LPCVD Si3N4工藝中副產(chǎn)物NH4Cl去除的研究

林洪春，朱應(yīng)強(qiáng)，薛 斌

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引言

化學(xué)氣相薄膜淀積是集成電路制造中常用的基礎(chǔ)工藝之一，化學(xué)氣相淀積分為低壓淀積、常壓淀積和等離子體淀積等，文章重點(diǎn)研究低壓化學(xué)氣相淀積（Low pressure chemical vapor deposition）氮化硅薄膜。氮化硅薄膜的質(zhì)量直接關(guān)系集成電路的性能及良率，低壓化學(xué)氣相淀積過(guò)程中副產(chǎn)物的處理尤其重要，研究的目的是去除低壓化學(xué)氣相淀積LPCVD Si3N4工藝中的副產(chǎn)物NH4Cl，研究的主要成果在于有效的控制了LPCVD Si3N4片面的顆粒度，保證了Si3N4薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量[1]。

集成電路加工工藝中，薄膜質(zhì)量直接影響器件的成品率，對(duì)于加工集成電路及光電系列產(chǎn)品的工藝線，低壓淀積氮化硅薄膜是IC產(chǎn)品預(yù)氧化后掩蔽層的關(guān)鍵工序，氮化硅薄膜質(zhì)量也關(guān)系有源區(qū)窗口質(zhì)量及邊緣鳥嘴的翹曲度。經(jīng)過(guò)系列實(shí)驗(yàn)摸索，使用原工藝造成LP Si3N4薄膜顆粒過(guò)大，MOS電路需要返工來(lái)重新淀積Si3N4薄膜，返工時(shí)，要先利用磷酸在180℃條件下的高溫化學(xué)反應(yīng)除氮化硅，再使用50:1HF去除50nm預(yù)氧化層,而磷酸與稀釋之后的50:1HF都無(wú)法去除氮化硅表面的顆粒[2]，如副產(chǎn)物NH4Cl，這樣導(dǎo)致返工后顆粒殘留。氮化硅薄膜由于其優(yōu)良特性廣泛應(yīng)用于光電器件的制造，通常采用熱氧化層與氮化硅薄膜組合作為光電產(chǎn)品的增透膜使用，如果氮化硅薄膜質(zhì)量不佳，且光電品種增透膜無(wú)法返工，直接的后果就是報(bào)廢。

因此，研究氮化硅薄膜質(zhì)量問(wèn)題十分必要，對(duì)于氮化硅反應(yīng)中副產(chǎn)物NH4Cl去除的研究，有助于解決薄膜顆粒度以及副產(chǎn)物過(guò)多導(dǎo)致的氮化硅富硅現(xiàn)象，提升薄膜質(zhì)量，提高元器件可靠性。

2 LPCVD Si3N4工藝原理

低壓化學(xué)氣相淀積氮化硅是半導(dǎo)體工藝制膜的方法之一[3]，其原理為低壓化學(xué)氣相反應(yīng)，溫度選擇為790～810℃，壓力設(shè)定為200mtor，以此為基礎(chǔ)條件進(jìn)行工藝反應(yīng)[4]，NH3SiH2Cl2N2等反應(yīng)氣體在高溫低壓抽真空的環(huán)境中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成的薄膜在晶圓表面形成小島逐漸成膜[5]，成膜的質(zhì)量與工藝密切相關(guān)。通過(guò)改變氣體比例控制氮化硅薄膜的質(zhì)量，可從根本上避免反應(yīng)中副產(chǎn)物氯化銨（NH4Cl）的生成。經(jīng)過(guò)理論結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)工藝過(guò)程中的氣體比例調(diào)整，將化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中氣體比例NH3:SiH2Cl2選擇為3:1，即氣體流量60sccm:20sccm，反應(yīng)壓力為200mtor，其優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)過(guò)程中的氣體配比合理，副產(chǎn)物生成較少，反應(yīng)方程式如下[5]：

