單晶硅片上二氧化硅薄膜的制備與性能研究

單晶硅片上二氧化硅薄膜的制備與性能研究

氧化鋅膜具有良好的絕緣性和耐熱性，廣泛應(yīng)用于微器官和光學(xué)器官中。在微電子器件中,二氧化硅可以用做防擴散膜、鈍化膜、保護膜和絕緣膜。通常的制備方法是熱氧化法(T>900℃),制備的薄膜性能優(yōu)越。但是,熱氧化法只適合于在硅基底上制備二氧化硅薄膜,作為微電子器件的鈍化保護層、多層布線中的介質(zhì)層以及彈性襯底與敏感元件之間的絕緣層,顯然不能采用高溫氧化的方法制備二氧化硅薄膜,一般采用化學(xué)氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)來制備。目前,有許多低溫制備SiO2的方法,如等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)、磁控射頻反應(yīng)濺射法等。PECVD法具有沉積速率高的特點。但是,由于原料氣體,如硅烷(SiH4),氧氣(O2)等是易燃、易爆氣體,基于安全考慮,進氣和排氣系統(tǒng)以及廢氣處理裝置比較復(fù)雜,造價較高且不適合大面積沉積。而磁控濺射法具有沉積溫度低、沉積速率高和膜層與襯底附著力強等優(yōu)點,并且由于其濺射陰極尺寸可按比例擴大,因此適合于大面積沉積。Wen-FaWu研究了磁控射頻濺射法制備的二氧化硅薄膜的光學(xué)性能和組分比,通過刮擦實驗研究表明薄膜與玻璃襯底之間有很強的附著力。SatoruIwamori研究了反應(yīng)濺射法生成的SiOx薄膜防擴散性能,研究表明合適的工藝條件下可以制備致密的、氣體透過率小的SiOx薄膜,并且適度的退火可以提高薄膜的阻擋性能。而對于采用單晶硅靶反應(yīng)濺射沉積二氧化硅薄膜的反應(yīng)機理、電學(xué)性能和表面微結(jié)構(gòu)以及快速熱處理對薄膜電學(xué)性能的研究,目前國內(nèi)外還沒有關(guān)于這方面的報道。采用磁控射頻反應(yīng)濺射法制備了二氧化硅薄膜。通過改變射頻功率在單面拋光的單晶硅襯底上沉積了二氧化硅薄膜,對薄膜的折射率、沉積速率、電擊穿場強和表面形貌進行了研究。1薄膜的制備實驗樣品采用TXZ500-2型射頻磁控濺射鍍膜機制備。靶材為(111)晶向的單晶硅,電阻率大于1000Ω·cm。濺射氣體是純度為99.9%的氬氣,反應(yīng)活性氣體為99.9%的氧氣,襯底為(111)晶向單面拋光的單晶硅。為了對比研究沉積速率隨射頻功率的變化,同時使用99.99%的二氧化硅介質(zhì)靶制備了二氧化硅薄膜作為參照。靶與基片的距離為60mm。襯底先用17M的去離子水、丙酮和酒精在超聲波清洗機中各清洗20min,烘干之后立即放入鍍膜機內(nèi)。在濺射之前烘烤基片以除去其表面的水分,烘烤溫度為200℃。本底真空為1.0×10-3Pa,濺射氣壓為1.2Pa。實驗前用氬氣預(yù)濺射靶材表面20min以上,以去除表面的氧化物和其它雜質(zhì),然后通入氧氣,待輝光穩(wěn)定后,打開擋板,轉(zhuǎn)動基片轉(zhuǎn)盤,置基片于輝光中濺射成膜。沉積時,利用掩膜在基片上做出膜-基片臺階,以便用臺階儀測量厚度。濺射過程中氧氣和氬氣的比例用質(zhì)量流量計控制,流量之比即為濺射過程中兩氣體分壓之比。保持總的濺射氣壓為一定值,若氧氣和氬氣流量分別為88sccm和132sccm,則二者分壓之比為2∶5,氧氣含量為40%,其他比例與此類似得出。