PECVD工艺中氮化硅薄膜龟裂研究

徐 衡，林洪春，唐 冬

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

PECVD工艺中氮化硅薄膜龟裂研究

徐 衡，林洪春，唐 冬

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

PE氮化硅薄膜优异的物理、化学性能使其在半导体分立器件、IC电路中常被用作绝缘层、钝化层而使用。然而，氮化硅龟裂问题是影响其作为钝化层使用的阻碍因素，因此，科学的氮化硅工艺条件对其薄膜质量的影响非常关键。给出了等离子体化学气相淀积（PECVD）氮化硅薄膜技术的原理，通过实验验证，确定了诱发氮化硅龟裂现象的原因，优化工艺条件，确定了PECVD氮化硅的最佳工艺条件，杜绝了龟裂现象对氮化硅作为钝化层使用的影响。

等离子体化学气相淀积；氮化硅薄膜；龟裂；钝化

1 引 言

微电子行业的制造工艺中，等离子体增强化学汽相淀积（PECVD）技术是近几年来极受重视的制备介质膜的先进工艺技术。它允许衬底保持在较低温度（一般在300℃-450℃）下生长介质薄膜。由于铝是在400℃-500℃进行退火的，因而蒸铝后的器件制作钝化介质膜需要在低温下进行。PECVD氮化硅除了有优越的低温沉积特性外，与热反应相比，它还能增强淀积速率，获得均匀组分和特性的介质膜。PECVD氮化硅沉积技术除了用于制作器件的钝化膜、增透膜外，它还可以用于制作光电器件扩散工艺的阻挡层，以形成所需的 PN结。虽然PECVD氮化硅膜特性好，但片面发黄、龟裂等问题一直影响其使用。下面介绍了PECVD氮化硅薄膜的生长原理以及影响其质量的主要因素，从大量的工艺试验中摸索工艺条件，制造了优质的PECVD氮化硅薄膜，解决了氮化硅片面发黄、龟裂问题。

2 PECVD淀积氮化硅薄膜的基本原理

等离子体激活的化学气相淀积法，是利用辉光放电的物理作用来激活化学气相沉积反应。在辉光放电所形成的等离子体中，由于电子和离子的质量相差悬殊，二者通过碰撞交换能量的过程比较缓慢，所以在等离子体内部，各种带电粒子各自达到其热力学平衡状态。

等离子体化学汽相淀积氮化硅是一种非化学计量组分的反应，其反应方程式为：

SiH4（气体）＋NH3（气体）＋N2——SixNyHz＋H2（气体）

在这里，硅烷和氨气反应是在200℃-400℃的等离子体中发生的。薄膜的淀积速率与射频功率、气体流量、反应室压力和射频频率有关。

上述反应中SiH4的流量为110sccm，NH3的流量为66sccm，N2流量为3600sccm，反应腔体温度为400℃，腔体压力为4.6T，射频频率为13.56MHz。