通過(guò)深入研究氮化硅薄膜的特性，采用系列化的工藝試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證LPCVD Si3N4薄膜的質(zhì)量，其化學(xué)反應(yīng)使用三種氣體，分別是NH3、SiH2Cl2和N2，前兩種氣體的純度為6N,氮?dú)獾募兌葹?N,其理由是前兩種氣體為具體反應(yīng)氣體，后一種氣體為反應(yīng)過(guò)程中調(diào)節(jié)反應(yīng)管道壓力的飽和氣體，反應(yīng)溫度采用梯度溫度，管道口為790℃、管道中為810℃，管道尾為830℃。研究發(fā)現(xiàn)無(wú)法通過(guò)調(diào)整反應(yīng)溫度、反應(yīng)腔體壓力解決氮化硅表面顆粒問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NH3、SiH2Cl2的氣體流量比例是LPCVD Si3N4薄膜片面顆粒根除的關(guān)鍵，研究中通過(guò)調(diào)整這個(gè)比例來(lái)解決氮化硅表面顆粒度問(wèn)題。經(jīng)重新調(diào)整，將原有的工藝條件氣體氨氣、二氯二氫硅及反應(yīng)壓力，即NH3(30sccm):SiH2Cl2(60sccm)/Press(200mtor)更改為NH3(20sccm):SiH2Cl2(60sccm)/Press(200mtor)，這樣大大增加了反應(yīng)氣體中氨氣的比例，使反應(yīng)氣體中氨氣的飽和量稍高，減少薄膜中富硅的現(xiàn)象產(chǎn)生，進(jìn)而減少副產(chǎn)物NH4Cl的生成。

3 LPCVD Si3N4薄膜工藝優(yōu)化方案

3.1 薄膜制備工藝流程

實(shí)驗(yàn)選用硅基N<100>晶片，使用50:1HF漂洗表面的自然氧化層3～5nm[6]，經(jīng)過(guò)清洗甩干，為防止氮化硅應(yīng)力過(guò)大，先進(jìn)行預(yù)氧化。預(yù)氧化使用50nm氧化工藝菜單，氧化薄膜采用熱氧化工藝。預(yù)氧化完成后，為防止清洗、甩干后氧化層表面有水汽等因素，導(dǎo)致淀積氮化硅薄膜質(zhì)量不佳,不清洗直接進(jìn)行氮化硅淀積，淀積厚度為180nm。工藝步驟如表1。

表1 淀積氮化硅的工藝步驟

3.2 工藝試驗(yàn)對(duì)比

試驗(yàn)采取新老工藝對(duì)比的方式進(jìn)行，使用晶圓試驗(yàn)片進(jìn)行厚度測(cè)試比較及折射率測(cè)試。老工藝的條件為NH3(30sccm)/SiH2Cl2(60sccm)/Press(200mtor)/810℃，新工藝條件為NH3(20sccm)/SiH2Cl2(60sccm）/Press(200mtor)/810℃。

老工藝 NH3（30sccm）/SiH2Cl2（60sccm）/Press（200mtor）/810℃ 進(jìn)行10片試驗(yàn)，目標(biāo)值為180±10nm,使用膜厚儀測(cè)試的厚度及折射率如表2：

表2 舊工藝的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用新工藝NH3(20sccm)/SiH2Cl2(60sccm）/Press(200mtor)/810℃進(jìn)行10片試驗(yàn)，目標(biāo)值為180±10nm,使用膜厚儀測(cè)試的厚度及折射率如表3：

表3 新工藝的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用新老工藝之后的片面對(duì)比情況如圖1所示。老工藝的片面四周顏色不均，代表了薄膜厚度的差異；新工藝的片面均勻，很大程度上改善了晶圓表面四周顏色不均的問(wèn)題。

圖1 不同氣體比例下氮化硅薄膜差異

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)新舊工藝樣片測(cè)試結(jié)果對(duì)比，采用新工藝后，薄膜的厚度均勻性一致，折射率均為2.0[7]，解決了因副產(chǎn)物NH4Cl較多而產(chǎn)生的薄膜厚度不均勻問(wèn)題，薄膜的折射率、均勻性、擬合度良好，薄膜質(zhì)量?jī)?yōu)良。圖2為膜厚儀的擬合曲線。

圖2 新工藝薄膜的膜厚儀測(cè)試擬合曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上理論及實(shí)踐的研究，解決了因氮化硅工藝氣體配比不合理而產(chǎn)生的副產(chǎn)物NH4Cl過(guò)多的問(wèn)題，繼而改善了氮化硅薄膜的顆粒及應(yīng)力帶來(lái)的薄膜質(zhì)量問(wèn)題，保證了低壓化學(xué)氣相淀積氮化硅薄膜的可靠性，有助于大幅度提高IC產(chǎn)品的成品率及光電器件增透膜的質(zhì)量[8]。

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