氮化硅薄膜的應(yīng)力與性能控制*

周 東，許向東，王 志，王曉梅，蔣亞東

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院， 電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗室，成都 610054)

氮化硅薄膜是一種物理、化學(xué)性能均非常優(yōu)秀的半導(dǎo)體薄膜，具有較高的介電常數(shù)、良好的耐熱抗腐蝕性能、和優(yōu)異的機(jī)械性能等，因此，在微機(jī)電系統(tǒng)中常被用作絕緣層、表面鈍化層、保護(hù)膜和功能層等。目前為止，人們開發(fā)了多種制備SiNx薄膜的方法，例如低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)等。但是采用傳統(tǒng)方法制得的氮化硅薄膜一般都處于某種應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力的存在不僅削弱了SiNx薄膜的絕緣、鈍化、密封等效果，而且，還會直接影響到半導(dǎo)體器件的性能，從而制約了SiNx在實(shí)際中的應(yīng)用。因此，對于SiNx薄膜，殘余應(yīng)力及其性能的控制顯得至關(guān)重要。

SiNx薄膜殘余應(yīng)力的控制方面，主要是運(yùn)用傳統(tǒng)的“條件優(yōu)化法”，即改變薄膜的制備工藝參數(shù)來達(dá)到減小應(yīng)力的目的，而新的“結(jié)構(gòu)優(yōu)化法”是通過加入某些特定的介質(zhì)層，或者設(shè)計特定的多層介質(zhì)模型結(jié)構(gòu)達(dá)到減小薄膜應(yīng)力的目的。但在已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)中，往往把SiNx薄膜的應(yīng)力和其它物理性能分開來討論，但探索兩者之間相互關(guān)系的文章較少。最 近， Jaddcbsen[1]和 Aumer[2]分 別對 Si和AlInGaN/InGaN量子阱的研究發(fā)現(xiàn)，通過薄膜壓力的適當(dāng)調(diào)控可以促使薄膜的電學(xué)、光學(xué)特性等發(fā)生相應(yīng)變化，這種現(xiàn)象被稱之為薄膜的“應(yīng)力工程”，是當(dāng)今學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個研究熱點(diǎn)，越來越受微電子和光電領(lǐng)域?qū)＜覀冴P(guān)注。

本文一方面，通過關(guān)鍵沉積條件的改變，利用傳統(tǒng)的“條件優(yōu)化法”控制SiNx薄膜的殘余應(yīng)力；另一方面，我們還通過引入多層膜結(jié)構(gòu)，利用新的“結(jié)構(gòu)優(yōu)化法”調(diào)控SiNx薄膜應(yīng)力。此外，本文還對相關(guān)薄膜的一些重要物理性能進(jìn)行了測量，評估應(yīng)力與這些物理性能之間的聯(lián)系。相關(guān)結(jié)果對深入理解SiNx薄膜性能、改進(jìn)器件的制造工藝等，有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗部分

本實(shí)驗中， SiNx和SiO2薄膜都是通過PECVD制備。實(shí)驗步驟如下：首先，用piranha溶液清洗直徑為100 mm的Si(100)晶片，在80 ℃下浸泡10 min；然后，用稀釋的HF溶液清洗硅片90 s，清除有機(jī)物雜質(zhì)及表面氧化物；最后，用N2吹干硅片，然后，傳到PECVD系統(tǒng)(Orion II， Trion)沉積SiNx和SiO2薄膜。沉積的樣品分別由下面儀器系統(tǒng)分析：掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-5 900 LV)，臺階儀(Alpha-Step 500)，拉曼光譜儀(Renishaw inVia)，橢圓偏振儀(SE850)，納米壓痕儀(CSM，Nano Hardness＆Scratch Tester)和X光電子能譜(XPS，PHIQuantera SXM)等。

