[發明專利]一種低應力氮化硅薄膜的形成方法

在審

• 申請號: 201410102293.4
• 申請日: 2014-03-19
• 公開（公告）號: CN103871867A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 洪齊元;黃海
• 申請（專利權）人: 武漢新芯集成電路制造有限公司
• 主分類號: H01L21/3105
• 分類號: H01L21/3105
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 楊立

技術領域

本發明涉及半導體器件薄膜制造領域，特別涉及一種低應力氮化硅薄膜的形成方法。

背景技術

氮化硅薄膜是廣泛應用于集成電路中的薄膜材料，它具有高的介電常數、可靠的耐熱抗腐蝕性能和優異的機械性能，可以保護芯片免受外界腐蝕性物質的侵蝕和機械損傷。近來，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的保護層以及傳感器芯片中的鈍化層，而在微電子機械系統中，氮化硅薄膜也得到了廣泛的應用。

現有技術通常采用等離子增強化學氣相淀積(簡稱PECVD)方法沉積氮化硅薄膜。PECVD是一種射頻輝光放電的物理過程和化學反應相結合的技術，在沉積腔室中通以一定量的高純氨氣及一定濃度的硅烷，調控沉積腔室內氣體的壓力，在射頻源產生的高頻電場的激發下，氣體產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，有關的化學鍵被打開，然后通過重新結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的化學反應，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、臺階覆蓋性好等優點，因此PECVD氮化硅薄膜沉積技術在半導體器件和集成電路的研制中，得到廣泛重視和應用。但是，氮化硅薄膜在制備過程中，難以避免產生本征應力，使氮化硅薄膜處于某種應力狀態：當氮化硅薄膜處于過大的拉應力狀態時，就會引起開裂；處于過大的壓應力狀態時，會引起褶皺或剝落。這些應力問題會削弱氮化硅薄膜原有的絕緣、鈍化、密封效果，從而影響器件的穩定性或導致芯片失效，因此需要降低氮化硅薄膜的應力。現有技術通常選擇淀積應力緩沖膜，比如250nm左右的SiO₂薄膜，來降低氮化硅薄膜的應力，但是這種方法不僅會導致工藝成本的增加，而且會使氮化硅薄膜的楊氏模量和硬度等力學性能減弱。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種低應力氮化硅薄膜的形成方法，解決了現有技術形成的氮化硅薄膜應力較大，影響半導體器件穩定性的問題。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種低應力氮化硅薄膜的形成方法，包括以下步驟：

（1）提供半導體襯底；

（2）采用等離子體增強化學氣相沉積方法，在沉積腔中通入反應氣體SiH₄和NH₃，在所述半導體襯底上沉積一層具有壓應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，將所述半導體襯底移至紫外光照射裝置的腔體中，對所述第一氮化硅薄膜進行紫外光照射，將所述第一氮化硅薄膜轉變為具有高拉應力的氮化硅薄膜；

（4）采用等離子體增強化學氣相沉積方法，繼續在沉積腔中通入SiH₄和NH₃反應氣體，在所述第一氮化硅薄膜上沉積一層具有壓應力的第二氮化硅薄膜，形成復合的雙層膜結構。

采用等離子體增強化學氣相沉積方法沉積氮化硅薄膜時，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，氮化硅薄膜的應力可以在幾千兆帕的壓應力到幾千兆帕的張應力間變化，比如在較高溫度或高頻下沉積的薄膜具有張應力，而在低溫或低頻的條件下沉積的薄膜具有壓應力。本發明的方法通過沉積條件的控制，首先在半導體襯底上沉積一層壓應力的第一氮化硅薄膜，然后通過紫外線照射工藝，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，相鄰斷裂鍵中的氫原子相結合形成分子形式的氫氣，氫氣從所述第一氮化硅薄膜中擴散出來，從而在所述第一氮化硅薄膜中形成新的高拉應力的Si-N鍵，使其從壓應力的氮化硅薄膜轉變為具有高拉應力的氮化硅薄膜；然后在所述高拉應力的第一氮化硅薄膜上沉積一層壓應力的氮化硅薄膜，利用此兩種應力膜的相互抵消來降低整體氮化硅薄膜的應力，制作出低應力氮化硅薄膜，從而提高半導體器件的穩定性，防止晶圓破片。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步，步驟（2）中，沉積所述第一氮化硅薄膜的條件為：所述半導體襯底溫度為250～450℃；所述SiH₄流量為20～200sccm，所述NH₃流量為50～300sccm；射頻功率為500～2000W。

進一步，步驟（3）中，采用波長范圍為320-400nm的紫外光至少一次照射的方法，所述紫外光照射時間共為5～20min；所述紫外光照射的照射溫度范圍為300℃～400℃。