一种低应力氮化硅薄膜的制备方法

摘要

本发明涉及半导体制备技术领域，解决了现有技术中在制备氮化硅薄膜中应力较大，不适于砷化镓器件的要求的技术问题，通过提供一种低应力氮化硅薄膜的制备方法，包括如下步骤：将晶圆载入反应腔后对所述反应腔进行抽真空，将所述反应腔的真空度保持在预设真空度，且保持第一预设时长；控制所述反应腔内的温度值至预设温度值，且保持第二预设时长；向所述反应腔内分别通入第一流量的SiH4气体、第二流量的NH3气体、第三流量的N2气体和第四流量的He气体，并在通入各气体后，保持第三预设时长；进行射频点火，使各气体形成等离子体状态并相互间发生反应，在所述晶圆表面生成氮化硅薄膜，进而实现了能够制备出低应力的氮化硅薄膜的技术效果。

权利要求

1.一种低应力氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S10，将晶圆载入反应腔后对所述反应腔进行抽真空，将所述反应腔的真空度保持在预设真空度，且保持第一预设时长；

S20，控制所述反应腔内的温度值至预设温度值，且保持第二预设时长；

S30，向所述反应腔内分别通入第一流量的SiH4气体、第二流量的NH3气体、第三流量的N2气体和第四流量的He气体，并在通入各气体后，保持第三预设时长，所述第一流量为

640sccm，第二流量为20sccm，第三流量为1000sccm，第四流量为3500sccm；

S40，进行射频点火，使各气体形成等离子体状态并相互间发生反应，在所述晶圆表面生成氮化硅薄膜。

2.根据权利要求1所述的低应力氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，在S40之后，还包括：向所述反应腔内进行N2吹扫及破真空之后，将晶圆载出。

3.根据权利要求1所述的低应力氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述预设真空度的范围为500-2000毫托。

4.根据权利要求1所述的低应力氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述预设温度值的范围为230℃-350℃。

5.根据权利要求1所述的低应力氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，在S40中，进行射频点火的射频功率的范围为120W-190W，且射频功率的波动幅度在预设功率值的±10%范围内。

6.根据权利要求1所述的低应力氮化硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一预设时长、第二预设时长和第三预设时长均为10秒。

说明书

一种低应力氮化硅薄膜的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体制备技术领域，尤其涉及一种低应力氮化硅薄膜的制备方法。

背景技术

[0002] 在化合物半导体砷化镓pHEMT生产制造过程中，氮化硅薄膜硬度高且是高k值的绝+缘介质，是一种良好的湿气和Na 的阻挡层。一般用来作为器件的表面钝化和防止污染（如尘埃、水汽、酸气等）、划伤和颗粒保护、金属层隔离介质、电容器介质等。

[0003] PECVD法（等离子体增强化学气相沉积法）生长的氮化硅薄膜可有效防止水汽和钠离子沾污，具有更好的热稳定性，但沉积时附加额外应力的氮化硅薄膜将通过裂隙的形成而释放应力，有裂隙的薄膜使薄膜的表面变粗，且杂质也会渗透到晶圆内，严重时将导致短路，且因砷化镓是压电材料，氮化硅的应力可降低其电晶体的性能参数，如饱和电流Idss、击穿电压BV、跨导gm、截止电压VP和微波性能等。

[0004] 介质膜应力大小与厚度以及介质种类有关，人们有时选择合适的厚度使压缩应力和拉伸应力适中，有时选用应力相反的两种介质（如氮化硅/氧化硅双层膜），取得应力的平衡，避免对器件的性能以及可靠性造成影响，但在工业应用中，制备两种介质膜会造成制程时间和器件成本的增加，所需的成本较高。

[0005] 传统的PECVD氮化硅沉积方式采用SiH4和NH3或SiH4和N2反应生成氮化硅薄膜，近来也有试验在SiH4和NH3的基础上加入N2，利用氮等离子体轰击来增强Si-N键合力从而提高薄膜密度，但对于砷化镓pHEMT器件而言，该方法仍存在不足之处，容易生成具有张应力的氮化硅薄膜。

[0006] 因此，现有技术中在制备氮化硅薄膜中应力较大，不适于砷化镓器件的要求的技术问题。

发明内容

[0007] 本发明通过提供一种低应力氮化硅薄膜的制备方法，解决了现有技术中在制备氮化硅薄膜中应力较大，不适于砷化镓器件的要求的技术问题，进而实现了能够制备出低应力的氮化硅薄膜的技术效果。

[0008] 本发明实施例的技术方案具体为：

[0009] 一种低应力氮化硅薄膜的制备方法，包括如下步骤：

[0010] S10，将晶圆载入反应腔后对所述反应腔进行抽真空，将所述反应腔的真空度保持在预设真空度，且保持第一预设时长；

[0011] S20，控制所述反应腔内的温度值至预设温度值，且保持第二预设时长；

[0012] S30，向所述反应腔内分别通入第一流量的SiH4气体、第二流量的NH3气体、第三流量的N2气体和第四流量的He气体，并在通入各气体后，保持第三预设时长；

