一種低應(yīng)力氮化硅薄膜的形成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低應(yīng)力氮化硅薄膜的形成方法。本發(fā)明先利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相方法(PECVD)淀積氮化硅；再利用紫外光照射(UV?cure)去除氮化硅薄膜中的氫(H)，形成新的高拉應(yīng)力的Si-N鍵，產(chǎn)生高拉應(yīng)力膜；接著利用傳統(tǒng)的PECVD方法淀積剩余氮化硅薄膜，且不作紫外光照射處理，形成壓應(yīng)力膜；并利用此兩種應(yīng)力膜的相互抵消，制作低應(yīng)力氮化硅薄膜。本發(fā)明的方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，通過(guò)性質(zhì)相近、但是應(yīng)力相反的普通薄膜的簡(jiǎn)單疊加，改善原先陡峭的應(yīng)力梯度，從而有效地控制所述氮化硅薄膜的應(yīng)力，制備出內(nèi)應(yīng)力較低的低應(yīng)力氮化硅薄膜，不僅提高了薄膜的工作性能，而且不需要額外沉積應(yīng)力緩沖膜，降低了原料成本，提高了半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性。
【專利說(shuō)明】一種低應(yīng)力氮化娃薄膜的形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件薄膜制造領(lǐng)域，特別涉及一種低應(yīng)力氮化硅薄膜的形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硅薄膜是廣泛應(yīng)用于集成電路中的薄膜材料，它具有高的介電常數(shù)、可靠的耐熱抗腐蝕性能和優(yōu)異的機(jī)械性能，可以保護(hù)芯片免受外界腐蝕性物質(zhì)的侵蝕和機(jī)械損傷。近來(lái)，氮化硅薄膜也被用在集成電路封裝工藝中作為引線和壓焊區(qū)的保護(hù)層以及傳感器芯片中的鈍化層，而在微電子機(jī)械系統(tǒng)中，氮化硅薄膜也得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)通常采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(簡(jiǎn)稱PECVD)方法沉積氮化硅薄膜。PECVD是一種射頻輝光放電的物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)，在沉積腔室中通以一定量的高純氨氣及一定濃度的硅烷，調(diào)控沉積腔室內(nèi)氣體的壓力，在射頻源產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)的激發(fā)下，氣體產(chǎn)生高能電子和活性離子(等離子體)，由于高能電子的有效碰撞，有關(guān)的化學(xué)鍵被打開(kāi)，然后通過(guò)重新結(jié)合后淀積在襯底表面上，這樣即在較低的溫度下完成了相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，淀積形成了氮化硅薄膜。由于PECVD工藝具有淀積溫度低、淀積膜針孔密度小、均勻性好、臺(tái)階覆蓋性好等優(yōu)點(diǎn)，因此PECVD氮化硅薄膜沉積技術(shù)在半導(dǎo)體器件和集成電路的研制中，得到廣泛重視和應(yīng)用。但是，氮化硅薄膜在制備過(guò)程中，難以避免產(chǎn)生本征應(yīng)力，使氮化硅薄膜處于某種應(yīng)力狀態(tài):當(dāng)?shù)璞∧ぬ幱谶^(guò)大的拉應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，就會(huì)引起開(kāi)裂；處于過(guò)大的壓應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，會(huì)引起褶皺或剝落。這些應(yīng)力問(wèn)題會(huì)削弱氮化硅薄膜原有的絕緣、鈍化、密封效果，從而影響器件的穩(wěn)定性或?qū)е滦酒?，因此需要降低氮化硅薄膜的?yīng)力?，F(xiàn)有技術(shù)通常選擇淀積應(yīng)力緩沖膜，比如250nm左右的SiO2薄膜，來(lái)降低氮化硅薄膜的應(yīng)力，但是這種方法不僅會(huì)導(dǎo)致工藝成本的增加，而且會(huì)使氮化硅薄膜的楊氏模量和硬度等力學(xué)性能減弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種低應(yīng)力氮化硅薄膜的形成方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)形成的氮化硅薄膜應(yīng)力較大，影響半導(dǎo)體器件穩(wěn)定性的問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下:一種低應(yīng)力氮化硅薄膜的形成方法，包括以下步驟:
[0006](I)提供半導(dǎo)體襯底；
[0007](2)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，在沉積腔中通入反應(yīng)氣體SiH4和NH3,在所述半導(dǎo)體襯底上沉積一層具有壓應(yīng)力的第一氮化硅薄膜；
[0008](3)在所述第一氮化硅薄膜沉積完成后，將所述半導(dǎo)體襯底移至紫外光照射裝置的腔體中，對(duì)所述第一氮化硅薄膜進(jìn)行紫外光照射，將所述第一氮化硅薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈呃瓚?yīng)力的氮化硅薄膜；
[0009](4)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，繼續(xù)在沉積腔中通入SiH4和NH3反應(yīng)氣體，在所述第一氮化硅薄膜上沉積一層具有壓應(yīng)力的第二氮化硅薄膜，形成復(fù)合的雙層膜結(jié)構(gòu)。
[0010]采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法沉積氮化硅薄膜時(shí)，受沉積溫度、氣體壓力、氣體組成和射頻頻率等沉積條件的影響，氮化硅薄膜的應(yīng)力可以在幾千兆帕的壓應(yīng)力到幾千兆帕的張應(yīng)力間變化，比如在較高溫度或高頻下沉積的薄膜具有張應(yīng)力，而在低溫或低頻的條件下沉積的薄膜具有壓應(yīng)力。本發(fā)明的方法通過(guò)沉積條件的控制，首先在半導(dǎo)體襯底上沉積一層壓應(yīng)力的第一氮化硅薄膜，然后通過(guò)紫外線照射工藝，利用紫外線的光子能量使所述第一氮化硅薄膜中的SiH鍵和NH鍵打開(kāi)，相鄰斷裂鍵中的氫原子相結(jié)合形成分子形式的氫氣，氫氣從所述第一氮化硅薄膜中擴(kuò)散出來(lái)，從而在所述第一氮化硅薄膜中形成新的高拉應(yīng)力的S1-N鍵，使其從壓應(yīng)力的氮化硅薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈呃瓚?yīng)力的氮化硅薄膜；然后在所述高拉應(yīng)力的第一氮化硅薄膜上沉積一層壓應(yīng)力的氮化硅薄膜，利用此兩種應(yīng)力膜的相互抵消來(lái)降低整體氮化硅薄膜的應(yīng)力，制作出低應(yīng)力氮化硅薄膜，從而提高半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性，防止晶圓破片。
[0011]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0012]進(jìn)一步，步驟(2)中，沉積所述第一氮化硅薄膜的條件為:所述半導(dǎo)體襯底溫度為250?450°C ;所述SiH4流量為20?200sccm，所述NH3流量為50?300sccm ;射頻功率為500 ?2000W。
[0013]進(jìn)一步，步驟(3)中，采用波長(zhǎng)范圍為320_400nm的紫外光至少一次照射的方法，所述紫外光照射時(shí)間共為5?20min ;所述紫外光照射的照射溫度范圍為300°C?400°C。
[0014]進(jìn)一步，步驟(4)中，沉積所述第二氮化硅薄膜的條件為:所述半導(dǎo)體襯底溫度為250?450°C ;所述SiH4流量為20?200sccm，所述NH3流量為50?300sccm ;射頻功率為1000 ?3000W。
[0015]進(jìn)一步，紫外光照射前的所述第一氮化硅薄膜的應(yīng)力范圍為-100?_300MPa。
[0016]進(jìn)一步，紫外光照射后的所述第一氮化硅薄膜的應(yīng)力范圍為50?400MPa。
[0017]進(jìn)一步，所述第二氮化硅薄膜的應(yīng)力范圍為-100?_300MPa。
[0018]進(jìn)一步，所述復(fù)合的雙層氮化硅薄膜的平均應(yīng)力范圍為-50?lOOMPa。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明先利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)氮化硅；再利用紫外光照射(uv cure)去除氮化硅薄膜中的氫(H)，形成新的高拉應(yīng)力的S1-N鍵，產(chǎn)生高拉應(yīng)力膜；接著利用傳統(tǒng)的PECVD淀積剩余氮化硅薄膜，且不作紫外光照射處理，形成壓應(yīng)力膜；并利用此兩種應(yīng)力膜的相互抵消，制作低應(yīng)力氮化硅薄膜。本發(fā)明的方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，通過(guò)性質(zhì)相近、但是應(yīng)力相反的普通薄膜的簡(jiǎn)單疊加，改善原先陡峭的應(yīng)力梯度，從而有效地控制所述氮化硅薄膜的應(yīng)力，制備出內(nèi)應(yīng)力較低的低應(yīng)力氮化硅薄膜，不僅提高了薄膜的工作性能，而且不需要額外沉積應(yīng)力緩沖膜，降低了原料成本，適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明低應(yīng)力氮化硅薄膜的形成方法的流程圖；
