一、氮化硅薄膜制備方法及用途

氮化硅（Si3N4）薄膜是一種應(yīng)用廣泛的介質(zhì)材料。作為非晶態(tài)絕緣體，氮化硅薄膜的介電特性?xún)?yōu)于二氧化硅，具有對(duì)可移動(dòng)離子較強(qiáng)的阻擋能力、結(jié)構(gòu)致密、針孔密度小、化學(xué)穩(wěn)定性好、介電常數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，在集成電路制造領(lǐng)域被廣泛用作表面鈍化層、絕緣層、擴(kuò)散阻擋層、刻蝕掩蔽膜等。

LPCVD和PECVD制備氮化硅薄膜特性對(duì)比（下表）

低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）氮化硅工藝需要高溫，通常在700~800°C，而等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）氮化硅可以在低于 400°C 的溫度下沉積。相較于PECVD氮化硅薄膜，LPCVD氮化硅具備更加致密的薄膜特性，更耐腐蝕，薄膜硬度更好，掩膜性更好，更加廣泛的應(yīng)用于堿性溶液刻蝕硅材料的掩膜層。不過(guò)這兩個(gè)過(guò)程通常存在工藝溫度和薄膜質(zhì)量之間的利弊權(quán)衡，LPCVD 工藝沉積高質(zhì)量的氮化硅薄膜，而PECVD工藝沉積包含不同濃度硅氫鍵的氮化硅薄膜。

氮化硅薄膜是無(wú)定形的硬質(zhì)材料，在半導(dǎo)體器件制造中有兩個(gè)主要用途：掩蔽膜和鈍化層。掩蔽膜通常使用 LPCVD 沉積，因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生最不透水的薄膜。氮化硅掩蔽特別適用于熱氧化過(guò)程，因?yàn)檠鯕夂茈y經(jīng)由氮化硅擴(kuò)散。

氮化硅作為鈍化層也具有許多理想的品質(zhì)。PECVD 方法允許其在與底層器件結(jié)構(gòu)兼容的工作溫度下沉積。該薄膜幾乎不受水分和鈉離子等關(guān)鍵環(huán)境污染物的影響。最后，通過(guò)調(diào)整 PECVD 工藝條件，還可以調(diào)整薄膜中的固有應(yīng)力，以消除薄膜分層或開(kāi)裂的任何風(fēng)險(xiǎn)。

二、低應(yīng)力 PECVD氮化硅薄膜制備

對(duì)于很多常用材料，如氮化硅、多晶硅等，本征應(yīng)力是不可避免的。不過(guò)在半導(dǎo)體工藝中往往需要較低的薄膜應(yīng)力，以保證較小的器件形變。通常的方法是采用多層薄膜結(jié)構(gòu)，并通過(guò)選擇材料、控制厚度和應(yīng)力方向（一層由于壓應(yīng)力而產(chǎn)生了形變的薄膜，理論上增加一層張應(yīng)力的材料，可以使總的變形降低為零）來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償以消除應(yīng)力帶來(lái)的結(jié)構(gòu)變形。

在PECVD制備氮化硅薄膜工藝中，薄膜應(yīng)力主要來(lái)源于兩個(gè)方面。一是由于薄膜和襯底之間不同的熱膨脹系數(shù)所導(dǎo)致的熱應(yīng)力，這種應(yīng)力是由于在高溫條件下淀積的薄膜當(dāng)降低到室溫時(shí)相對(duì)于襯底會(huì)產(chǎn)生一定的收縮或膨脹，表現(xiàn)出張應(yīng)力或壓應(yīng)力。

另外，淀積薄膜的微結(jié)構(gòu)也是產(chǎn)生應(yīng)力的重要原因，這種應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由于薄膜和襯底接觸層的錯(cuò)位，或者是因?yàn)楸∧?nèi)部的一些晶格失配等缺陷和薄膜固有的分子排列結(jié)構(gòu)造成的。

在PECVD系統(tǒng)中，由于淀積溫度較低（通常不超過(guò)400℃），并且引用射頻放電產(chǎn)生等離子體來(lái)維持反應(yīng),因此射頻條件（頻率和功率）成為影響氮化硅薄膜應(yīng)力的關(guān)鍵因素之一。

PECVD淀積的氮化硅薄膜化學(xué)比分波動(dòng)較大，其硅-氮比隨反應(yīng)氣體比例的變化而變化，同時(shí)淀積的氮化硅薄膜中通常還含有一定量的氫元素，氫的存在會(huì)使薄膜的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生退化，但也會(huì)降低薄膜的應(yīng)力。

在低頻（380kHz）條件下，反應(yīng)氣體的離化率較高，等離子體密度較大，在淀積反應(yīng)過(guò)程中比較容易減少氫元素的摻入，使薄膜變得致密，因此會(huì)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，較高等離子體密度也會(huì)產(chǎn)生較快的淀積速率。

在高頻（13.56MHz）條件下，反應(yīng)氣體的離化程度遠(yuǎn)低于低頻時(shí)，因此等離子體密度較低，在淀積反應(yīng)中引入較多的氫元素，這種含氫較高且比較疏松的結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的就是薄膜的張應(yīng)力。

混頻氮化硅薄膜的性質(zhì)介于二者之間，可以視為低頻氮化硅和高頻氮化硅二者的疊加。因此可以使用混頻工藝減小氮化硅薄膜的應(yīng)力，并對(duì)混頻工藝的參數(shù)進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜應(yīng)力大小甚至方向的控制。

不過(guò)對(duì)于混頻工藝中低頻和高頻反應(yīng)時(shí)間周期需要適當(dāng)選取。當(dāng)切換時(shí)間周期過(guò)短，反應(yīng)腔中將頻繁的進(jìn)行高低頻的交換，由于高頻和低頻條件下的等離子體性質(zhì)有較明顯的差異，因此這種頻繁的切換會(huì)使等離子體變得不穩(wěn)定，從而影響薄膜的均勻性。當(dāng)切換時(shí)間周期過(guò)長(zhǎng)，由于高頻和低頻氮化硅本身又在致密度、折射率等參數(shù)上有所不同，過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的單一頻率淀積會(huì)影響氮化硅薄膜厚度方向上的均勻性。因此在進(jìn)行工藝調(diào)整時(shí)對(duì)于以上兩方面因素要折中考慮。

射頻功率是 PECVD 工藝中最重要的參數(shù)之一。當(dāng)射頻功率較小時(shí)，反應(yīng)氣體尚不能充分電離，激活效率低，反應(yīng)物濃度小，薄膜針孔多且均勻性較差；當(dāng)射頻功率增大時(shí)，氣體激活效率提高，反應(yīng)物濃度增大，并且等離子體氣體對(duì)襯底有一定的轟擊作用使生長(zhǎng)的氮化硅薄膜結(jié)構(gòu)致密，提高了膜的抗腐蝕性能。但射頻功率不能過(guò)大，否則沉積速率過(guò)快,會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似“濺射”現(xiàn)象影響薄膜性質(zhì)。低頻條件下氮化硅薄膜應(yīng)力為壓應(yīng)力，高頻條件下為張應(yīng)力，其大小均隨功率的增大而減小。