2 結(jié)果與討論

2.1 條件優(yōu)化法調(diào)控SiNx薄膜的應(yīng)力

在沉積SiNx薄膜的過程中，反應(yīng)氣體SiH4與NH3的流量比是影響SiNx薄膜應(yīng)力和成分的重要因素。為了研究反應(yīng)氣體流量比對SiNx應(yīng)力的影響，本文選擇高頻PECVD模式，在其它工藝條件保持不變的情況下，僅改變硅烷的流量，制備一系列SiNx薄膜，測量相關(guān)薄膜的應(yīng)力與其它性能。工藝條件如下：沉積功率為 60 W， 腔室氣體壓強(qiáng)為0.6 Torr，反應(yīng)氣體流量比NH3/N2=30/1 000 sccm，上下電極溫度為300/250 ℃，沉積時間為15 min；依次改變硅烷流量為6， 10， 20， 30， 40， 50 sccm。氣體流量比對氮化硅應(yīng)力影響如圖1。

圖1揭示，在實(shí)驗條件下，利用高頻PECVD制備的氮化硅薄膜表現(xiàn)為張應(yīng)力。當(dāng)SiH4/NH3流量比由1/3 增至1/1時，薄膜殘余應(yīng)力隨流量比增大呈下降趨勢；然而，當(dāng)SiH4/NH3的流量比繼續(xù)增大時，氮化硅薄膜殘余應(yīng)力又呈上升趨勢。其中，流量比為1/1時，所制備的氮化硅薄膜的殘余應(yīng)力最小。

圖1 高頻PECVD氮化硅薄膜殘余應(yīng)力與SiH4/NH3 的流量比的關(guān)系曲線

進(jìn)一步利用橢圓偏振技術(shù)，對相關(guān)氮化硅薄膜的特性進(jìn)行測量，相關(guān)結(jié)果總結(jié)在表1中。表1表明，隨著硅烷流量的增加：(1)氮化硅薄膜的沉積速率不斷增大，然而，薄膜的均勻性卻不斷變差(非均勻性增大)；(2)所制備的氮化硅薄膜的光折射率不斷增大；(3)氮化硅薄膜的光學(xué)帶隙不斷減少。

表1 沉積速率、非均勻性、折射率、Eg與SiH4 流量關(guān)系

上述實(shí)驗表明，通過條件的優(yōu)化(如反應(yīng)氣體流量比、或沉積溫度等)，可以較好地調(diào)控薄膜的殘余應(yīng)力，從而制備出具有理想薄膜應(yīng)力的SiNx薄膜；但是，條件變化對薄膜的其它物理性能也將產(chǎn)生較大影響。例如，通過硅烷流量的增大，可以使SiNx薄膜的折射率增大，但同時，光學(xué)帶隙(Eg)也發(fā)生減小。為了克服“條件優(yōu)化法”在該方面的不足，本文進(jìn)一步采用下面介紹的結(jié)構(gòu)優(yōu)化法來控制SiNx薄膜的應(yīng)力。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化法調(diào)控SiNx薄膜的應(yīng)力

本實(shí)驗中， SiNx和SiO2薄膜都是通過PECVD制備，測試薄膜應(yīng)力的多層膜結(jié)構(gòu)和鍍膜工藝如圖2。鍍膜工藝參數(shù)如下：射頻頻率為13.56 MHz， 功率600 W，反應(yīng)室溫度為300 ℃，壓強(qiáng)為0.6 Torr，反應(yīng)氣體N2O/SiH4流量比為 100/150 sccm， NH3/SiH4流量比為200/250 sccm。

圖2 改變應(yīng)力的多層膜結(jié)構(gòu)及相關(guān)的制備工藝

薄膜的表面形貌由SEM進(jìn)行測量， 圖3a為550 nm SiO2/Si(100)的SEM圖像， 在外延層與Si襯底相接觸的地方?jīng)]有觀察到明顯的界面，這與氮化硅薄膜(圖3b)的情況明顯不同。圖3b為110 nm SiNx/Si(100)的SEM圖， SiNx與Si的界面非常明顯。此外，圖3b還顯示，在薄膜表面還有谷峰和一個突起表面，這暗示在SiNx薄膜表面相對不平整。圖3c為110 nmSiNx/240 nm SiO2/Si(100)的SEM圖，可以看出，在多層膜結(jié)構(gòu)(圖3c)中， SiNx/SiO2和SiO2/Si的界面都不明顯，而且，薄膜表面變得非常平整、沒有如圖3b的突島出現(xiàn)。