[0021]圖2a?2d為本發(fā)明低應(yīng)力氮化硅薄膜的形成過(guò)程的結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0023]圖1為本實(shí)施例低應(yīng)力氮化硅薄膜的形成方法的流程圖，圖2a?2d為本實(shí)施例低應(yīng)力氮化硅薄膜形成過(guò)程的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所述，所述低應(yīng)力氮化硅薄膜的形成方法，包括以下步驟:
[0024]SlOl提供半導(dǎo)體襯底1，如圖2a所示。
[0025]S102采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，在沉積腔中通入反應(yīng)氣體SiH4和NH3,在所述半導(dǎo)體襯底I上沉積一層具有壓應(yīng)力的第一氮化硅薄膜2，如圖2b所示；優(yōu)選的，本實(shí)施例中，沉積所述第一氮化硅薄膜2的條件為:所述半導(dǎo)體襯底溫度為300°C ;所述SiH4流量為lOOsccm，所述NH3流量為200sCCm，射頻功率為1000W ;所述沉積的第一氮化硅薄膜2的厚度為IOnm?5000nm，具體沉積厚度根據(jù)工藝要求進(jìn)行選擇，沉積時(shí)間越長(zhǎng)，沉積厚度越厚。經(jīng)橢偏儀和應(yīng)力儀測(cè)試出，所述沉積的第一氮化硅薄膜的應(yīng)力為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力為-200MPa，以下應(yīng)力的數(shù)值中，負(fù)值表示壓應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力。在其他實(shí)施例中,沉積所述第一氮化硅薄膜2的條件為:所述半導(dǎo)體襯底溫度為250?450°C ;所述SiH4流量為20?200sccm，所述NH3流量為50?300sccm，射頻功率為500?2000W ;所述第一氮化硅薄膜2厚度為IOnm?5000nm，應(yīng)力范圍為-100?_300MPa。
[0026]S103在所述第一氮化硅薄膜2沉積完成后，將所述半導(dǎo)體襯底移至紫外光照射裝置的腔體中，對(duì)所述第一氮化硅薄膜2進(jìn)行紫外光照射，將所述第一氮化硅薄膜2轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈呃瓚?yīng)力的氮化硅薄膜3，如圖2c所示；優(yōu)選的，本實(shí)施例中，采用波長(zhǎng)范圍為320?400nm的紫外光4次照射，每次照射五分鐘，所述紫外光照射的照射溫度為350°C左右，經(jīng)橢偏儀和應(yīng)力儀測(cè)試，照射后的第一氮化硅薄膜3的應(yīng)力為高拉應(yīng)力，具體為300MPa。在其他實(shí)施例中，可以采用波長(zhǎng)范圍為320?400nm的紫外光至少一次照射的方法，所述紫外光照射時(shí)間共為5?20min ;所述紫外光照射的照射溫度范圍為300°C?400°C，照射后的第一氮化硅薄膜3的應(yīng)力范圍為50?400MPa。
[0027]S104采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，繼續(xù)在沉積腔中通入SiH4和NH3反應(yīng)氣體，在所述高拉應(yīng)力的第一氮化硅薄膜3上沉積一層具有壓應(yīng)力的第二氮化硅薄膜4，形成復(fù)合的雙層膜結(jié)構(gòu)，如圖2d所示；優(yōu)選的，本實(shí)施例中，沉積所述第二氮化硅薄膜4的條件為:所述半導(dǎo)體襯底溫度為300°C ;所述SiH4流量為lOOsccm，所述NH3流量為200sCCm，射頻功率為2000W ;所述沉積的第二氮化硅薄膜4的厚度為IOnm?5000nm，具體沉積厚度根據(jù)工藝要求進(jìn)行選擇，沉積時(shí)間越長(zhǎng)，沉積厚度越厚。經(jīng)橢偏儀和應(yīng)力儀測(cè)試，所述第二氮化硅薄膜4的壓應(yīng)力為-lOOMPa。在其他實(shí)施例中，沉積所述第二氮化硅薄膜4的條件為:所述半導(dǎo)體襯底溫度為250?450°C ;所述SiH4流量為20?200sCCm，所述NH3流量為50?300sccm，射頻功率為1000?3000W ;所述第二氮化硅薄膜4厚度為IOnm?5000nm，應(yīng)力范圍為-100?-300MPa。本發(fā)明在計(jì)算沉積形成的雙層氮化硅薄膜的平均應(yīng)力值時(shí)，選用的曲率半徑是平均值，同樣在計(jì)算應(yīng)力時(shí)采用平均薄膜襯底厚度，因此得到的應(yīng)力也是整個(gè)雙層氮化硅薄膜的平均應(yīng)力，采用本發(fā)明的方法制備的氮化硅薄膜的應(yīng)力較低，處于-50?IOOMPa范圍以內(nèi)。
