SiN薄膜特性课件

LPCVDSiN薄膜特性及工艺05一月2023LPCVDSiN薄膜特性及工艺27十二月2022LPCVDSiN薄膜的优点结构致密，针孔密度小，化学稳定性好，介电常数大；对碱金属有非常高的阻挡能力；水汽的阻挡能力强。LPCVDSiN薄膜的优点结构致密，针孔密度小，化学稳定LPCVDSiN的用途钝化隔离电容介质结构材料掩蔽LPCVDSiN的用途钝化常用SiN的淀积方法及特点LPCVD

淀积温度高,通常在800℃左右。致密性非常好。PECVD淀积温度多在250～350℃之间。致密性一般。HDPCVD淀积温度可以低于100℃。致密性与PECVD相当。常用SiN的淀积方法及特点LPCVD采用PLCVD工艺淀积SiNSiH4+NH3体系SiH2Cl2(DCS)+NH3体系Si2Cl6(HDC)+NH3体系BTBAS+NH3体系等等采用PLCVD工艺淀积SiNSiH4+NH3体系不同工艺SiN薄膜淀积温度SiH4工艺900℃以下。DCS(Dichlorosilane)工艺650~750℃，DCS工艺的另外一个优点是比SiH4工艺具有更好的厚度和组份均匀性。BTBAS(bis-tertiary-butylaminosilane)和HCD(Si2Cl6)工艺600℃以下。不同工艺SiN薄膜淀积温度SiH4工艺900℃以下。应力产生的原因

基片(a)低CTE的材料高CTE的材料薄膜和基片间的CTE相同淀积膜

(b)(c)张应力

压应力

高CTE的材料低CTE的材料

两种材料热胀系数(CTE)不匹配将产生应力

应力产生的原因基片(a)低CTE的材料薄膜和基片间的CTESiN薄膜的应力及应用要求通常满足化学配比的SiN薄膜有非常高的张应力，即σ>1GPa。实际要求：微电子器件和其他电子器件要求的低应力SiN薄膜，通常应力应低于600MPa。

MEMS器件和其他对应力敏感的器件希望有更低的应力。SiN薄膜的应力及应用要求通常满足化学配比的SiN薄膜有非常SiN应力的主要由来(1)σ:残余应力P：压力T：温度σi:内应力σth:热应力αs:衬底的热胀系数αf:薄膜的热胀系数E：杨氏模量ν：泊松比SiN应力的主要由来(1)σ:残余应力P：压力SiN应力的主要由来(2)对于Si(111)即：可见，SiN的应力主要来自薄膜的内应力SiN应力的主要由来(2)对于Si(111)即：可见，SiNSiN薄膜应力的起因SiH4/NH3工艺引起张应力的两个因素：1、淀积过程中的张应力是由Si－H和N－H键的分裂引起薄膜收缩造成的；2、不稳定的键变成稳定的Si－N形成的应力。结论：1、薄膜中的H含量是张应力的重要来源；2、增加工艺温度可以降低薄膜应力；3、增加工艺过程的压力将提高薄膜应力；4、高的NH3含量和低的淀积温度都会增加H含量。SiN薄膜应力的起因SiH4/NH3工艺引起张应力的两个因素淀积温度与薄膜应力的关系淀积温度与薄膜应力的关系不同温度下气体比例与应力的关系不同温度下气体比例与应力的关系SiNx