圖3 樣品斷面SEM圖像

本文運(yùn)用曲率測量的方法來計算SiNx薄膜的殘余應(yīng)力，最終結(jié)果如圖4所示。薄膜應(yīng)力狀態(tài)很容易通過曲線形狀來判斷，若曲線呈凸線(如圖4a，c)說明薄膜呈壓應(yīng)力(記為負(fù)號)，若為凹線(如圖4b)為張應(yīng)力(記為正號)。雙軸薄膜應(yīng)力可通過Stoney公式定量地計算出來[3]：

圖4 樣品的曲率圖

式中R0，R分別為有、無外延薄膜時襯底的曲線半徑；ts， tj分別為襯底和表面薄膜的厚度；Es為襯底楊氏模量，對于Si襯底有：Es/(1-vs)=180.5 GPa， vs為泊松比。將圖4中曲率半徑結(jié)果和SEM測得的薄膜厚度代入式(1)中，可算出550 nm SiO2/Si(100)， 110 nm SiNx/Si(100)和110 nm SiNx/240 nm SiO2/Si(100)樣品殘余應(yīng)力分別為-610、+358和-57 MPa。

本文還利用拉曼光譜儀對薄膜應(yīng)力進(jìn)行測量與驗證。在拉曼光譜測試中，采用激勵光源波長為514.5 nm、功率為10 mW的氬離子激光器。由于應(yīng)力的存在使拉曼譜峰發(fā)生位移，位移的程度反映了應(yīng)力的大小。本文中，薄膜的殘余應(yīng)力σ利用如下的經(jīng)驗公式[4]進(jìn)行計算：

式中k為相關(guān)系數(shù)(518 MPa?cm)[5]， ω， ω0分別為Si基底在有、無應(yīng)力時的拉曼頻率。通過實(shí)驗，本文中拉曼峰值確定為w0=520.45 cm-1。圖5為典型的拉曼光譜，將拉曼頻率和參數(shù)(k和w0)[4]代入公式(2)，可分別得到550 nm SiO2/Si(100)， 110 nm SiNx/Si(100)， 和110 nm SiNx/240 nm SiO2/Si(100)樣品的應(yīng)力分別為-575、+399、-47 MPa，與曲率半徑的測量結(jié)果很好地相吻合，都表明SiO2過渡層的存在確實(shí)可以減少表層SiNx薄膜的張力。這說明，我們通過構(gòu)建多層膜調(diào)節(jié)薄膜應(yīng)力的想法是確實(shí)可行的。

圖5 550 nm SiO2/Si(100)， 110 nm SiNx/Si(100)和110 nm SiN1/240 nm SiO2/Si(100)樣品拉曼光譜

在實(shí)際應(yīng)用中，楊氏模量Ef和薄膜硬度Hf也是非常重要的參數(shù)，圖6為實(shí)驗獲取的典型的載荷壓痕深度(P-h)曲線。本文中，每個樣品都進(jìn)行了十次壓痕測試，運(yùn)用 Oliver和Pharr的方法[6]計算相關(guān)薄膜的楊氏模量與薄膜硬度，并取其平均值，最終得到單層和雙層結(jié)構(gòu)中SiNx薄膜的楊氏模量分別為289.7±20.2 和 235.8±21.9 GPa，其硬度分別為45.3±4.1 和35.1±5.1 GPa，表明SiNx的Ef和Hf值都隨著張應(yīng)力的減少而減少。