[0028]本發(fā)明先利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)氮化硅；再利用紫外光照射(UV cure)去除氮化硅薄膜中的氫(H)，形成新的高拉應(yīng)力的S1-N鍵，產(chǎn)生高拉應(yīng)力膜；接著利用傳統(tǒng)的PECVD淀積剩余氮化硅薄膜，且不作紫外光照射處理，形成壓應(yīng)力膜；并利用此兩種應(yīng)力膜的相互抵消，制作低應(yīng)力氮化硅薄膜。本發(fā)明的方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，通過(guò)性質(zhì)相近、但是應(yīng)力相反的普通薄膜的簡(jiǎn)單疊加，改善原先陡峭的應(yīng)力梯度，從而有效地控制所述氮化硅薄膜的應(yīng)力，制備出內(nèi)應(yīng)力較低的低應(yīng)力氮化硅薄膜，不僅提高了薄膜的工作性能，而且不需要額外沉積應(yīng)力緩沖膜，降低了原料成本，適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
[0029]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種低應(yīng)力氮化硅薄膜的形成方法，包括以下步驟: (1)提供半導(dǎo)體襯底； (2)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，在沉積腔中通入反應(yīng)氣體SiH4和NH3，在所述半導(dǎo)體襯底上沉積一層具有壓應(yīng)力的第一氮化硅薄膜； (3)在所述第一氮化硅薄膜沉積完成后，將所述半導(dǎo)體襯底移至紫外光照射裝置的腔體中，對(duì)所述第一氮化硅薄膜進(jìn)行紫外光照射，將所述第一氮化硅薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈呃瓚?yīng)力的氮化硅薄膜； (4)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法，繼續(xù)在沉積腔中通入SiH4和NH3反應(yīng)氣體，在所述第一氮化硅薄膜上沉積一層具有壓應(yīng)力的第二氮化硅薄膜，形成復(fù)合的雙層膜結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于:步驟(2)中，沉積所述第一氮化硅薄膜的條件為:所述半導(dǎo)體襯底溫度為250?450°C ;所述SiH4流量為20?200sCCm，所述NH3流量為50?300sccm ;射頻功率為500?2000W。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于:步驟(3)中，采用波長(zhǎng)范圍為320?400nm的紫外光進(jìn)行至少一次照射，所述紫外光照射時(shí)間共為5?20min ;所述紫外光照射的照射溫度范圍為300°C?400°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于:步驟(4)中，沉積所述第二氮化硅薄膜的條件為:所述半導(dǎo)體襯底溫度為250?450°C ;所述SiH4流量為20?200sCCm，所述NH3流量為50?300sccm ;射頻功率為1000?3000W。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一所述的形成方法，其特征在于:紫外光照射前的所述第一氮化硅薄膜的應(yīng)力范圍為-100?-300MPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一所述的形成方法，其特征在于:紫外光照射后的所述第一氮化硅薄膜的應(yīng)力范圍為50?400MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一所述的形成方法，其特征在于:所述第二氮化硅薄膜的應(yīng)力范圍為-100?-300MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一所述的形成方法，其特征在于:所述復(fù)合的雙層氮化硅薄膜的平均應(yīng)力范圍為-50?lOOMPa。
【文檔編號(hào)】H01L21/3105GK103871867SQ201410102293
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】洪齊元, 黃海 申請(qǐng)人:武漢新芯集成電路制造有限公司