SiN薄膜特性課件

LPCVDSiN薄膜特性及工藝05一月2023LPCVDSiN薄膜特性及工藝27十二月2022LPCVDSiN薄膜的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)致密，針孔密度小，化學(xué)穩(wěn)定性好，介電常數(shù)大；對(duì)堿金屬有非常高的阻擋能力；水汽的阻擋能力強(qiáng)。LPCVDSiN薄膜的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)致密，針孔密度小，化學(xué)穩(wěn)定LPCVDSiN的用途鈍化隔離電容介質(zhì)結(jié)構(gòu)材料掩蔽LPCVDSiN的用途鈍化常用SiN的淀積方法及特點(diǎn)LPCVD

淀積溫度高,通常在800℃左右。致密性非常好。PECVD淀積溫度多在250～350℃之間。致密性一般。HDPCVD淀積溫度可以低于100℃。致密性與PECVD相當(dāng)。常用SiN的淀積方法及特點(diǎn)LPCVD采用PLCVD工藝淀積SiNSiH4+NH3體系SiH2Cl2(DCS)+NH3體系Si2Cl6(HDC)+NH3體系BTBAS+NH3體系等等采用PLCVD工藝淀積SiNSiH4+NH3體系不同工藝SiN薄膜淀積溫度SiH4工藝900℃以下。DCS(Dichlorosilane)工藝650~750℃，DCS工藝的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是比SiH4工藝具有更好的厚度和組份均勻性。BTBAS(bis-tertiary-butylaminosilane)和HCD(Si2Cl6)工藝600℃以下。不同工藝SiN薄膜淀積溫度SiH4工藝900℃以下。應(yīng)力產(chǎn)生的原因

基片(a)低CTE的材料高CTE的材料薄膜和基片間的CTE相同淀積膜

(b)(c)張應(yīng)力

壓應(yīng)力

高CTE的材料低CTE的材料

兩種材料熱脹系數(shù)(CTE)不匹配將產(chǎn)生應(yīng)力

應(yīng)力產(chǎn)生的原因基片(a)低CTE的材料薄膜和基片間的CTESiN薄膜的應(yīng)力及應(yīng)用要求通常滿足化學(xué)配比的SiN薄膜有非常高的張應(yīng)力，即σ>1GPa。實(shí)際要求：微電子器件和其他電子器件要求的低應(yīng)力SiN薄膜，通常應(yīng)力應(yīng)低于600MPa。

MEMS器件和其他對(duì)應(yīng)力敏感的器件希望有更低的應(yīng)力。SiN薄膜的應(yīng)力及應(yīng)用要求通常滿足化學(xué)配比的SiN薄膜有非常SiN應(yīng)力的主要由來(lái)(1)σ:殘余應(yīng)力P：壓力T：溫度σi:內(nèi)應(yīng)力σth:熱應(yīng)力αs:襯底的熱脹系數(shù)αf:薄膜的熱脹系數(shù)E：楊氏模量ν：泊松比SiN應(yīng)力的主要由來(lái)(1)σ:殘余應(yīng)力P：壓力SiN應(yīng)力的主要由來(lái)(2)對(duì)于Si(111)即：可見(jiàn)，SiN的應(yīng)力主要來(lái)自薄膜的內(nèi)應(yīng)力SiN應(yīng)力的主要由來(lái)(2)對(duì)于Si(111)即：可見(jiàn)，SiNSiN薄膜應(yīng)力的起因SiH4/NH3工藝引起張應(yīng)力的兩個(gè)因素：1、淀積過(guò)程中的張應(yīng)力是由Si－H和N－H鍵的分裂引起薄膜收縮造成的；2、不穩(wěn)定的鍵變成穩(wěn)定的Si－N形成的應(yīng)力。結(jié)論：1、薄膜中的H含量是張應(yīng)力的重要來(lái)源；2、增加工藝溫度可以降低薄膜應(yīng)力；3、增加工藝過(guò)程的壓力將提高薄膜應(yīng)力；4、高的NH3含量和低的淀積溫度都會(huì)增加H含量。SiN薄膜應(yīng)力的起因SiH4/NH3工藝引起張應(yīng)力的兩個(gè)因素淀積溫度與薄膜應(yīng)力的關(guān)系淀積溫度與薄膜應(yīng)力的關(guān)系不同溫度下氣體比例與應(yīng)力的關(guān)系不同溫度下氣體比例與應(yīng)力的關(guān)系SiNx