圖6 550 nm SiO2/Si(100)(a)和110 nm SiNx/240 nm SiO2/Si(100)(b)樣品載荷 壓痕深度曲線

而且，本文還通過橢圓偏振儀(采用氙燈為光源，測量波長范圍為280-800 nm)檢測所制備的SiNx薄膜的光學(xué)性能。SiNx折射率運(yùn)用柯西—洛倫茲模型來計算，其均方根誤差為0.87 ～1.63。圖7表明了單層和雙層膜結(jié)構(gòu)SiNx薄膜的折射率均隨著入射光波長的增加而減少。需要注意的是，在測量波長范圍內(nèi)，單層結(jié)構(gòu)的SiNx薄膜的折射率都比雙層結(jié)構(gòu)中SiNx的折射率小。考慮到這兩種SiNx薄膜樣品中的殘余應(yīng)力分別為+358 MPa的張力和-57 MPa的壓應(yīng)力，這說明SiNx薄膜的折射率隨著薄膜張力的減少而增大。我們注意到，該實(shí)驗結(jié)果與Toivola、Gorokhov等[7-8]運(yùn)用LPCVD制備SiNx薄膜的測試結(jié)果相類似，都表明SiNx薄膜的折射率與薄膜應(yīng)力存在著上述聯(lián)系。

圖7 110 nm SiNx/Si(100)和110 nm SiNx/240 nm SiO2/Si(100)樣品

根據(jù)橢偏儀測量結(jié)果，可以通過Tauc關(guān)系[9]推測不同薄膜的光學(xué)帶隙Eg

其中α為吸收系數(shù)， hν為光子能量， A為常數(shù)。其中α=4πk/λ， k為橢偏測量的消光系數(shù)， λ為入射光波長。

圖7(b)為上述兩種氮化硅薄膜的Eg值，分別為2.74±0.03 eV和2.78 ±0.04 eV。令人驚奇的是，圖7(b)結(jié)果表明單、雙層結(jié)構(gòu)的氮化硅薄膜的Eg非常接近，并不像圖7(a)所示的折射率的差別那么大。除此之外，考慮到化學(xué)計量比Si3N4的Eg為5.0 eV、折射率為2.0[7]，圖7(a)和(b)的結(jié)果還表明，本文中兩種樣品可能都是富Si型氮化硅薄膜。通過對110 nm SiNx/Si(100)樣品在Ar+濺射15 min后獲取的XPSSi 2p和N 1s譜圖，計算得到N/Si比為1.11 ～1.13。對于雙層膜， N/Si原子比的XPS測量結(jié)果也為1.11 ～1.13，與單層膜的結(jié)果相同。XPS進(jìn)一步證明，樣品確實(shí)為富Si型SiNx薄膜。如圖8所示，通過對SiNx、Si的結(jié)合能分析還表明，單、雙層膜的SiNx薄膜中都含有少量Si成分。由此可知，圖7(b)中SiNx薄膜的光學(xué)禁帶寬度低可歸因于SiNx中含有Si成分，由此揭示：在SiNx薄膜中增加Si成分可減少禁帶寬度Eg，而增加SiO2可增加其禁帶寬度Eg。

圖8 110 nm SiNx/Si(100)中SiNx薄膜的XPSSi 2p圖譜

由上面的分析和研究可知，兩種方法制備的SiNx薄膜都是在相同的PECVD、相同的參數(shù)和工藝條件下制備的，而且SiNx薄膜厚度相同， XPS研究結(jié)果表明SiNx薄膜成分相同，不同的是在“結(jié)構(gòu)優(yōu)化法”調(diào)控薄膜應(yīng)力的方法中，增加了SiO2介質(zhì)層，從而降低了薄膜的內(nèi)應(yīng)力；另外，從“應(yīng)力工程”的角度研究發(fā)現(xiàn)， “結(jié)構(gòu)優(yōu)化法”調(diào)控薄膜應(yīng)力的同時，使SiNx薄膜的折射率增大，值得注意得是，光學(xué)帶隙基本保持不變，從而大大提高薄膜的光學(xué)性能，這些結(jié)論與Jaddcbsen[1]和Aumer[2]非常的相似，確實(shí)可以通過“應(yīng)力工程”對應(yīng)力控制的同時，改善薄膜的光學(xué)性能；但是本文也存在一些缺陷，在“結(jié)構(gòu)優(yōu)化法”調(diào)控薄膜應(yīng)力試驗中發(fā)現(xiàn)，楊氏模量和硬度等力學(xué)性能相應(yīng)減弱，因此引入了一個值得思考的問題，可能通過三層膜結(jié)構(gòu) (即 SiNx/SiO2/SiNx)，或者多層膜結(jié)構(gòu)改善該方面的缺陷。