3 龟裂现象的产生

按照上述工艺条件，氮化硅薄膜会有两个现象产生，一是片面颜色深黄，如图1所示。二是薄膜产生龟裂现象，如图2所示。

片面发黄、龟裂现象的产生，严重影响了氮化硅在钝化工艺中的使用，而龟裂现象的产生是由于氮化硅的应力过大而造成，测试氮化硅的应力发现，其应力为344.0MPa。

图1 氮化硅薄膜片面正常与深黄（下部深色硅片部分）比较

图2 氮化硅在IC钝化层中龟裂现象

图3 氮化硅应力分布区域

图中深灰色部分为应力超标区域，在此区域的芯片基本如图2所以，产生龟裂现象。

4 影响PE氮化硅薄膜质量的因素及龟裂消除措施

随着研究的进展，工艺人员发现如果SiH4／NH3流量比的增加，氮化硅薄膜中Si／N原子比逐渐增加。当SiH4／NH3流量比大于0.4，即薄膜中Si／N原子比超过0.9时，薄膜呈富Si态；SiH4／NH3流量比在0.1-0.2时，薄膜中Si／N原子比为0.7-0.85，最接近于氮化硅薄膜标准化学计量比，此时氮化硅薄膜有较小内应力。这是由于氮化硅薄膜中Si、N原子含量影响的结果。当氮化硅薄膜的结构致密且无冗余的Si或N原子时，薄膜内应力很小，如同体型氮化硅材料。当薄膜的缺陷或空洞较多时，富裕的Si或N原子就会填充到空洞中，对空洞周围的薄膜分子产生挤压力，致使薄膜呈现压应力状态。所以，选择合适的沉积工艺条件制作出接近标准化学计量比的氮化硅薄膜，就可以达到减小氮化硅薄膜内应力的目的，从而消除龟裂现象。

另外，工艺人员通过纯HF腐蚀氮化硅发现，HF酸液上会有一层黄色的粉末漂浮在上面。这种现象也表明，氮化硅中富硅现象严重，所以在HF酸液上才会有黄色粉末产生，而导致富硅现象的原因是SiH4的流量过大而造成。

工艺人员紧接着进行如下实验，验证SiH4／NH3比例对氮化硅薄膜的影响。我们设计的试验是SiH4依次为70sccm、80sccm、90sccm、110sccm、130sccm，其他工艺条件不改变，具体的试验数值如表1所示。

表1 硅烷流量变化实验

通过重复此试验，实验结果基本一致。如果硅烷采用130sccm流量，薄膜的片面深黄，通过显微镜观察，龟裂现象非常严重，依次减小硅烷的流量为110sccm，片面发黄和龟裂得到改善，但是不能去除。而综合比较90sccm、80sccm、70sccm的流量发现，后两种工艺不仅由于硅烷气体的流量减小而生长速率降低，折射率也开始偏小，偏离了标准化学计量比的氮化硅薄膜。因此通过上述反复的工艺实验，验证了发黄、龟裂问题是硅烷流量引起的，而从生长速率、折射率、片面等综合参数考虑，确定SiH490sccm的流量为最佳工艺，可以消除氮化硅片面发黄、龟裂等现象，并制作出优良的氮化硅薄膜。

5 结束语

影响氮化硅薄膜质量的发黄、龟裂问题一直是困扰着其作为绝缘层、钝化层使用的不利因素。作者经过研究分析，优化工艺，最终确定PECVD氮化硅的工艺条件为：SiH4（90sccm）＋NH3（66sccm）＋N2（3600sccm）＝Si3N4＋等离子团，工艺腔体温度为400℃，工艺腔体压力为4.6T，射频功率为650W，射频频率为13.56MHz。从检验氮化硅薄膜质量的应力、折射率、生长速率、片面等多方面参数为标准，制作出高质量的氮化硅薄膜，成功解决了氮化硅龟裂等问题。

［1］高廷仲.介质膜淀积工艺（第一版）［M］.天津：天津科学技术出版社，1982-11..

［2］关旭东.化学气象淀积（第一版）［M］.北京：北京大学出版社，2003-10.

［3］孙承松.薄膜技术及应用［M］.沈阳：东北大学出版社，1998.

Research of Silicon Nitride Thin Film Cracking in Technical Process PECVD

XU Heng，LIN Hong-chun，TANG Dong
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

PE silicon nitride film，because of its excellent physical and chemical properties，is widely used in discrete semiconductor devices and IC circuit as an insulating layer and the passivation layer.However，the problem of silicon nitride cracking affects it used as the passivation layer，so the scientific process conditions should be kept to ensure the quality of the silicon nitride film.The paper presents the principle of a plasma chemical vapor deposition（PECVD）silicon nitride thin film，finds the reason of the nitrogen-induced silicon cracking，and optimizes the process conditions to prevent from cracking of the silicon nitride for good passivation layer.

Plasma chemical vapor deposition；Silicon nitride thin film；Cracking；Passivation

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.007

TN305.95

：A

：1002-2279（2014）04-0021-03

徐衡（1986-），男，辽宁沈阳人，助理工程师，主研方向：肖特基二极管。

2014-01-08