薄膜的厚度使用Alpha-StepIQ臺階儀測量,將厚度除以沉積的時間即為沉積速率。薄膜的折射率使用ELLI-B型橢圓偏振光測試儀測試。薄膜的表面形貌用型號為NT-MDT原子力顯微鏡檢測。樣品的電擊穿場強使用105C型耐壓測試儀測量,測試方法為升壓法。測試時電壓的增加為5V/30s,當(dāng)漏電流超過0.5mA時薄膜視為被擊穿。所測試樣品的結(jié)構(gòu)采用MIM三明治結(jié)構(gòu),在薄膜之上再沉積鋁電極,正方形電極的面積為1~2mm2。試樣采用RTP-500快速熱處理爐進行快速熱處理,保護氣氛為N2,時間為100s。2結(jié)果與討論2.1薄膜制造技術(shù)研究1氧含量對薄膜導(dǎo)電性能的影響使用單晶硅靶反應(yīng)濺射沉積二氧化硅薄膜時要充入一定量的氧氣作為反應(yīng)氣體,通過對同一功率不同氧分壓下二氧化硅薄膜厚度的測試,發(fā)現(xiàn)沉積速率隨氧分壓的增加出現(xiàn)一個突降,具體的數(shù)據(jù)如表1所示。這是因為氧含量很少時,靶面的氧化速率小于濺射速率,靶面處于單晶態(tài),此時應(yīng)為硅的沉積速率,因此沉積速率比較高,通過對所沉積薄膜的電性能進行分析,發(fā)現(xiàn)薄膜的電擊穿場強很低,可以說明薄膜具有一定的導(dǎo)電性,主要成分不是二氧化硅。當(dāng)氧氣含量進一步增加時,濺射氣氛中的活性離子氧離子增加使靶材表面被氧化而生成一層氧化層,此時的沉積速率為氧化層的沉積速率,故沉積速率比較低。從表1還可以看出,折射率隨著氧分壓的增加而增加,然后基本保持不變,穩(wěn)定在1.46。二氧化硅的折射率為1.46,說明氧分壓增加到一定程度時即可生成二氧化硅薄膜。2種單晶硅靶掃射圖1表明,薄膜的沉積速率隨射頻功率的增加幾乎都呈線性增加。在反應(yīng)濺射沉積金屬氧化物薄膜時,隨著氧流量的增加,沉積速率會出現(xiàn)一個遲滯回線,沉積速率低和沉積速率高分別代表靶面處于金屬態(tài)和氧化態(tài)2種不同的狀態(tài)。對于單晶硅靶而言,沉積速率也與靶面所處的狀態(tài)密切相關(guān),由于單質(zhì)的濺射產(chǎn)額要比化合物的濺射產(chǎn)額大得多,因此靶面處于單質(zhì)狀態(tài)時沉積速率比較大,而覆蓋了一層氧化層之后沉積速率將顯著降低,所反映的沉積速率為相應(yīng)氧化物的沉積速率。從圖1中可以看出,采用單晶硅靶濺射反應(yīng)沉積二氧化硅薄膜(氧分壓為40%),其沉積速率與采用二氧化硅介質(zhì)靶濺射沉積幾乎一致,只在高功率處略有差別。當(dāng)氧分壓達(dá)到40%之后,等離子體中的活性粒子氧離子與單晶硅靶的表面硅反應(yīng)生成了一層二氧化硅,因此沉積速率與二氧化硅介質(zhì)靶的沉積速率相同。通過分析濺射過程中2種靶材的板壓,發(fā)現(xiàn)在低功率下(100~400W)二者板壓基本相同,而在高功率下(500~600W)板壓出現(xiàn)差別:單晶硅靶從1600V上升到1700V,而二氧化硅介質(zhì)靶從1420V上升到1510V。由于濺射率與入射離子能量的平方成正比,因此在高功率下單晶硅靶的沉積速率會略高于二氧化硅介質(zhì)靶。2.2射頻功率對薄膜表面粗糙度的影響圖2所示為不同濺射功率下所制備的二氧化硅薄膜的AFM三維形貌圖。