摘要:利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法沉积给定折射率的氮化硅薄膜,通过正交实验法对衬底温度、NH3流量和射频功率3个对氮化硅薄膜沉积速率影响较大的工艺参数进行全局优化和调整,得到了氮化硅镀膜的最优工艺参数。
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的氮化硅薄膜作为理想的减反射膜,具有很好的表面钝化作用,已被广泛地用于半导体器件[1]。沉积参数的设计和工艺安排都会显著影响氮化硅薄膜产量和质量特性,为了满足氮化硅薄膜的质量特性要求[2],有必要对沉积过程的参数进行优化。文献[3–4]利用光学和化学计量仪器研究了不同沉积条件和退火条件对氮化硅薄膜的影响,得到了最优的沉积氮化硅薄膜的工艺参数;文献[5–6]对氮化硅镀膜过程中出现的薄膜破裂及纯度不高的问题进行了工艺参数优化;文献[7–8]研究了硅烷浓度、存底温度等工艺参数对PECVD沉积产物特征的影响。然而,现有的试验方法均属于单响应物理试验,需要耗费大量的时间和经费。
针对以上问题,本文采用正交实验设计优化方法研究了PECVD法沉积给定折射率氮化硅薄膜的工艺参数优化问题。首先利用单因素试验研究了各参数对薄膜质量的影响;其次,利用正交试验设计进行全局参数优化;最后,针对不满足质量期望的工艺参数进行局部调整,实现工艺参数的优化。
1PECVD沉积氮化硅薄膜的试验方案
1.1PECVD系统反应室的结构
本试验采用PD-200N型等离子体增强化学气相沉积设备,其PECVD系统为逆径向流反应室结构,最大镀膜直径为230mm;采用二级射频等离子体发生装置,上电极兼气流分配器,下电极放置衬底兼加热(图1)。氮化硅膜层的制备过程:源气体扩散,通过喷头均匀送入反应室;在电场作用下,电子加速并与气体分子碰撞,产生离化及中性基团,这些基团发生多种二次反应,反应物与衬底反应后吸附在衬底表面形成薄膜[2]。
1.2PECVD法沉积氮化硅薄膜原理
非平衡等离子体的一个重要特性,即等离子体中的分子、原子、离子或活性基团与周围环境相同。而非平衡电子则由于电子质量小,其平均温度可以比其他离子高1至2个数量级。因此,引入的等离子体使得沉积反应腔体中的反应气体被活化,并吸附在衬底表面进行化学反应,PECVD沉积法制备氮化硅薄膜就是利用非平衡等离子体的这一特性在低温下制备出新的介质薄膜[6]。
制备氮化硅薄膜的3个化学反应为:3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2;3SiHCl4+4NH3→Si3N4+12HCl;3SiH2Cl2+4NH3→Si3N4+6HCl+6H2。
1.3正交实验设计
在单因素实验的基础上,设计正交实验来定量分析氮化硅薄膜沉积中衬底的温度、射频功率和气体流量比等3个因素对沉积速率的影响。本研究中每个因素的水平数为3个,3个水平数相对应的因素值如表1所示,正交实验的参数设计如表2所示。
2试验结果与分析
2.1不同沉积参数对氮化硅薄膜厚度和折射率的影响
实验采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)法制备氮化硅薄膜,使用PD-220N型镀膜机,源气体采用硅烷和氨气,基片采用单面抛光的硅片。由于本实验是3因素(射频功率A、沉积温度B、气体流量C)相互影响,故采用正交实验法。设定反应室内压强为67Pa,薄膜的沉积时间为10min;氮化硅薄膜采用M-2000UI型变角度宽光谱椭偏仪进行厚度、折射率测量。实验结果见表3。
