一種氮化硅膜材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種硅氮化合物膜材料及其制備方法：將襯底置于高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體中，通入NH3氣體和SiH4氣體作為反應(yīng)氣體，通入氬氣作為載體和保護(hù)氣體，進(jìn)行氣相沉積，獲得氮化硅膜材料；其中，控制高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體的工作溫度為50～80℃，工作壓力為3～5Pa，功率為390～460W；其中，所述氣相沉積的時(shí)間為5～7min；所述SiH4氣體與NH3氣體的體積比為14～18，SiH4氣體與氬氣的體積比為0.5～5。本發(fā)明在四英寸硅基體上制備得到的硅氮化合物膜材料的厚度為107-110nm，薄膜不均勻性小于1.0％。
【專利說(shuō)明】一種氮化硅膜材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)、半導(dǎo)體和微電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種百納米氮化硅膜 材料，所述膜材料具有良好的均勻性，厚度約為l〇〇nm，并具有良好的絕緣性、穩(wěn)定性和機(jī)械 特性，可以作為絕緣層、保護(hù)膜或光學(xué)膜，并廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、微波、光電子以及光學(xué)器件 等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 薄膜是一種特殊的物質(zhì)形態(tài)，由于其在厚度這一特定方向上尺寸很小，只是微觀 可測(cè)的量，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物質(zhì)連續(xù)性發(fā)生中斷，由此使得薄 膜材料產(chǎn)生了與塊狀材料不同的獨(dú)特性能。
[0003] 光學(xué)薄膜是由薄的分層介質(zhì)構(gòu)成的，通過(guò)界面?zhèn)鞑ス馐囊活惞鈱W(xué)介質(zhì)材料，廣 泛用于光學(xué)和光電子【技術(shù)領(lǐng)域】，制造各種光學(xué)儀器。光學(xué)薄膜技術(shù)在理論、設(shè)計(jì)、計(jì)算和工 藝方面已形成了完整的體系，一些新型微觀結(jié)構(gòu)的功能薄膜被不斷開發(fā)出來(lái)，這些功能薄 膜的相繼出現(xiàn)，使得光學(xué)薄膜技術(shù)廣泛地滲透到各個(gè)新興的科學(xué)研究領(lǐng)域中。氮化硅薄膜 是一種重要的精細(xì)陶瓷薄膜材料，具有良好的絕緣性能、光學(xué)性能、鈍化性能、穩(wěn)定性和機(jī) 械性能，在微電子、光電和材料表面改性等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0004] 隨著薄膜的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，薄膜的制備技術(shù)也逐漸成為高科技產(chǎn)品加工技術(shù)中 的重要手段。薄膜的制備方法很多，如氣相生長(zhǎng)法、液相生長(zhǎng)法（或氣、液相外延法）、氧化 法、擴(kuò)散與涂布法、電鍍法等等，而每一種制膜方法中又可分為若干種方法。等離子體化學(xué) 氣相沉積（PECVD)法由于其靈活性、沉積溫度低，重復(fù)性好的特點(diǎn)，提供了在不同基體上制 備各種薄膜的可能性，成為制備氮化硅薄膜最常用的方法之一。
[0005] 百納米膜的均勻性是薄膜制備過(guò)程中首先需要解決的關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)。薄膜厚度 的均勻性，反映了待鍍基片上所沉積的薄膜厚度依基片在真空室里所處位置的變化而變化 的情況。膜厚均勻性包括兩個(gè)方面：①在同一組鍍制過(guò)程中處于不同基片位置沉積的薄膜 有近似的膜厚分布；②獲得的每片薄膜只存在一定范圍內(nèi)的膜厚誤差分布。膜厚均勻性的 方面①保證了產(chǎn)業(yè)化的鍍膜效率，方面②保證了每個(gè)成品的性能。因此，膜厚均勻性是衡量 鍍膜裝置性能和薄膜質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接影響到鍍膜器件的可靠性、穩(wěn)定性，以及產(chǎn) 品的一致性。對(duì)光學(xué)、光電等器件生產(chǎn)的成品率影響很大。
[0006] 因此，本領(lǐng)域需要尋求一種具有良好均勻性的氮化硅膜材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中氮化硅薄膜不均勻性較大的缺陷，本發(fā)明的目的之一在于提 供了一種氮化硅膜材料，所述氮化硅膜材料的厚度為107-110nm ;且在四英寸基底范圍內(nèi)， 薄膜不均勻性低于1.0% ;