化學(xué)配比與應(yīng)力的關(guān)系SiNx化學(xué)配比與應(yīng)力的關(guān)系不同LPCVD工藝淀積SiN的優(yōu)缺點(diǎn)SiH4工藝淀積速度快。應(yīng)力大，不宜淀積厚，厚度和組份不均勻。工藝中縱向淀積速率不均勻DCS工藝工藝溫度低，均勻性好。薄膜應(yīng)力大，含H量大。易于產(chǎn)生NH4Cl顆粒等。HCD和BTBAS工藝淀積溫度低。但淀積速率低、較高的薄膜不均勻性、較差的膜層形貌遵循性以及高的化學(xué)品成本。不同LPCVD工藝淀積SiN的優(yōu)缺點(diǎn)SiH4工藝SiH4體系的徑向淀積速率基片邊緣的厚度明顯高于中心附近的厚度。SiH4體系的徑向淀積速率基片邊緣的厚度明顯高于中心不同成份對(duì)均勻性的影響不同成份對(duì)均勻性的影響基片徑向組份的變化情況厚度不均勻帶來(lái)的另外一個(gè)問(wèn)題是組份也在在發(fā)生變化。基片徑向組份的變化情況厚度不均勻帶來(lái)的另外一個(gè)問(wèn)題是氣流方向SiN厚度的差異氣流方向SiN厚度的差異SiH4體系淀積均勻性差的原因淀積速率快導(dǎo)致可以用擴(kuò)散限制機(jī)制進(jìn)行解釋。就是說(shuō)，反應(yīng)速度快于傳輸速度。反應(yīng)氣體到熱壁附近，沒(méi)有來(lái)得及向其他方向擴(kuò)散反應(yīng)就開(kāi)始發(fā)生。所以薄膜的不均勻不僅體現(xiàn)在基片的徑向上，同時(shí)也體現(xiàn)在氣體的傳輸方向上。SiH4體系淀積均勻性差的原因淀積速率快導(dǎo)致可以用擴(kuò)散

SiH4工藝的致命缺點(diǎn)厚度和組份不均勻，且難以控制。

這個(gè)缺點(diǎn)是器件制作中難以容忍的。SiH4工藝的致命缺點(diǎn)厚度和組份不均勻，且難以控DCS(SiH2Cl2)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：淀積的均勻性好；

SiN的組份基本上為化學(xué)配比，即Si3N4；

工藝溫度低。缺點(diǎn)：工藝中分解出的Cl離子對(duì)真空系統(tǒng)有腐蝕性；薄膜H含量較高，所以應(yīng)力大于SiH4體系(折射率相同)。最高達(dá)到8%；化學(xué)配比偏離Si3N4后，均勻性有所降低。

