低應(yīng)力變化pecvd二氧化硅薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種二氧化硅薄膜的加工方法，尤其涉及一種低應(yīng)力變化PECVD二氧 化硅薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] PECVD (等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）二氧化硅薄膜具有硬度高、介電特性好、光 透過率高、絕緣性好的特點(diǎn)，是一種在半導(dǎo)體、微電子學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)領(lǐng)域廣泛應(yīng) 用的膜材料?；?以 4的PECVD二氧化硅薄膜廣泛應(yīng)用于MEMS加工領(lǐng)域，其薄膜應(yīng)力在 表面微機(jī)械加工技術(shù)中十分重要，殘余的應(yīng)力可導(dǎo)致MEMS結(jié)構(gòu)的偏移、翹曲甚至斷裂。
[0003] 尤其如今MEMS對PECVD二氧化硅薄膜加工工藝的需求越來越多樣化，一些包含有 退火（Anneal)工藝的MEMS結(jié)構(gòu)要求PECVD二氧化硅薄膜退火后要有較好的介電性能和較 小的應(yīng)力變化。為了能得到理想的PECVD二氧化硅薄膜，往往可以通過不斷地調(diào)整退火溫 度來獲得，但此方案對上下層結(jié)構(gòu)影響較大，可行性不高。目前現(xiàn)有的一般PECVD二氧化 硅工藝應(yīng)力在0~±l〇〇Mpa之間，經(jīng)過爐管退火后，薄膜的介電性能不符合MEMS要求，特 別是退火前后應(yīng)力變化太大，導(dǎo)致MEMS結(jié)構(gòu)偏移、變型。因此如何通過調(diào)整工藝參數(shù)來使 PECVD二氧化硅薄膜在退火前后應(yīng)力變化最小，成為當(dāng)前PECVD二氧化硅薄膜加工領(lǐng)域亟 待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種低應(yīng)力變化PECVD二氧化硅薄膜 的制備方法，該方法通過調(diào)整沉積過程中氣體流量和射頻功率得到高收縮應(yīng)力的PECVD二 氧化硅薄膜，經(jīng)MEMS工藝中退火后應(yīng)力變化小、介電性能優(yōu)良，符合MEMS結(jié)構(gòu)要求。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 一種低應(yīng)力變化PECVD二氧化硅薄膜的制備方法，包括
[0007] 步驟（1):將反應(yīng)氣體供給到放置有基板的反應(yīng)腔體中，并利用等離子體增強(qiáng)化 學(xué)氣相沉積在基板上沉積二氧化硅薄膜，該步驟中沉積溫度為400°C，產(chǎn)生等離子體的射頻 功率為300~400W，反應(yīng)氣體的氣體流量為60~70sccm，沉積所得PECVD二氧化硅薄膜的 應(yīng)力為-200~_350MPa ;
[0008] 步驟⑵：將經(jīng)步驟⑴所得二氧化硅薄膜進(jìn)行退火，退火條件為1100~1200°C 下退火50~60min。
[0009] 其進(jìn)一步的技術(shù)方案是：
[0010] 所述反應(yīng)氣體為SiH4和經(jīng)汽化的TE0S。
[0011] 借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明改進(jìn)了一般的PECVD二氧化硅 薄膜沉積工藝，通過在常規(guī)沉積溫度400°C下，采用低氣體流量60~7〇 SCCm及高射頻功 率300~400W的方式沉積得高收縮應(yīng)力的PECVD二氧化硅薄膜，并結(jié)合MEMS后續(xù)的退火 工藝，省略了比較繁瑣和耗能耗時的退火工藝調(diào)整，可得到理想的退火前后應(yīng)力變化小的 PECVD二氧化硅薄膜，同時使退火后的薄膜介電性能良好，符合MEMS結(jié)構(gòu)的要求。