[0008] 其中，所述不均勻性的計(jì)算方法為：薄膜不均勻性=(最大值-最小值V(平均 值X 2) X 100%，四英寸基底范圍內(nèi)，所測(cè)不同點(diǎn)數(shù)不少于17個(gè)。
[0009] 其中，所述最大值為氮化硅膜材料測(cè)試點(diǎn)厚度的最大值；最小值為氮化硅膜材料 測(cè)試點(diǎn)厚度的最小值；平均值為氮化硅膜材料測(cè)試點(diǎn)厚度的平均值，計(jì)算公式為：平均值 =測(cè)試點(diǎn)厚度之和/測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù)。
[0010] 優(yōu)選地，所述氮化硅膜材料的組分為SiNx，其中1 < X < 2。
[0011] 本發(fā)明提供的氮化硅膜材料的薄膜不均勻性低于1. 〇%。
[0012] 本發(fā)明的目的之二在于提供了一種目的之一所述的氮化硅膜材料的制備方法，所 述方法為：
[0013] 將襯底置于高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體中，通入NH3氣體和SiH 4 氣體作為反應(yīng)氣體，通入氬氣作為載體和保護(hù)氣體，進(jìn)行氣相沉積，獲得氮化硅膜材料；
[0014] 其中，控制高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體的工作溫度為50?80°C， 工作壓力為3?5Pa，功率為390?460W ;
[0015] 其中，所述氣相沉積的時(shí)間為5?7min ;所述SiH4氣體與NH3氣體的體積比為 14?18,所述SiH4氣體與氬氣的體積比為0. 5?5。
[0016] 對(duì)于采用高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備氮化硅膜材料的方法，操作 條件較多，包括溫度、壓力、功率、時(shí)間、通入氣體比例等，且相互之間有著密切的相互關(guān)系， 不是獨(dú)立的單一變量，因此如何尋找一個(gè)合適的操作條件，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)講是具 有一定難度的。
[0017] 采用高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備氮化硅膜材料的操作條件中，通 過(guò)將高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體的工作溫度設(shè)置在50?80°C，工作壓力 設(shè)置在3?5Pa，功率設(shè)置為390?460W ;且控制氣相沉積的時(shí)間為5?7min ;控制通入的 SiH4氣體與冊(cè)13氣體的體積比為14?18,實(shí)現(xiàn)了控制厚度為100nm左右的氮化硅膜材料薄 膜不均勻性低于1.0%的目的。
[0018] 本發(fā)明所述的采用高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備氮化硅膜材料的 操作條件中，所限定的數(shù)值包括任何在所述范圍內(nèi)的數(shù)值，例如，高密度等離子體增強(qiáng)化 學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體的工作溫度可以為52°〇、671：、781：、791：等，工作壓力可以為3.2? &、 3. 8Pa、4. lPa、4. 3Pa、4. 7Pa、4. 9Pa 等，功率可以為 390W、419W、423W、435W、447W、453W、460W 等，氣相沉積的時(shí)間可以為5. 3min、5. 5min、5. 8min、6. 2min、6. 6min等，通入的SiH4氣體與 NH3氣體的體積比可以為14. 4、15. 3、15. 8、16. 5、17等。
[0019] 本發(fā)明所述襯底為P型摻雜單晶硅、N型摻雜單晶硅或金屬中的任意1種；或在上 述襯底上制備一層均勻的金屬或非金屬薄膜作為該實(shí)驗(yàn)的襯底。
[0020] 優(yōu)選地，所述P型摻雜單晶硅或N型摻雜單晶硅襯底進(jìn)行如下預(yù)處理：用HF酸浸 泡后用去離子水清洗，然后干燥；
[0021] 優(yōu)選地，所述冊(cè)酸的質(zhì)量濃度為2?10%，例如3%、5%、7%、8.3%、9%等，進(jìn)一 步優(yōu)選為5% ;
[0022] 優(yōu)選地，所述用HF酸浸泡的時(shí)間為0. 5?lOmin，例如lmin、1. 4min、3min、5min、 7min、8. 4min、9min、等，進(jìn)一步優(yōu)選為 3min〇
[0023] 優(yōu)選地，所述金屬襯底進(jìn)行如下預(yù)處理：用丙酮和異丙醇酸分別超聲清洗，然后干 燥；所述超聲時(shí)間優(yōu)選為5min。