DCS(SiH2Cl2)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：淀積氣體比例與應(yīng)力的關(guān)系淀積氣體比例與應(yīng)力的關(guān)系不同溫度下淀積速率與氣體比例的關(guān)系不同溫度下淀積速率與氣體比例的關(guān)系不同溫度膜厚均勻性與氣體比例的關(guān)系不同溫度膜厚均勻性與氣體比例的關(guān)系殘余應(yīng)力與SiNx化學(xué)配比的關(guān)系殘余應(yīng)力與SiNx化學(xué)配比的關(guān)系氣流方向均勻性改進(jìn)措施在氣流方向上增加溫度梯度，從爐口的800℃，中間的815℃到尾部的830℃。以彌補(bǔ)消耗做成的反應(yīng)氣體不足，提高片片間的均勻性。NH3/DCS0.290.240.160.08δd/d800/830℃±4.8%±4.6%±4.3%±4.1%δn/n800/830℃±1.8%±1.3%±1.5%±2%氣流方向均勻性改進(jìn)措施在氣流方向上增加溫度梯度，從爐口的8027淀積系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)淀積系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)SiH2Cl2體系的普及程度上世紀(jì)90年代采用SiH2Cl2體系幾乎成為唯一的LPCVDSiN淀積方式；文獻(xiàn)中提到的SiN淀積幾乎都是SiH2Cl2體系；生產(chǎn)中全部采用SiH2Cl2體系。SiH2Cl2體系的普及程度上世紀(jì)90年代采用SiH2Cl2結(jié)論鑒于以上介紹可以看到，SiH2Cl2體系的優(yōu)點(diǎn)十分突出，良好的工藝均勻性便于器件整體工藝的實(shí)施和控制。雖然SiH2Cl2體系也存在一些缺點(diǎn)，但是我們了解它的特性以后可以利用它的優(yōu)點(diǎn)，盡可能地避開(kāi)其缺點(diǎn)?？梢耘d利避害，拋棄現(xiàn)有采用SiH4淀積SiN的體系，轉(zhuǎn)向SiH2Cl2體系。結(jié)論鑒于以上介紹可以看到，SiH2Cl2體系的優(yōu)點(diǎn)謝謝參與！謝謝參與！折射率與氣體比例的關(guān)系NH3/DCS61.180.590.290.240.160.08N(T=750℃)2222.0252.25N(T=800℃)22.052.152.352.5n=3.7-1.83X+0.42X2X：氣體比例折射率與氣體比例的關(guān)系NH3/DCS61.180.590.2折射率不同的機(jī)理兩個(gè)重要反應(yīng)支配淀積工藝進(jìn)程：NH3+SiH2Cl2→Si3N4SiH2Cl2→Si當(dāng)氣體比例R>0.3時(shí)，NH3剩余并控制反應(yīng)，SiH2Cl2的分解受到抑制，所以薄膜成份為Si3N4。當(dāng)氣體比例R<0.3時(shí)，NH3不再控制反應(yīng)，SiH2Cl2高溫分解，超量的Si原子被吸附了，從而得到富硅SiN。折射率不同的機(jī)理兩個(gè)重要反應(yīng)支配淀積工藝進(jìn)程：33厚度和折射率與氣體比例的關(guān)系曲線NH3/DCS61.180.590.290.240.160.08δd/d750℃±1%±1.3%±2.8%±5.7%±8.9%δn/n750℃±0.5%±0.5%±0.5%±0.5%±0.5%δd/d800℃±1.5%±10.1%±10.2%±14.5%±16%δn/n800℃±0.5%±0.5%±0.5%±1.1%±1.8%25片片架1#和25#之間的偏差原因是反應(yīng)氣體在進(jìn)氣端消耗掉形成濃度梯度。厚度和折射率與氣體比例的關(guān)系曲線NH3/DCS61.180.折射率的相對(duì)變化δn/n與溫度和氣體比例無(wú)關(guān)，其非均勻近似為常數(shù)。厚度的非均勻性隨溫度的增加和氣體比例的降低而增大。對(duì)于Si3N4的淀積(R>0.3)，NH3有多余，并控制反應(yīng)，溫度對(duì)均勻性影響不大。對(duì)于富硅SiN的淀積(R<0.3)，SiH2Cl2富裕，氣流方向出現(xiàn)消耗。折射率的相對(duì)變化δn/n與溫度和氣體比例無(wú)關(guān)，其非均勻近似為我們需要做的工作所有的淀積結(jié)論都是與N/Si比相關(guān)。確定何種流量更為經(jīng)濟(jì)合理？多大的溫度梯度可以保證首尾兩端的厚度誤差最小。低應(yīng)力SiN工藝我們需要做的工作所有的淀積結(jié)論都是與N/Si比相關(guān)。確定何種LPCVDSiN薄膜特性及工藝05一月2023LPCVDSiN薄膜特性及工藝27十二月2022LPCVDSiN薄膜的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)致密，針孔密度小，化學(xué)穩(wěn)定性好，介電常數(shù)大；對(duì)堿金屬有非常高的阻擋能力；水汽的阻擋能力強(qiáng)。LPCVDSiN薄膜的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)致密，針孔密度小，化學(xué)穩(wěn)定LPCVDSiN的用途鈍化隔離電容介質(zhì)結(jié)構(gòu)材料掩蔽LPCVDSiN的用途鈍化常用SiN的淀積方法及特點(diǎn)LPCVD