[0012] 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖1和具體實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述，以 下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0015] 本發(fā)明的具體實(shí)施例采用四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，選擇對低應(yīng)力變化PECVD二氧 化硅薄膜沉積影響明顯的工藝條件，反應(yīng)氣體選用硅烷（SiH 4)氣體。本具體實(shí)施例中均采 用目前現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)沉積溫度400°C，選擇反應(yīng)腔體內(nèi)基板到氣體噴淋頭之間的距離 (Spacing)、射頻功率（RF)、SiH^體流量（SiH 4)和反應(yīng)腔體內(nèi)壓力（Pressure)為四個因 素，其中Spacing的三個水平依次為330mil、370mil和410mil，RF的三個水平依次為100W、 130W和160W，SiH 4的三個水平依次為60sccm、80sccm和lOOsccm，Pressure的三個水平依 次為4. 2Torr、3. 8Torr和3. 4Torr，然后通過上述因素和各因素的水平進(jìn)行L9正交實(shí)驗(yàn)，實(shí) 驗(yàn)結(jié)果參見圖1所示，其中縱列四個驗(yàn)證指標(biāo)自上向下依次為沉積所得PEVCD二氧化硅薄 膜的應(yīng)力（Stress) /MPa，沉積所得PEV⑶二氧化硅薄膜的厚度（THK) /A，沉積所得PEV⑶二 氧化硅薄膜的均勻度（THK Nu)/%，沉積所得PEVCD二氧化硅薄膜的折射率（RI)。
[0016] 參見圖1所示，由該圖中Spacing縱列可以看出，當(dāng)反應(yīng)腔體內(nèi)基板到氣體通 道之間的距離為330mil、370mil和410mil時，PEV⑶二氧化硅薄膜的應(yīng)力由0轉(zhuǎn)變至 約-lOOMPa，變化并不明顯，且膜厚（THA)在35000~25000A之間逐步減小，膜的均勻性 (THK Nu)在I. 0~1. 3%之間變動，膜的折射率（RI)在1. 47~1. 46之間變動，該四個驗(yàn) 證指標(biāo)的變化均不明顯，說明反應(yīng)腔體內(nèi)基板到氣體通道之間的距離對PEVCD二氧化硅 薄膜沉積工藝的影響不大。由該圖中RF縱列可以看出，當(dāng)射頻功率為100W、130W和160W 時，PEV⑶二氧化硅薄膜的應(yīng)力由約IOOMPa轉(zhuǎn)變至約-150MPa，變化顯著，但膜厚（THA)在 35000~25000A之間略有變動，膜的均勻性（THK Nu)在0. 5~1. 5%之間變動，膜的折射 率（RI)在1. 47~1. 46之間變動，該四個驗(yàn)證指標(biāo)中PEV⑶二氧化硅薄膜的應(yīng)力和膜的均 勻性變化顯著，說明射頻功率對PEVCD二氧化硅薄膜的應(yīng)力和膜的均勻性影響較大。由該 圖中SiH 4縱列可以看出，當(dāng)SiH 4氣體流量為60sccm、80sccm和IOOsccm時，PEVCD二氧化 硅薄膜的應(yīng)力由約_200Mpa呈上升狀轉(zhuǎn)變至約lOOMPa，變化顯著，膜厚（THA)在23000~ 40000A之間呈上升變動，膜的均勻性（THK Nu)在1. 2~1. 0%之間呈下降變動，膜的折射率 (RI)在1. 45~1. 48之間呈上升變動，該四個驗(yàn)證指標(biāo)的變化均較為顯著，說明SiH4氣體 流量對PEVCD二氧化硅薄膜的應(yīng)力、膜厚、膜的均勻性及折射率影響均較大，且該影響顯著 于射頻功率RF的影響。由該圖中Pressure縱列可以看出，當(dāng)反應(yīng)腔體內(nèi)壓力為4. 2Torr、 3. 8Torr和3. 4Torr時，PEV⑶二氧化硅薄膜的應(yīng)力為-20Mpa且基本沒有任何變動，膜厚 (THA)在23000~38000A之間呈上升變動，膜的均勻性（THK Nu)在I. 1~1. 0%之間呈下 降變動，膜的折射率（RI)在約1. 46~約1. 47之間呈上升變動，該四個驗(yàn)證指標(biāo)的變化均 不明顯，說明反應(yīng)腔體內(nèi)壓力對PEVCD二氧化硅薄膜的應(yīng)力、膜厚、膜的均勻性及折射率影 響均較小。綜上所述，在保證一定的膜厚、膜均勻性和折射率的前提下，沉積工藝中的射頻 功率（RF)和SiH4氣體流量對PEVCD二氧化硅薄膜的應(yīng)力有顯著影響。因此選擇合適的射 頻功率及一丨比氣體流量來得到所需的高收縮應(yīng)力的PEVCD二氧化硅薄膜。