[0013] S40，进行射频点火，使各气体形成等离子体状态并相互间发生反应，在所述晶圆表面生成氮化硅薄膜。

[0014] 进一步地，在S40之后，还包括：

[0015] 向所述反应腔内进行N2吹扫及破真空之后，将晶圆载出。

[0016] 进一步地，所述预设真空度的范围为500-2000毫托。

[0017] 进一步地，所述预设温度值的范围为230℃-350℃。

[0018] 进一步地，所述第一流量为640sccm，第二流量为20sccm，第三流量为1000sccm，第四流量为3500sccm。

[0019] 进一步地，在S40中，进行射频点火的射频功率的范围为120W-190W，且射频功率的波动幅度在预设功率值的±10%范围内。

[0020] 进一步地，所述第一预设时长、第二预设时长和第三预设时长均为10秒。

[0021] 本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

[0022] 由于采用将晶圆载入反应腔后对反应腔腔体内气体抽真空，并将该腔体内的压强控制至预设真空度，且保持第一预设时长之后，控制反应腔内的温度值至预设温度值，保持第二预设时长之后，向反应腔内分别通入第一流量的SiH4气体、NH3气体、N2气体、He气体，在通入各气体后，保持第三预设时长之后，进行射频点火，使各气体形成等离子体状态并相互间发生反应，在晶圆表面生成氮化硅薄膜，解决了现有技术中在制备氮化硅薄膜中应力较大，不适于砷化镓器件的要求的技术问题，实现了能够制备出低应力的氮化硅薄膜的技术效果。

附图说明

[0023] 图1为本发明实施例中低应力氮化硅薄膜的制备方法的步骤流程图。

具体实施方式

[0024] 本发明通过提供一种低应力氮化硅薄膜的制备方法，解决了现有技术中在制备氮化硅薄膜中应力较大，不适于砷化镓器件的要求的技术问题，进而实现了能够制备出低应力的氮化硅薄膜的技术效果。

[0025] 为了解决上述现有技术中在制备氮化硅薄膜中应力较大，不适于砷化镓器件的要求的技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

[0026] 本发明实施例提供一种低应力氮化硅薄膜的制备方法，如图1所示，包括如下内容：S10，将晶圆载入反应腔后对反应腔进行抽真空，将反应腔的真空度保持在预设真空度，且保持第一预设时长，首先，在该反应腔腔体内载入晶圆，具体在制备该氮化硅薄膜时，在该晶圆上形成该氮化硅薄膜。具体的，在S10中，该预设真空度具体为500-2000毫托（mTorr），当然，根据具体情况，还可以设定在其他真空度下，在本发明实施例中不作具体限定，在通过真空泵抽取气体，控制该真空度保持在预设真空度之后，需要保持第一预设时长，是为了保障该反应腔内的真空度能够稳定一段时间，这段时间具体可以是10s。然后，执行S20，控制反应腔内的温度值至预设温度值，并保持第二预设时长，在具体的实施方式中，该设定温度值具体为在230℃-350℃之间的值，当然，也不限定于该预设温度值，根据具体情况进行设定，在温度达到该预设温度值之后，保持第二预设时间，比如10s，以保证该反应腔腔体工艺温度的均匀性。

[0027] 上述步骤中S10和S20都是为制备该低应力的氮化硅薄膜营造适当的反应条件，接着，执行S30，向该反应腔内分别通入第一流量的SiH4气体、第二流量的NH3气体、第三流量的N2气体、第四流量的He气体。具体SiH4气体的第一流量为640sccm，NH3的第二流量为20sccm，N2的第三流量为1000sccm，He的第四流量为3500sccm，通入上述各流量的气体，在通入的过程中，可以随着设备的使用时间进行调节流量，具体调节的流量在该预设流量的预设波动值内变化，一般波动幅度不超过±10%，在通入各气体之后，保持第三预设时长，具体可以是10s，以保证各气体相互扩散，反应物质能够均匀分布，有利于充分反应。

[0028] 接着，执行S40，进行射频点火，使各气体形成等离子体状态并相互间发生反应，在晶圆表面生成氮化硅薄膜，这样生成的氮化硅的沉积速率为20-25nm/min，沉积膜厚可根据器件中的用途而改变，例如，作为电介质沉积时，厚度为150nm；作为保护层沉积时，厚度为80nm。具体沉积厚度值根据实际器件设计要求变化，工艺过程中一般变化幅度为±10%。由于在该反应腔内的反应气体SiH4气体、NH3气体、N2气体中加入He气体，利用该He等离子体具有更高的导热率和更高的彭宁反应系数，提高了反应腔室直径范围内反应物和生成物热分布的均匀性，不仅很好的满足了氮化硅薄膜的均匀性和致密性要求，而且制备适用于砷化镓pHEMT器件的低应力氮化硅薄膜。

[0029] 在上述制备该低应力的氮化硅薄膜时，采用单频13.56MHz或2.45GHz平板型等离子体PECVD设备，射频功率设定为在120W-190W之间，且该射频功率的波动幅度在预设功率值的±10%范围内。

[0030] 在本申请实施例中用于砷化镓器件上的氮化硅薄膜做了关于均匀性、沉积速率和应力的测试，多次测验结果如下表：

[0031]

[0032] 由此可见，每次试验间的厚度均匀性≤2.0%，均匀性良好，在采用UNAXIS应力测试设备测试氮化硅膜的应力，测试结果为0±80MPa（0±100MPa一般视为无应力），由此获得的氮化硅薄膜应力较低，符合砷化镓pHEMT器件的要求。且氮化硅薄膜沉积速率较高（22.5nm/min），可满足大规模工业生产的需要，另在7:1的BOE蚀刻槽内的对氮化硅膜进行蚀刻，蚀刻结果为19-21nm/min，可见沉积氮化硅薄膜结构致密、针孔度小，符合砷化镓器件低应力高品质氮化硅的要求。根据本发明的技术方案制备的低应力氮化硅薄膜，利用氦气（He）良好的热传导，从而达到了制备低应力致密氮化硅薄膜的目的，使其适用于砷化镓pHEMT器件，提高了器件的性能和可靠性。

[0033] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

[0034] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。