淀積溫度高,通常在800℃左右。致密性非常好。PECVD淀積溫度多在250～350℃之間。致密性一般。HDPCVD淀積溫度可以低于100℃。致密性與PECVD相當(dāng)。常用SiN的淀積方法及特點(diǎn)LPCVD采用PLCVD工藝淀積SiNSiH4+NH3體系SiH2Cl2(DCS)+NH3體系Si2Cl6(HDC)+NH3體系BTBAS+NH3體系等等采用PLCVD工藝淀積SiNSiH4+NH3體系不同工藝SiN薄膜淀積溫度SiH4工藝900℃以下。DCS(Dichlorosilane)工藝650~750℃，DCS工藝的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是比SiH4工藝具有更好的厚度和組份均勻性。BTBAS(bis-tertiary-butylaminosilane)和HCD(Si2Cl6)工藝600℃以下。不同工藝SiN薄膜淀積溫度SiH4工藝900℃以下。應(yīng)力產(chǎn)生的原因

基片(a)低CTE的材料高CTE的材料薄膜和基片間的CTE相同淀積膜

(b)(c)張應(yīng)力

壓應(yīng)力

高CTE的材料低CTE的材料

兩種材料熱脹系數(shù)(CTE)不匹配將產(chǎn)生應(yīng)力

應(yīng)力產(chǎn)生的原因基片(a)低CTE的材料薄膜和基片間的CTESiN薄膜的應(yīng)力及應(yīng)用要求通常滿足化學(xué)配比的SiN薄膜有非常高的張應(yīng)力，即σ>1GPa。實(shí)際要求：微電子器件和其他電子器件要求的低應(yīng)力SiN薄膜，通常應(yīng)力應(yīng)低于600MPa。

MEMS器件和其他對(duì)應(yīng)力敏感的器件希望有更低的應(yīng)力。SiN薄膜的應(yīng)力及應(yīng)用要求通常滿足化學(xué)配比的SiN薄膜有非常SiN應(yīng)力的主要由來(lái)(1)σ:殘余應(yīng)力P：壓力T：溫度σi:內(nèi)應(yīng)力σth:熱應(yīng)力αs:襯底的熱脹系數(shù)αf:薄膜的熱脹系數(shù)E：楊氏模量ν：泊松比SiN應(yīng)力的主要由來(lái)(1)σ:殘余應(yīng)力P：壓力SiN應(yīng)力的主要由來(lái)(2)對(duì)于Si(111)即：可見(jiàn)，SiN的應(yīng)力主要來(lái)自薄膜的內(nèi)應(yīng)力SiN應(yīng)力的主要由來(lái)(2)對(duì)于Si(111)即：可見(jiàn)，SiNSiN薄膜應(yīng)力的起因SiH4/NH3工藝引起張應(yīng)力的兩個(gè)因素：1、淀積過(guò)程中的張應(yīng)力是由Si－H和N－H鍵的分裂引起薄膜收縮造成的；2、不穩(wěn)定的鍵變成穩(wěn)定的Si－N形成的應(yīng)力。結(jié)論：1、薄膜中的H含量是張應(yīng)力的重要來(lái)源；2、增加工藝溫度可以降低薄膜應(yīng)力；3、增加工藝過(guò)程的壓力將提高薄膜應(yīng)力；4、高的NH3含量和低的淀積溫度都會(huì)增加H含量。SiN薄膜應(yīng)力的起因SiH4/NH3工藝引起張應(yīng)力的兩個(gè)因素淀積溫度與薄膜應(yīng)力的關(guān)系淀積溫度與薄膜應(yīng)力的關(guān)系不同溫度下氣體比例與應(yīng)力的關(guān)系不同溫度下氣體比例與應(yīng)力的關(guān)系SiNx