[0024] 作為最優(yōu)選，本發(fā)明所述氮化硅膜材料的制備方法中，控制高密度等離子體增強(qiáng) 化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體的工作溫度為55°C，工作壓力為4Pa，功率為410W ;所述氣相沉積的 時(shí)間為5?7min ;所述SiH4氣體與NH3氣體的體積比為16. 5,所述SiH4氣體與氬氣的體積 比為1. 0。
[0025] 作為優(yōu)選技術(shù)方案，本發(fā)明所述均勻性良好的厚度在100nm左右的氮化硅膜材料 制備方法包括如下步驟：
[0026] (1)將襯底置于高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體中，抽真空使背底真 空度為1X 1〇_4?1X l〇_6Pa，加熱襯底到50?60°C ;
[0027] (2)按1: (14?18)的體積比通入NH3氣體和SiH4作為反應(yīng)氣體，通入氬氣作為載 氣和保護(hù)氣體，調(diào)整工作氣壓為3?5Pa，功率為390?460W，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積5?7min ;
[0028] (3)在保護(hù)性氣體的氣氛下，降至室溫，得到權(quán)利要求1或2所述的氮化硅膜材料。
[0029] 優(yōu)選地，步驟3)所述的保護(hù)性氣體為惰性氣體；所述惰性氣體優(yōu)選氬氣。
[0030] 本發(fā)明的目的之三在于提供了目的之一所述的氮化硅膜材料的用途，所述氮化硅 膜材料作為絕緣層、保護(hù)膜或光學(xué)膜，應(yīng)用于半導(dǎo)體、微波、光電子以及光學(xué)器件等領(lǐng)域。
[0031] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：
[0032] (1)本發(fā)明提供的氮化硅膜材料的厚度在lOOnm左右，且具有良好的均勻性，在四 英寸基底范圍內(nèi)，薄膜不均勻性低于1. 〇% ;較現(xiàn)有磁控濺射法和電子束蒸鍍法得到的氮化 娃月旲材料的均勻性有明顯提商；
[0033] (2)本發(fā)明使用的襯底采用P(或N)型摻雜單晶硅、金屬或上述襯底上制備一層金 屬或非金屬薄膜，可以在不同材料界面制備具有良好均勻性，厚度為lOOnm左右的氮化硅 膜材料；
[0034] (3)本發(fā)明提供的具有良好均勻性百納米的硅化合物薄膜材料制備工藝簡(jiǎn)單易 行，具有極大的應(yīng)用潛力。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0035] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1薄膜厚度表征測(cè)試點(diǎn)的分布圖。

【具體實(shí)施方式】
[0036] 為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實(shí)施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實(shí)施 例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的具體限制。
[0037] 實(shí)施例1
[0038] -種氮化硅膜材料，通過(guò)如下方法制備得到：
[0039] (1)以拋光的N型（100)摻雜單晶硅做襯底，并進(jìn)行如下預(yù)處理：首先將所述襯底 用5wt%的HF酸浸泡3min，再用去離子水清洗，最后干燥其表面；
[0040] (2)將步驟（1)獲得的預(yù)處理后的襯底放入高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè) 備腔體中，并將沉積室抽真空，使背底真空度在1 X l(T5Pa左右，并加熱襯底到55°C ;
[0041] (3)以純度均大于99.99 %的SiH4氣、NH3氣和Ar2氣為氣源；其中，SiH4氣、 順 3氣為反應(yīng)氣體，Ar2氣為載氣和保護(hù)氣，供給的Ar2氣、NH3氣和SiH 4氣流量分別為： 140sccm、8. 8sccm、145sccm ;控制沉積室的工作氣壓為4Pa，功率為410W，進(jìn)行化學(xué)氣相沉 積 6. 2min ;
[0042] (4)在八1"2氣氣氛下，降溫至室溫，獲得均勻性良好的，厚度為lOOnm左右的的Si 3N4 薄膜；
[0043] 性能表征：
[0044] 將獲得的Si3N4膜材料進(jìn)行光譜橢偏儀（設(shè)備型號(hào)為SE850)測(cè)試，測(cè)試條件為：室 溫，200?930nm波長(zhǎng)范圍掃描，選取17個(gè)測(cè)試點(diǎn)，所述17個(gè)測(cè)試點(diǎn)的分布為1個(gè)中心點(diǎn)，8 個(gè)半徑為r的圓周點(diǎn)，8個(gè)半徑為2r的圓周點(diǎn)，所述圓周點(diǎn)均勻分布于所在圓周上，其中，r 的取值小于基片的最短邊長(zhǎng)的1/4 ;測(cè)試結(jié)果如圖1所示，通過(guò)計(jì)算其不均勻性為0. 92%。