從圖中可以看出,在低濺射功率下(100W)所沉積的薄膜均勻性較好,平均粗糙度為1.740nm。顆粒大小較小,島與島之間比較連續(xù),沒有比較大的起伏。薄膜表面峰與谷之間最高相差3.015nm。在較高濺射功率下(300W)所沉積的薄膜平均表面粗糙度為2.914nm,顆粒較前者大,島與島之間雖然連續(xù)但是起伏相比較大,峰與谷之間的高度差比低功率下沉積的薄膜大,為5.046nm。從圖2可以看出,當(dāng)射頻功率增加時,薄膜表面粗糙度會增加。原因之一是靶材原子被濺射下來之后在基底表面沉積、形核,由于實驗中沒有對基底額外穩(wěn)定加熱,故基底溫度的升高主要來自高速原子碰撞自然升溫。低溫不利于原子在基底表面移動、擴散,在基底表面合適的位置形核,而沉積速率的增加會使這種現(xiàn)象更加明顯;導(dǎo)致薄膜表面粗糙度增大的另一個原因是薄膜沉積過程中的屏蔽效應(yīng),隨著功率的增大,等離子體的密度增加(通過觀察窗可以明顯的看到輝光更明亮),沉積速率也增加。雖然濺射下來的原子由于本身的動能具有在基底表面遷徙的能力,但是濺射速率的增加會使得其中某些來不及遷移而很快被后續(xù)的原子掩埋,因此隨著功率的增加薄膜表面的粗糙度也增加。2.3射頻功率對薄膜電擊穿場的影響圖3為通過高斯擬合的電擊穿場強隨射頻功率變化的曲線。薄膜的電擊穿場強是介質(zhì)薄膜的一個重要參數(shù),電擊穿場強大則說明薄膜致密、絕緣性能好。從擊穿機理方面來說,介質(zhì)薄膜的擊穿是由于在電場作用下,薄膜的微觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)逐漸受損而衰化,最后觸發(fā)擊穿。從圖中可以看出,薄膜的電擊穿場強隨射頻功率的增加有先緩慢增加然后緩慢降低的趨勢。這是因為當(dāng)射頻功率升高時,濺射電壓也會逐漸升高,射頻功率從100W增加到400W,濺射電壓也相應(yīng)從590V增加到1500V。濺射電壓的升高使沉積的原子或原子團具有更高的動量,原子或原子團的“錘擊”使所沉積的薄膜更加致密,因而電擊穿場強有所增加。當(dāng)射頻功率繼續(xù)增加時,薄膜的電擊穿場強反而有所下降,因為隨著射頻功率的增加,薄膜的沉積速率也相應(yīng)增加,由于襯底溫度比較低,沉積速率的增加使得沉積原子在襯底上的擴散能力相對減弱,“屏蔽效應(yīng)”增強,在下一層原子尚未生長結(jié)束時,沉積原子又在島上形核產(chǎn)生新的島,導(dǎo)致薄膜表面粗糙度增加,薄膜中的缺陷增多,因而電擊穿場強有所下降。從圖3的結(jié)果也可以看出薄膜表面粗糙度有隨射頻功率增加而增大的趨勢。表2所示為退火前后薄膜的電擊穿場強,從表中可以看出,經(jīng)過快速熱處理,不同功率沉積薄膜的電擊穿場強均有顯著增加。通常制備出的二氧化硅膜為非晶態(tài),處于一種熱力學(xué)非平衡的亞穩(wěn)態(tài),經(jīng)熱處理后將可能會變化停留到另一種穩(wěn)定度稍高的亞穩(wěn)態(tài)上,薄膜中的缺陷也會由于快速熱處理而減少?？紤]到二氧化硅的重結(jié)晶溫度在1000℃以上,800℃的快速熱處理不會使二氧化硅薄膜出現(xiàn)重結(jié)晶現(xiàn)象?？梢?00℃的快速熱處理可以使薄膜的電擊穿場強升高,絕緣性能增強。3薄膜的沉積速率a.薄膜的沉積速率隨氧分壓的增加先急劇減小,稍有增加后再緩慢減小。沉積速率隨濺射