化學(xué)配比與應(yīng)力的關(guān)系SiNx化學(xué)配比與應(yīng)力的關(guān)系不同LPCVD工藝淀積SiN的優(yōu)缺點(diǎn)SiH4工藝淀積速度快。應(yīng)力大，不宜淀積厚，厚度和組份不均勻。工藝中縱向淀積速率不均勻DCS工藝工藝溫度低，均勻性好。薄膜應(yīng)力大，含H量大。易于產(chǎn)生NH4Cl顆粒等。HCD和BTBAS工藝淀積溫度低。但淀積速率低、較高的薄膜不均勻性、較差的膜層形貌遵循性以及高的化學(xué)品成本。不同LPCVD工藝淀積SiN的優(yōu)缺點(diǎn)SiH4工藝SiH4體系的徑向淀積速率基片邊緣的厚度明顯高于中心附近的厚度。SiH4體系的徑向淀積速率基片邊緣的厚度明顯高于中心不同成份對(duì)均勻性的影響不同成份對(duì)均勻性的影響基片徑向組份的變化情況厚度不均勻帶來(lái)的另外一個(gè)問(wèn)題是組份也在在發(fā)生變化?；瑥较蚪M份的變化情況厚度不均勻帶來(lái)的另外一個(gè)問(wèn)題是氣流方向SiN厚度的差異氣流方向SiN厚度的差異SiH4體系淀積均勻性差的原因淀積速率快導(dǎo)致可以用擴(kuò)散限制機(jī)制進(jìn)行解釋。就是說(shuō)，反應(yīng)速度快于傳輸速度。反應(yīng)氣體到熱壁附近，沒(méi)有來(lái)得及向其他方向擴(kuò)散反應(yīng)就開(kāi)始發(fā)生。所以薄膜的不均勻不僅體現(xiàn)在基片的徑向上，同時(shí)也體現(xiàn)在氣體的傳輸方向上。SiH4體系淀積均勻性差的原因淀積速率快導(dǎo)致可以用擴(kuò)散

SiH4工藝的致命缺點(diǎn)厚度和組份不均勻，且難以控制。

這個(gè)缺點(diǎn)是器件制作中難以容忍的。SiH4工藝的致命缺點(diǎn)厚度和組份不均勻，且難以控DCS(SiH2Cl2)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：淀積的均勻性好；

SiN的組份基本上為化學(xué)配比，即Si3N4；

工藝溫度低。缺點(diǎn)：工藝中分解出的Cl離子對(duì)真空系統(tǒng)有腐蝕性；薄膜H含量較高，所以應(yīng)力大于SiH4體系(折射率相同)。最高達(dá)到8%；化學(xué)配比偏離Si3N4后，均勻性有所降低。

DCS(SiH2Cl2)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：淀積氣體比例與應(yīng)力的關(guān)系淀積氣體比例與應(yīng)力的關(guān)系不同溫度下淀積速率與氣體比例的關(guān)系不同溫度下淀積速率與氣體比例的關(guān)系不同溫度膜厚均勻性與氣體比例的關(guān)系不同溫度膜厚均勻性與氣體比例的關(guān)系殘余應(yīng)力與SiNx化學(xué)配比的關(guān)系殘余應(yīng)力與SiNx化學(xué)配比的關(guān)系氣流方向均勻性改進(jìn)措施在氣流方向上增加溫度梯度，從爐口的800℃，中間的815℃到尾部的830℃。以彌補(bǔ)消耗做成的反應(yīng)氣體不足，提高片片間的均勻性。NH3/DCS0.290.240.160.08δd/d800/830℃±4.8%±4.6%±4.3%±4.1%δn/n800/830℃±1.8%±1.3%±1.5%±2%氣流方向均勻性改進(jìn)措施在氣流方向上增加溫度梯度，從爐口的8063淀積系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)淀積系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)SiH2Cl2體系的普及程度上世紀(jì)90年代采用SiH2Cl2體系幾乎成為唯一的LPCVDSiN淀積方式；文獻(xiàn)中提到的SiN淀積幾乎都是SiH2Cl2體系；生產(chǎn)中全部采用SiH2Cl2體系。SiH2Cl2體系的普及程度上世紀(jì)90年代采用SiH2Cl2結(jié)論鑒于以上介紹可以看到，SiH2Cl2體系的優(yōu)點(diǎn)十分突出，良好的工藝均勻性便于器件整體工藝的實(shí)施和控制。雖然SiH2Cl2體系也存在一些缺點(diǎn)，但是我們了解它的特性以后可以利用它的優(yōu)點(diǎn)，盡可能地避開(kāi)其缺點(diǎn)?？梢耘d利避害，拋棄現(xiàn)有采用SiH4淀積SiN的體系，轉(zhuǎn)向SiH2Cl2體系。結(jié)論鑒于以上介紹可以看到，SiH2Cl2體系的優(yōu)點(diǎn)謝謝參與！謝謝參與！折射率與氣體比例的關(guān)系NH3/DCS61.180.590.290.240.160.08N(T=750℃)2222.0252.25N(T=800℃)22.052.152.352.5n=3.7-1.83X+0.42X2X：氣體比例折射率與氣體比例的關(guān)系NH3/DCS61.1