低应力变化PECVD二氧化硅薄膜的制备方法

摘要

本发明涉及一种低应力变化PECVD二氧化硅薄膜的制备方法，该方法改进了一般的PECVD二氧化硅薄膜沉积工艺，通过在常规沉积温度400℃下，采用低气体流量60～70sccm及高射频功率300～400W的方式沉积得高收缩应力的PECVD二氧化硅薄膜，再结合MEMS后续的退火工艺，省略了比较繁琐和耗能耗时的退火工艺调整，可得到理想的退火前后应力变化小的PECVD二氧化硅薄膜，同时使退火后的薄膜介电性能良好，符合MEMS结构的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅薄膜的加工方法，尤其涉及一种低应力变化 PECVD二氧化硅薄膜的制备方法。

背景技术

PECVD(等离子体增强化学气相沉积)二氧化硅薄膜具有硬度高、介电特 性好、光透过率高、绝缘性好的特点，是一种在半导体、微电子学和微机电系 统(MEMS)领域广泛应用的膜材料。基于SiH₄的PECVD二氧化硅薄膜广泛 应用于MEMS加工领域，其薄膜应力在表面微机械加工技术中十分重要，残余 的应力可导致MEMS结构的偏移、翘曲甚至断裂。

尤其如今MEMS对PECVD二氧化硅薄膜加工工艺的需求越来越多样化， 一些包含有退火(Anneal)工艺的MEMS结构要求PECVD二氧化硅薄膜退火 后要有较好的介电性能和较小的应力变化。为了能得到理想的PECVD二氧化硅 薄膜，往往可以通过不断地调整退火温度来获得，但此方案对上下层结构影响 较大，可行性不高。目前现有的一般PECVD二氧化硅工艺应力在0～±100Mpa 之间，经过炉管退火后，薄膜的介电性能不符合MEMS要求，特别是退火前后 应力变化太大，导致MEMS结构偏移、变型。因此如何通过调整工艺参数来使 PECVD二氧化硅薄膜在退火前后应力变化最小，成为当前PECVD二氧化硅薄 膜加工领域亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种低应力变化PECVD二氧化 硅薄膜的制备方法，该方法通过调整沉积过程中气体流量和射频功率得到高收 缩应力的PECVD二氧化硅薄膜，经MEMS工艺中退火后应力变化小、介电性 能优良，符合MEMS结构要求。

本发明的技术方案是：

一种低应力变化PECVD二氧化硅薄膜的制备方法，包括

步骤(1)：将反应气体供给到放置有基板的反应腔体中，并利用等离子体 增强化学气相沉积在基板上沉积二氧化硅薄膜，该步骤中沉积温度为400℃，产 生等离子体的射频功率为300～400W，反应气体的气体流量为60～70sccm，沉积 所得PECVD二氧化硅薄膜的应力为-200～-350MPa；

步骤(2)：将经步骤(1)所得二氧化硅薄膜进行退火，退火条件为 1100～1200℃下退火50～60min。

其进一步的技术方案是：

所述反应气体为SiH₄和经汽化的TEOS。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明改进了一般的PECVD二 氧化硅薄膜沉积工艺，通过在常规沉积温度400℃下，采用低气体流量60～70sccm 及高射频功率300～400W的方式沉积得高收缩应力的PECVD二氧化硅薄膜，并结 合MEMS后续的退火工艺，省略了比较繁琐和耗能耗时的退火工艺调整，可得 到理想的退火前后应力变化小的PECVD二氧化硅薄膜，同时使退火后的薄膜介 电性能良好，符合MEMS结构的要求。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附 图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明四因素三水平正交实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图1和具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描 述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的具体实施例采用四因素三水平正交实验，选择对低应力变化 PECVD二氧化硅薄膜沉积影响明显的工艺条件，反应气体选用硅烷(SiH₄)气 体。本具体实施例中均采用目前现有技术中的常规沉积温度400℃，选择反应腔 体内基板到气体喷淋头之间的距离(Spacing)、射频功率(RF)、SiH₄气体流量 (SiH₄)和反应腔体内压力(Pressure)为四个因素，其中Spacing的三个水平 依次为330mil、370mil和410mil，RF的三个水平依次为100W、130W和160W， SiH₄的三个水平依次为60sccm、80sccm和100sccm，Pressure的三个水平依次 为4.2Torr、3.8Torr和3.4Torr，然后通过上述因素和各因素的水平进行L₉正交 实验，实验结果参见图1所示，其中纵列四个验证指标自上向下依次为沉积所 得PEVCD二氧化硅薄膜的应力(Stress)/MPa，沉积所得PEVCD二氧化硅薄 膜的厚度(THK)/A，沉积所得PEVCD二氧化硅薄膜的均匀度(THKNu)/％， 沉积所得PEVCD二氧化硅薄膜的折射率(RI)。

