專利名稱：用電子回旋共振微波等離子體制備超薄氮化硅薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及制備微電子介電層、保護(hù)層的制備方法。
Si3N4薄膜材料是微電子介電層和保護(hù)層最重要的材料，廣泛應(yīng)用于微電子和光電子材料與器件。在低溫下制備高質(zhì)量Si3N4薄膜是大規(guī)模集成電路和微電子材料發(fā)展的必然要求。為了在低溫條件下在Si基片上制備高質(zhì)量的Si3N4薄膜，人們用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，磁控濺射技術(shù)，用電子回旋共振微波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)，光化學(xué)氣相沉積技術(shù)等方法制備Si3N4薄膜，但獲得高質(zhì)量超薄Si3N4介電膜仍存在一些困難。如各種氣相沉積(CVD)過(guò)程中開(kāi)始界面反應(yīng)快，難于控制超薄膜厚度和質(zhì)量。
詳細(xì)內(nèi)容為了在低溫條件下制備高質(zhì)量超薄Si3N4介電膜，克服高溫化學(xué)氣相沉積制備高質(zhì)量超薄Si3N4介電膜的缺點(diǎn)，本發(fā)明利用電子回旋共振微波等離子氮化技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)微波功率、氣壓和N2/Ar的氣體流速比，在低溫條件下制備出超薄Si3N4薄膜，其制備步驟如下首先是將清洗好的硅襯底片放入電子回旋共振微波等離子體設(shè)備生長(zhǎng)室的基座上，由機(jī)械泵和分子泵將本底真空度抽至2×10-4Pa，通入高純氬氣Ar流量為15-30sccm，再加2.45GHz微波，微波功率范圍為300W至500W，微波使氬氣產(chǎn)生輝光等離子體轟擊硅襯底片表面5-10分鐘去氧化膜，使硅襯底片的溫度為50℃-100℃；然后關(guān)閉微波，再通入高純氬氣Ar和氮?dú)釴2，調(diào)整[N2]/[Ar]的氣體流速比從0.25到0.65，氣壓從1.0×10-1Pa-2.0×10-1Pa，生長(zhǎng)時(shí)間20分鐘，則可制得超薄Si3N4薄膜。
本發(fā)明利用了電子回旋共振可在低壓下產(chǎn)生高密度等離子體和等離子體中離子和電子質(zhì)量的差別，在等離子體流方向上其擴(kuò)散速度不同而在空間形成自建電場(chǎng)對(duì)氮離子和氬離子的加速作用(能量為幾十電子伏)，轟擊Si表面，在Si表面層進(jìn)行等離子體誘導(dǎo)下的界面擴(kuò)散反應(yīng)形成致密的超薄Si3N4薄膜，以滿足微電子材料與器件的需要。
本發(fā)明的積極效果隨著超大規(guī)模集成電路和微電子材料的發(fā)展，低溫條件下在硅襯底片上制備高質(zhì)量的超薄Si3N4薄膜的方法，是人們不斷地探索的主題。本發(fā)明利用等離子體氮化技術(shù)，硅襯底片無(wú)需再加熱，實(shí)現(xiàn)低溫生長(zhǎng)，克服高溫CVD易引起雜質(zhì)再分布的缺點(diǎn)；本發(fā)明的薄膜厚度小于10nm，可在4nm-10nm范圍變化，平均介電擊穿電場(chǎng)在3-5MV/cm范圍變化。本發(fā)明在低壓下生長(zhǎng)，條件可控，重復(fù)性好，本發(fā)明的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)可在不同襯底片上進(jìn)行，特別適合于單晶Si襯底片，也可以在其它半導(dǎo)體基片形成氮化物薄膜，可通過(guò)改變氮?dú)馀c氬氣的氣體流速比[N2]/[Ar]，氣壓和生長(zhǎng)時(shí)間控制薄膜厚度。還可將本發(fā)明與濺射技術(shù)結(jié)合制備Si/SiN的超晶格和量子阱結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例1