化学配比与应力的关系SiNx化学配比与应力的关系不同LPCVD工艺淀积SiN的优缺点SiH4工艺淀积速度快。应力大，不宜淀积厚，厚度和组份不均匀。工艺中纵向淀积速率不均匀DCS工艺工艺温度低，均匀性好。薄膜应力大，含H量大。易于产生NH4Cl颗粒等。HCD和BTBAS工艺淀积温度低。但淀积速率低、较高的薄膜不均匀性、较差的膜层形貌遵循性以及高的化学品成本。不同LPCVD工艺淀积SiN的优缺点SiH4工艺SiH4体系的径向淀积速率基片边缘的厚度明显高于中心附近的厚度。SiH4体系的径向淀积速率基片边缘的厚度明显高于中心不同成份对均匀性的影响不同成份对均匀性的影响基片径向组份的变化情况厚度不均匀带来的另外一个问题是组份也在在发生变化。基片径向组份的变化情况厚度不均匀带来的另外一个问题是气流方向SiN厚度的差异气流方向SiN厚度的差异SiH4体系淀积均匀性差的原因淀积速率快导致可以用扩散限制机制进行解释。就是说，反应速度快于传输速度。反应气体到热壁附近，没有来得及向其他方向扩散反应就开始发生。所以薄膜的不均匀不仅体现在基片的径向上，同时也体现在气体的传输方向上。SiH4体系淀积均匀性差的原因淀积速率快导致可以用扩散

SiH4工艺的致命缺点厚度和组份不均匀，且难以控制。

这个缺点是器件制作中难以容忍的。SiH4工艺的致命缺点厚度和组份不均匀，且难以控DCS(SiH2Cl2)工艺的优缺点优点：淀积的均匀性好；

SiN的组份基本上为化学配比，即Si3N4；

工艺温度低。缺点：工艺中分解出的Cl离子对真空系统有腐蚀性；薄膜H含量较高，所以应力大于SiH4体系(折射率相同)。最高达到8%；化学配比偏离Si3N4后，均匀性有所降低。

DCS(SiH2Cl2)工艺的优缺点优点：淀积气体比例与应力的关系淀积气体比例与应力的关系不同温度下淀积速率与气体比例的关系不同温度下淀积速率与气体比例的关系不同温度膜厚均匀性与气体比例的关系不同温度膜厚均匀性与气体比例的关系残余应力与SiNx化学配比的关系残余应力与SiNx化学配比的关系气流方向均匀性改进措施在气流方向上增加温度梯度，从炉口的800℃，中间的815℃到尾部的830℃。以弥补消耗做成的反应气体不足，提高片片间的均匀性。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%气流方向均匀性改进措施在气流方向上增加温度梯度，从炉口的8027淀积系统的结构淀积系统的结构SiH2Cl2体系的普及程度上世纪90年代采用SiH2Cl2体系几乎成为唯一的LPCVDSiN淀积方式；文献中提到的SiN淀积几乎都是SiH2Cl2体系；生产中全部采用SiH2Cl2体系。SiH2Cl2体系的普及程度上世纪90年代采用SiH2Cl2结论鉴于以上介绍可以看到，SiH2Cl2体系的优点十分突出，良好的工艺均匀性便于器件整体工艺的实施和控制。虽然SiH2Cl2体系也存在一些缺点，但是我们了解它的特性以后可以利用它的优点，尽可能地避开其缺点。可以兴利避害，抛弃现有采用SiH4淀积SiN的体系，转向SiH2Cl2体系。结论鉴于以上介绍可以看到，SiH2Cl2体系的优点谢谢参与！谢谢参与！折射率与气体比例的关系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：气体比例折射率与气体比例的关系NH3/DCS61.180.590.2折射率不同的机理两个重要反应支配淀积工艺进程：NH3+SiH2Cl2→Si3N4SiH2Cl2→Si当气体比例R>0.3时，NH3剩余并控制反应，SiH2Cl2的分解受到抑制，所以薄膜成份为Si3N4。当气体比例R<0.3时，NH3不再控制反应，SiH2Cl2高温分解，超量的Si原子被吸附了，从而得到富硅SiN。折射率不同的机理两个重要反应支配淀积工艺进程：33厚度和折射率与气体比例的关系曲线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#之间的偏差原因是反应气体在进气端消耗掉形成浓度梯度。厚度和折射率与气体比例的关系曲线NH3/DCS61.180.折射率的相对变化δn/n与温度和气体比例无关，其非均匀近似为常数。厚度的非均匀性随温度的增加和气体比例的降低而增大。对于Si3N4的淀积(R>0.3)，NH3有多余，并控制反应，温度对均匀性影响不大。对于富硅SiN的淀积(R<0.3)，SiH2Cl2富裕，气流方向出现消耗。折射率的相对变化δn/n与温度和气体比例无关，其非均匀近似为我们需要做的工作所有的淀积结论都是与N/Si比相关。确定何种流量更为经济合理？多大的温度梯度可以保证首尾两端的厚度误差最小。低应力SiN工艺我们需要做的工作所有的淀积结论都是与N/Si比相关。确定何种LPCVDSiN薄膜特性及工艺05一月2023LPCVDSiN薄膜特性及工艺27十二月2022LPCVDSiN薄膜的优点结构致密，针孔密度小，化学稳定性好，介电常数大；对碱金属有非常高的阻挡能力；水汽的阻挡能力强。LPCVDSiN薄膜的优点结构致密，针孔密度小，化学稳定LPCVDSiN的用途钝化隔离电容介质结构材料掩蔽LPCVDSiN的用途钝化常用SiN的淀积方法及特点LPCVD

