魔鬼在细节~氮化硅镀膜工艺参数优化

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。

表3列出了每个因素的3个设置值。通过计算总体平均值M、某一个因素水平的影响定义为它所引起的相对总体平均值的偏离、因素X在水平I时的影响是M=1/3(D4+D5+D6),其中D4、D5、D6分别是实验4、5、6的结果。从上式得出的平均值叫做主要影响因素[6]。主要影响因素的平均值计算结果如表3～5所示,各因素对沉积速率的影响如表4所示。由表4可知,当温度由220℃上升到250℃,沉积速率达到16.639nm/min时,随着温度的继续上升,沉积速率开始减小。这是由于当温度上升时,热能传给气体,气体的动能增加,导致原子、中性原子团,等离子体的密度增加,沉积到硅片表面的数量增加,从而沉积速率增加;当温度继续上升时(超过沉积的最佳值),到达基片表面的基团减少,沉积速率降低。当射频功率由195W上升到240W,沉积速率先减小,当沉积速率达到15.483nm/min时,随着射频功率的继续上升,沉积速率开始增大。当气体流量比从1开始上升时,沉积速率先增大,当沉积速率达到16.621nm/min时,随着气体流量比的继续上升,沉积速率开始减小。这是由于在反应开始的时候,随着气体流量比增加,产生的离子、原子、中性原子团和等离子体增加,沉积到基片表面的基团增加,沉积速率增加,当气体流量比持续增加到2.135时,分子增多导致反应室内的压强增加,分子的动能增加,相互的碰撞加剧,从而导致沉积到基片表面的基团减少,沉积速率下降。

2.2各因素对性能影响的评估

各工艺参数对性能的影响用FS(SumofSumsofSquaresduetoFactor)和ST(TotalSumofSquares)评估。Di为第i个实验的结果,M为整个实验范围稳定的总体平均值。例如,对因素A而言,FS=3(1AM.M)2+3(2AM.M)2+3(3AM.M)2,即因素A的各个水平平均值相对总体平均值的差的平方和。

由表5可知,射频功率FS/ST为0.555;SiH4/NH3流量比值FS/ST为0.204;沉积温度FS/ST为0.176;由于0.555>0.204>0.176,即射频功率因素对沉积速率的影响最大,气体流量比是影响沉积速率的第2个因素,温度对沉积速率的影响最小。

仅改变实验的一个工艺参数,其他的不变,做8组上述的同样试验。

仅改变气体流量,沉积薄膜的时间为10min时,实验结果如表6所示。由表6可知,当沉积速率为最大(17.7090)时,气体流量比为20/70,此时折射率为1.7749(小于1.7884),在该参数条件下氮化硅薄膜的沉积速率基本满足工艺需要,但折射率偏低,不符合标准。仅改变射频功率时,沉积薄膜的时间为10min,实验结果如表7所示。由表7可知,当沉积速率为最大(17.778)时,气体流量比为20/70,此时折射率为1.7749(小于1.8739),在该参数条件下氮化硅薄膜的沉积速率基本满足工艺需要,但折射率偏低,不符合要求。因此需对折射率再次优化。

3满足折射率的正交优化实验

由于正交试验设计方法得到的优化参数沉积氮化硅薄膜的折射率比实际需求偏小，因此有必要进行基于折射率的局部优化调整。下面以氮化硅薄膜的折射率作为唯一的特性指标对工艺参数进行优化。气体流量对折射率的影响如图2所示。由图2可知,随着氨气的流量上升,氮化硅薄膜折射率依次增大。

射频功率对折射率的影响如图3所示。由图3可知,当射频功率增大时,氮化硅薄膜的折射率下降。射频功率从200到240W,折射率的下降趋势明显;射频功率从240到290W,折射率的下降趋势减缓。

这是因为当射频功率低时产生的离子、中性原子团、等离子体比较少,薄膜沉积比较慢。随着射频功率的增大,基团增加,折射率的下降趋势减缓。

仅改变气体流量,其他的因素不变条件下,沉积速率与折射率的关系如图4所示。由图4可知,当沉积速率上升时,氮化硅薄膜的折射率呈线性下降。这是因为沉积速率在增大时,Si离子的数目是一定的,而N离子的数目在增加,导致在薄膜表面沉积的基团很少。大部分被阻挡,导致折射率下降。

射频功率改变,其他的因素不变条件下,沉积速率与折射率的关系如图5所示。由图5可知,当沉积速率上升时,氮化硅薄膜的折射率持续在减小。随着沉积速率逐渐的下降,氮化硅薄膜的折射率下降的趋势越来越平缓。这是因为沉积速率过大,沉积的基团来不及相互牵引便被其它的基团覆盖,导致膜层疏松,从而折射率下降。

由于在上文中采用的整体正交实验设计中得到的优化参数制备的氮化硅薄膜的折射率偏小,因此在基于折射率的局部正交试验中,结合图2～5的曲线分析,对显著影响因子射频功率应该选择“水平1”这一使折射率具有最大的选项。然后利用此结果修正上文中采用“各因素对性能影响的评估”的整体正交实验设计中得到的优化参数,最终工艺参数为衬底温度250℃,射频功率200W,气体流量比20/70。

4结论

针对PECVD沉积氮化硅薄膜这一多输出影响过程,研究了工艺参数折射率、沉积速率2种不同类型的多输出响应因素的影响。通过正交设计和整体正交试验法,得到了衬底温度为250℃、射频功率为200W、气体流量比为20/70。试验表明,基于全局优化的正交试验方法和专注于折射率的局部正交试验分析方法可以通过较少的试验次数快速获得氮化硅薄膜的沉积参数。