参见图1所示，由该图中Spacing纵列可以看出，当反应腔体内基板到气体 通道之间的距离为330mil、370mil和410mil时，PEVCD二氧化硅薄膜的应力 由0转变至约-100MPa，变化并不明显，且膜厚(THA)在35000～25000A之间 逐步减小，膜的均匀性(THKNu)在1.0～1.3％之间变动，膜的折射率(RI)在 1.47～1.46之间变动，该四个验证指标的变化均不明显，说明反应腔体内基板到 气体通道之间的距离对PEVCD二氧化硅薄膜沉积工艺的影响不大。由该图中 RF纵列可以看出，当射频功率为100W、130W和160W时，PEVCD二氧化硅 薄膜的应力由约100MPa转变至约-150MPa，变化显著，但膜厚(THA)在 35000～25000A之间略有变动，膜的均匀性(THKNu)在0.5～1.5％之间变动， 膜的折射率(RI)在1.47～1.46之间变动，该四个验证指标中PEVCD二氧化硅 薄膜的应力和膜的均匀性变化显著，说明射频功率对PEVCD二氧化硅薄膜的应 力和膜的均匀性影响较大。由该图中SiH₄纵列可以看出，当SiH₄气体流量为 60sccm、80sccm和100sccm时，PEVCD二氧化硅薄膜的应力由约-200Mpa呈上 升状转变至约100MPa，变化显著，膜厚(THA)在23000～40000A之间呈上升 变动，膜的均匀性(THKNu)在1.2～1.0％之间呈下降变动，膜的折射率(RI) 在1.45～1.48之间呈上升变动，该四个验证指标的变化均较为显著，说明SiH₄气体流量对PEVCD二氧化硅薄膜的应力、膜厚、膜的均匀性及折射率影响均较 大，且该影响显著于射频功率RF的影响。由该图中Pressure纵列可以看出，当 反应腔体内压力为4.2Torr、3.8Torr和3.4Torr时，PEVCD二氧化硅薄膜的应力 为-20Mpa且基本没有任何变动，膜厚(THA)在23000～38000A之间呈上升变 动，膜的均匀性(THKNu)在1.1～1.0％之间呈下降变动，膜的折射率(RI)在 约1.46～约1.47之间呈上升变动，该四个验证指标的变化均不明显，说明反应腔 体内压力对PEVCD二氧化硅薄膜的应力、膜厚、膜的均匀性及折射率影响均较 小。综上所述，在保证一定的膜厚、膜均匀性和折射率的前提下，沉积工艺中 的射频功率(RF)和SiH₄气体流量对PEVCD二氧化硅薄膜的应力有显著影响。 因此选择合适的射频功率及SiH₄气体流量来得到所需的高收缩应力的PEVCD 二氧化硅薄膜。

对本发明中所述射频功率(RF)选用300～400W、SiH₄气体流量(SiH₄)选 用60～70sccm，反应腔体内基板到气体喷淋头之间的距离(Spacing)为280mil 固定值，反应腔体内压力(Pressure)为3.8Torr固定值，沉积温度为400℃，分 别进行对比例1和实施例1-6，测试所得PEVCD二氧化硅薄膜的应力如表1所 示。

表1

将上述经对比例1和实施例1-6所述工艺参数沉积所得的PEVCD二氧化硅 32K薄膜经退火后测试前后应力的变化，其中退火条件为1100℃下进行60分钟， 应力变化的结果如表2所示。

表2

由上述表1和表2可知，在常规沉积温度400℃条件下，固定对PEVCD二 氧化硅薄膜的应力及应力变化影响极小的工艺参数：反应腔体内基板到气体喷 淋头之间的距离(Spacing)和反应腔体内压力(Pressure)，选择高射频功率 300～400W和低SiH₄气体流量60～70sccm，得到的PEVCD二氧化硅薄膜的应力 在-200～-350MPa之间，经MEMS中后续的退火工艺后，PEVCD二氧化硅薄膜 的应力变化远远低于对比例中所得PEVCD二氧化硅薄膜的应力变化。

本发明所述技术方案中的反应气体可选用SiH₄，即该方案适用于SiH₄based 二氧化硅薄膜的沉积；反应气体也可以选用经汽化的TEOS(四乙基氧化硅)， 即该方案也适用于TEOSbased二氧化硅薄膜的沉积。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出， 对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还 可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。