3 結(jié)論

綜上所述，我們通過構(gòu)建一種特殊的雙層膜結(jié)構(gòu)，有效地控制了SiNx薄膜的殘余應(yīng)力，由此使SiNx薄膜的殘余應(yīng)力從高的張應(yīng)力(+358 MPa)降低到低的壓應(yīng)力(-57 MPa)，應(yīng)力的改變使SiNx薄膜的折射率發(fā)生增大、楊氏模量和硬度相應(yīng)降低，重要的是， SiNx薄膜的光學(xué)帶隙基本保持不變。通過構(gòu)建的雙層膜結(jié)構(gòu)有效地改善了SiNx薄膜的質(zhì)量和物理特性。該結(jié)構(gòu)適合于應(yīng)用到實(shí)際的器件制造中，尤其適用于非制冷紅外微橋探測器的懸浮微橋結(jié)構(gòu)中。而且，我們的實(shí)驗還揭示， SiNx薄膜低的光學(xué)帶隙(～2.80 eV)主要是因為薄膜中含有Si成分，證明了SiNx薄膜的光學(xué)帶隙主要依靠其內(nèi)部的化學(xué)組成。本文揭示一種通過構(gòu)建多層膜結(jié)構(gòu)控制薄膜應(yīng)力，從而調(diào)控光電薄膜物理性能的新方法。

[ 1] Jacoben R S， Andersen K N， Borel， P I et al.Strained Silicon As a New Electro-Optic Material[J].Nature.2006， 441：199-202.

[ 2] Aumer M E， LeBoeuf S F， Bedair SM， et al.Effects of Tensile and Compressive Strain on the Lum inescence Properties of AlIn-GaN/InGaN Quantum Well Structure， Appl.Phys.Lett.2000，77：821-824.

[ 3] Stoney GG.The Tension ofMetallic Films Deposited by Electrolysis[ J] .Proc.R.Soc.London， Ser.A 1909， 82：172-175.

[ 4] Strikar V T， Swan A K， Unlu M S， et al.Micro-Raman Measurement of Bending Stresses in Micromachined Silicon Flexures[ J].Micro-Electro-Mech.Syst.2003， 12：779-784.

[ 5] Wolf IDe， Vanhellemont J， Romanano-Rodrfguez A， et al.Micro-Raman Study of Stress Distribution in Local Isolation Structures and Correlation with Transmission Electron M icroscopy[ J] .Appl.Phys.1992， 71：898-906.

[ 6] Oliver W C， Pharr G M.An Improved Technique for Determining Hardnessand Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments[J] .Mater.Res.1992， 7：1564-1583.

[ 7] Toivola Y， Thurn J， Cook R F， et al.Influence of Deposition Conditions on Mechanical Properties of Low-Pressure Chemical Vapor Deposited Low-Stress Silicon Nitride Films[ J] .Appl.Phys.2003， 94：6915-6922.

[ 8] Gorokhov E B， Prinz V Ya， Noskov AG， etal.ANovelNanolithographic Concept Using Crack-Assisted Patterning and Self-Alignment Technology[ J] .Electrochem.Soc.1998， 145：2120-2132.

[ 9] Tong Li， Jerzy K， Wei K， et al.Interference Fringe-Free Transm ission Spectroscopy of Amorphous Thin Films[ J] .Appl.Phys.2000， 88：5764-5771.