淀积温度高,通常在800℃左右。致密性非常好。PECVD淀积温度多在250～350℃之间。致密性一般。HDPCVD淀积温度可以低于100℃。致密性与PECVD相当。常用SiN的淀积方法及特点LPCVD采用PLCVD工艺淀积SiNSiH4+NH3体系SiH2Cl2(DCS)+NH3体系Si2Cl6(HDC)+NH3体系BTBAS+NH3体系等等采用PLCVD工艺淀积SiNSiH4+NH3体系不同工艺SiN薄膜淀积温度SiH4工艺900℃以下。DCS(Dichlorosilane)工艺650~750℃，DCS工艺的另外一个优点是比SiH4工艺具有更好的厚度和组份均匀性。BTBAS(bis-tertiary-butylaminosilane)和HCD(Si2Cl6)工艺600℃以下。不同工艺SiN薄膜淀积温度SiH4工艺900℃以下。应力产生的原因

基片(a)低CTE的材料高CTE的材料薄膜和基片间的CTE相同淀积膜

(b)(c)张应力

压应力

高CTE的材料低CTE的材料

两种材料热胀系数(CTE)不匹配将产生应力

应力产生的原因基片(a)低CTE的材料薄膜和基片间的CTESiN薄膜的应力及应用要求通常满足化学配比的SiN薄膜有非常高的张应力，即σ>1GPa。实际要求：微电子器件和其他电子器件要求的低应力SiN薄膜，通常应力应低于600MPa。

MEMS器件和其他对应力敏感的器件希望有更低的应力。SiN薄膜的应力及应用要求通常满足化学配比的SiN薄膜有非常SiN应力的主要由来(1)σ:残余应力P：压力T：温度σi:内应力σth:热应力αs:衬底的热胀系数αf:薄膜的热胀系数E：杨氏模量ν：泊松比SiN应力的主要由来(1)σ:残余应力P：压力SiN应力的主要由来(2)对于Si(111)即：可见，SiN的应力主要来自薄膜的内应力SiN应力的主要由来(2)对于Si(111)即：可见，SiNSiN薄膜应力的起因SiH4/NH3工艺引起张应力的两个因素：1、淀积过程中的张应力是由Si－H和N－H键的分裂引起薄膜收缩造成的；2、不稳定的键变成稳定的Si－N形成的应力。结论：1、薄膜中的H含量是张应力的重要来源；2、增加工艺温度可以降低薄膜应力；3、增加工艺过程的压力将提高薄膜应力；4、高的NH3含量和低的淀积温度都会增加H含量。SiN薄膜应力的起因SiH4/NH3工艺引起张应力的两个因素淀积温度与薄膜应力的关系淀积温度与薄膜应力的关系不同温度下气体比例与应力的关系不同温度下气体比例与应力的关系SiNx

