体内压力（Pressure)，选择高射频功率300~400W和低WH 4气体流 量60~70sccm，得到的PEV⑶二氧化硅薄膜的应力在-200~-350MPa之间，经MEMS中后 续的退火工艺后，PEV⑶二氧化硅薄膜的应力变化远远低于对比例中所得PEV⑶二氧化硅 薄膜的应力变化。
[0025] 本发明所述技术方案中的反应气体可选用SiH4，即该方案适用于SiH4based二氧 化硅薄膜的沉积；反应气体也可以选用经汽化的TEOS (四乙基氧化硅），即该方案也适用于 TEOS based二氧化硅薄膜的沉积。
[0026] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技 术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和 变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种低应力变化PECVD二氧化硅薄膜的制备方法，其特征在于：包括 步骤（1):将反应气体供给到放置有基板的反应腔体中，并利用等离子体增强化学气 相沉积在基板上沉积二氧化硅薄膜，该步骤中沉积温度为400°C，产生等离子体的射频功率 为300~400W，反应气体的气体流量为60~70sccm，沉积所得PECVD二氧化硅薄膜的应力 为-200 ~-350MPa ; 步骤（2):将经步骤（1)所得二氧化硅薄膜进行退火，退火条件为1100~120(TC下退 火 50 ~60min。2. 根据权利要求1所述的低应力变化的PECVD二氧化硅薄膜的制备方法，其特征在于： 所述反应气体为SiH4和经汽化的TEOS。
【专利摘要】本发明涉及一种低应力变化PECVD二氧化硅薄膜的制备方法，该方法改进了一般的PECVD二氧化硅薄膜沉积工艺，通过在常规沉积温度400℃下，采用低气体流量60～70sccm及高射频功率300～400W的方式沉积得高收缩应力的PECVD二氧化硅薄膜，再结合MEMS后续的退火工艺，省略了比较繁琐和耗能耗时的退火工艺调整，可得到理想的退火前后应力变化小的PECVD二氧化硅薄膜，同时使退火后的薄膜介电性能良好，符合MEMS结构的要求。
【IPC分类】H01L21/31, H01L21/205, B81B7/02
【公开号】CN105047544
【申请号】CN201510401373
【发明人】吴庆才, 王剑, 侯永涛, 朱丰
【申请人】苏州工业园区纳米产业技术研究院有限公司
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月10日