[0017] 對本發(fā)明中所述射頻功率（RF)選用300~400W、SiH^體流量（SiH4)選用60~ 70sccm，反應(yīng)腔體內(nèi)基板到氣體噴淋頭之間的距離（Spacing)為280mil固定值，反應(yīng)腔體 內(nèi)壓力（Pressure)為3. 8Torr固定值，沉積溫度為400°C，分別進(jìn)行對比例1和實(shí)施例1-6， 測試所得PEVCD二氧化硅薄膜的應(yīng)力如表1所示。
[0018] 表 1
[0019]
[0020] 將上述經(jīng)對比例1和實(shí)施例1-6所述工藝參數(shù)沉積所得的PEV⑶二氧化硅32K薄 膜經(jīng)退火后測試前后應(yīng)力的變化，其中退火條件為1100°c下進(jìn)行60分鐘，應(yīng)力變化的結(jié)果 如表2所示。
[0021] 表 2
[0022]
[0023]
[0024] 由上述表1和表2可知，在常規(guī)沉積溫度400°C條件下，固定對PEV⑶二氧化硅 薄膜的應(yīng)力及應(yīng)力變化影響極小的工藝參數(shù)：反應(yīng)腔體內(nèi)基板到氣體噴淋頭之間的距離 (Spacing)和反應(yīng)腔體內(nèi)壓力（Pressure)，選擇高射頻功率300~400W和低WH 4氣體流 量60~70sccm，得到的PEV⑶二氧化硅薄膜的應(yīng)力在-200~-350MPa之間，經(jīng)MEMS中后 續(xù)的退火工藝后，PEV⑶二氧化硅薄膜的應(yīng)力變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對比例中所得PEV⑶二氧化硅 薄膜的應(yīng)力變化。
[0025] 本發(fā)明所述技術(shù)方案中的反應(yīng)氣體可選用SiH4，即該方案適用于SiH4based二氧 化硅薄膜的沉積；反應(yīng)氣體也可以選用經(jīng)汽化的TEOS (四乙基氧化硅），即該方案也適用于 TEOS based二氧化硅薄膜的沉積。
[0026] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技 術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和 變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種低應(yīng)力變化PECVD二氧化硅薄膜的制備方法，其特征在于：包括 步驟（1):將反應(yīng)氣體供給到放置有基板的反應(yīng)腔體中，并利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣 相沉積在基板上沉積二氧化硅薄膜，該步驟中沉積溫度為400°C，產(chǎn)生等離子體的射頻功率 為300~400W，反應(yīng)氣體的氣體流量為60~70sccm，沉積所得PECVD二氧化硅薄膜的應(yīng)力 為-200 ~-350MPa ; 步驟（2):將經(jīng)步驟（1)所得二氧化硅薄膜進(jìn)行退火，退火條件為1100~120(TC下退 火 50 ~60min。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力變化的PECVD二氧化硅薄膜的制備方法，其特征在于： 所述反應(yīng)氣體為SiH4和經(jīng)汽化的TEOS。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低應(yīng)力變化PECVD二氧化硅薄膜的制備方法，該方法改進(jìn)了一般的PECVD二氧化硅薄膜沉積工藝，通過在常規(guī)沉積溫度400℃下，采用低氣體流量60～70sccm及高射頻功率300～400W的方式沉積得高收縮應(yīng)力的PECVD二氧化硅薄膜，再結(jié)合MEMS后續(xù)的退火工藝，省略了比較繁瑣和耗能耗時的退火工藝調(diào)整，可得到理想的退火前后應(yīng)力變化小的PECVD二氧化硅薄膜，同時使退火后的薄膜介電性能良好，符合MEMS結(jié)構(gòu)的要求。
【IPC分類】H01L21/31, H01L21/205, B81B7/02
【公開號】CN105047544
【申請?zhí)枴緾N201510401373
【發(fā)明人】吳慶才, 王劍, 侯永濤, 朱豐
【申請人】蘇州工業(yè)園區(qū)納米產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年7月10日