化学配比与应力的关系SiNx化学配比与应力的关系不同LPCVD工艺淀积SiN的优缺点SiH4工艺淀积速度快。应力大，不宜淀积厚，厚度和组份不均匀。工艺中纵向淀积速率不均匀DCS工艺工艺温度低，均匀性好。薄膜应力大，含H量大。易于产生NH4Cl颗粒等。HCD和BTBAS工艺淀积温度低。但淀积速率低、较高的薄膜不均匀性、较差的膜层形貌遵循性以及高的化学品成本。不同LPCVD工艺淀积SiN的优缺点SiH4工艺SiH4体系的径向淀积速率基片边缘的厚度明显高于中心附近的厚度。SiH4体系的径向淀积速率基片边缘的厚度明显高于中心不同成份对均匀性的影响不同成份对均匀性的影响基片径向组份的变化情况厚度不均匀带来的另外一个问题是组份也在在发生变化。基片径向组份的变化情况厚度不均匀带来的另外一个问题是气流方向SiN厚度的差异气流方向SiN厚度的差异SiH4体系淀积均匀性差的原因淀积速率快导致可以用扩散限制机制进行解释。就是说，反应速度快于传输速度。反应气体到热壁附近，没有来得及向其他方向扩散反应就开始发生。所以薄膜的不均匀不仅体现在基片的径向上，同时也体现在气体的传输方向上。SiH4体系淀积均匀性差的原因淀积速率快导致可以用扩散

SiH4工艺的致命缺点厚度和组份不均匀，且难以控制。

这个缺点是器件制作中难以容忍的。SiH4工艺的致命缺点厚度和组份不均匀，且难以控DCS(SiH2Cl2)工艺的优缺点优点：淀积的均匀性好；

SiN的组份基本上为化学配比，即Si3N4；

工艺温度低。缺点：工艺中分解出的Cl离子对真空系统有腐蚀性；薄膜H含量较高，所以应力大于SiH4体系(折射率相同)。最高达到8%；化学配比偏离Si3N4后，均匀性有所降低。

DCS(SiH2Cl2)工艺的优缺点优点：淀积气体比例与应力的关系淀积气体比例与应力的关系不同温度下淀积速率与气体比例的关系不同温度下淀积速率与气体比例的关系不同温度膜厚均匀性与气体比例的关系不同温度膜厚均匀性与气体比例的关系残余应力与SiNx化学配比的关系残余应力与SiNx化学配比的关系气流方向均匀性改进措施在气流方向上增加温度梯度，从炉口的800℃，中间的815℃到尾部的830℃。以弥补消耗做成的反应气体不足，提高片片间的均匀性。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%气流方向均匀性改进措施在气流方向上增加温度梯度，从炉口的8063淀积系统的结构淀积系统的结构SiH2Cl2体系的普及程度上世纪90年代采用SiH2Cl2体系几乎成为唯一的LPCVDSiN淀积方式；文献中提到的SiN淀积几乎都是SiH2Cl2体系；生产中全部采用SiH2Cl2体系。SiH2Cl2体系的普及程度上世纪90年代采用SiH2Cl2结论鉴于以上介绍可以看到，SiH2Cl2体系的优点十分突出，良好的工艺均匀性便于器件整体工艺的实施和控制。虽然SiH2Cl2体系也存在一些缺点，但是我们了解它的特性以后可以利用它的优点，尽可能地避开其缺点。可以兴利避害，抛弃现有采用SiH4淀积SiN的体系，转向SiH2Cl2体系。结论鉴于以上介绍可以看到，SiH2Cl2体系的优点谢谢参与！谢谢参与！折射率与气体比例的关系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：气体比例折射率与气体比例的关系NH3/DCS61.1