襯底片溫度為50℃；生長(zhǎng)襯底片選擇n-Si單晶襯底片，微波(2.45GHz)功率為500W，微波等離子體腔磁場(chǎng)875Gauss；襯底片與等離子腔間距為100mm；高純氬氣Ar氣流量為15sccm(或30sccm)；[O2]/[N2]為0.25；氣壓為1.0×10-1Pa；生長(zhǎng)時(shí)間為20分鐘，可制備出的膜厚為6nm、折射率為1.96、平均介電擊穿電場(chǎng)在3-5MV/cm范圍變化的超薄Si3N4薄膜。
本發(fā)明的實(shí)施例2低溫電子回旋共振微波等離子體制備超薄SiN薄膜的方法襯底片溫度為100℃；生長(zhǎng)襯底片選擇n-Si單晶襯底片，微波(2.45GHz)功率為300W，微波等離子體腔磁場(chǎng)875Gauss；襯底片與等離子腔間距為100mm；高純Ar氣流量為25sccm；[N2]/[Ar]為0.48；氣壓為1.5×10-1Pa。生長(zhǎng)時(shí)間為20分鐘，可制備出的膜厚為5nm，折射率為1.96。平均介電擊穿電場(chǎng)在3-5MV/cm范圍變化。
本發(fā)明的實(shí)施例3低溫電子回旋共振微波等離子體制備超薄SiN薄膜的方法襯底片溫度為70℃；生長(zhǎng)襯底片選擇n-Si單晶襯底片，微波(2.45GHz)功率為500W，微波等離子體腔磁場(chǎng)875Gauss；襯底片與等離子腔間距為100mm；高純Ar氣流量為30sccm；[N2]/[Ar]為0.65；氣壓為2.0×10-1Pa。生長(zhǎng)時(shí)間為20分鐘，可制備出的膜厚為4nm，折射率為1.96。平均介電擊穿電場(chǎng)在3-6MV/cm范圍變化。
按以上3個(gè)實(shí)施例條件可以生長(zhǎng)出超薄SiN薄膜，其膜厚可由氣壓和氣體流速比[N2]/[Ar]控制。
權(quán)利要求
1.用電子回旋共振微波等離子體制備超薄氮化硅薄膜，其特征在于利用電子回旋共振微波等離子氮化，通過(guò)調(diào)節(jié)其微波功率、氣壓和N2/Ar的氣體流速比，在低溫條件下制備出超薄Si3N4薄膜，其制備步驟如下首先是將清洗好的硅襯底片放入電子回旋共振微波等離子體設(shè)備生長(zhǎng)室的基座上，由機(jī)械泵和分子泵將本底真空度抽至2×10-4Pa，通入高純氬氣Ar流量為15sccm-30sccm，再加2.45GHz微波，微波功率范圍為300W至500W，微波使氬氣產(chǎn)生輝光等離子體轟擊硅襯底片表面5-10分鐘去氧化膜，使硅襯底片的溫度為50℃-100℃；然后關(guān)閉微波，再通入高純氬氣Ar和氮?dú)釴2，調(diào)整[N2]/[Ar]的氣體流速比從0.25到0.65，氣壓從1.0×10-1Pa-2.0×10-1Pa，生長(zhǎng)時(shí)間20分鐘，則可制得超薄Si3N4薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備微電子介電層、光電子材料與器件保護(hù)層、介電層的生長(zhǎng)方法。用電子回旋共振微波等離子體技術(shù),適合于單晶Si襯底片,在一定微波功率條件下,通過(guò)調(diào)整[N
文檔編號(hào)C23C16/511GK1363722SQ0113879
公開(kāi)日2002年8月14日 申請(qǐng)日期2001年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月7日
發(fā)明者劉益春, 呂有明, 劉玉學(xué), 張吉英, 申德振, 范希武 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所