[0045] 實(shí)施例2
[0046] 一種氮化硅膜材料，通過(guò)如下方法制備得到：
[0047] (1)在拋光的P型（100)摻雜單晶硅片上制備200nm厚的Ti膜，并以此做為襯底， 并進(jìn)行如下預(yù)處理：首先用丙酮和異丙醇各超聲5min，再用去離子水清洗，最后干燥其表 面；
[0048] (2)將步驟（1)獲得的預(yù)處理后的襯底放入高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè) 備腔體中，并將沉積室抽真空，使背底真空度在1 X l(T5Pa左右，并加熱襯底到70°C ;
[0049] (3)以純度均大于99.99 %的SiH4氣、NH3氣和Ar2氣為氣源；其中，SiH4氣、 順 3氣為反應(yīng)氣體，Ar2氣為載氣和保護(hù)氣，供給的Ar2氣、NH3氣和SiH 4氣流量分別為： 145sccm、8. 8sccm、123sccm ;控制沉積室的工作氣壓為3Pa，功率為450W，進(jìn)行化學(xué)氣相沉 積 5. 2min ;
[0050] (4)在八1"2氣氣氛下，降溫至室溫，獲得均勻性良好的，厚度為lOOnm左右的的Si 3N4 薄膜；
[0051] 將獲得的Si3N4膜材料進(jìn)行光譜橢偏儀（設(shè)備型號(hào)為SE850)測(cè)試，測(cè)試方法與實(shí) 施例1的性能表征方法相同；通過(guò)計(jì)算其不均勻性為〇. 94%。
[0052] 實(shí)施例3
[0053] -種氮化硅膜材料，通過(guò)如下方法制備得到：
[0054] (1)以以拋光的Ti金屬做襯底，并進(jìn)行如下預(yù)處理：首先將所述襯底用丙酮和異 丙醇各超聲5min，再用去離子水清洗，最后干燥其表面；
[0055] (2)將步驟（1)獲得的預(yù)處理后的襯底放入高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè) 備腔體中，并將沉積室抽真空，使背底真空度在7 X l(T6Pa左右，并加熱襯底到80°C ;
[0056] (3)以純度均大于99.99 %的SiH4氣、NH3氣和Ar2氣為氣源；其中，SiH4氣、 順 3氣為反應(yīng)氣體，Ar2氣為載氣和保護(hù)氣，供給的Ar2氣、NH3氣和SiH 4氣流量分別為： 130sccm、8. 8sccm、158sccm ;控制沉積室的工作氣壓為5Pa，功率為460W，進(jìn)行化學(xué)氣相沉 積 6. 8min ;
[0057] (4)在八1"2氣氣氛下，降溫至室溫，獲得均勻性良好的，厚度為lOOnm左右的的Si 3N4 薄膜；
[0058] 將獲得的Si3N4膜材料進(jìn)行光譜橢偏儀（設(shè)備型號(hào)為SE850)測(cè)試，測(cè)試方法與實(shí) 施例1的性能表征方法相同；通過(guò)計(jì)算其不均勻性為〇. 89%。
[0059] 申請(qǐng)人:聲明，本發(fā)明通過(guò)上述實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)方法，但本發(fā)明并不局 限于上述詳細(xì)方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)方法才能實(shí)施。所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的 技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的 添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種氮化硅膜材料，其特征在于，所述氮化硅膜材料的厚度為107-110nm;且在四英 寸基底范圍內(nèi)，薄膜不均勻性低于1.0% ; 其中，所述不均勻性的計(jì)算方法為：薄膜不均勻性=(最大值-最小值V(平均 值X 2) X 100%，四英寸基底范圍內(nèi)，所測(cè)不同點(diǎn)數(shù)不少于17個(gè)。
2. 如權(quán)利要求1所述的氮化硅膜材料，其特征在于，所述氮化硅膜材料的組分為SiNx， 其中1彡X彡2。
3. -種如權(quán)利要求1或2所述的氮化硅膜材料的制備方法，其特征在于，所述方法為： 將襯底置于高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體中，通入NH3氣體和SiH4氣體 作為反應(yīng)氣體，通入氬氣作為載體和保護(hù)氣體，進(jìn)行氣相沉積，獲得氮化硅膜材料； 其中，控制高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體的工作溫度為50?80°C，工作 壓力為3?5Pa，功率為390?460W ; 其中，所述氣相沉積的時(shí)間為5?7min ;所述SiH4氣體與NH3氣體的體積比為14? 18, SiH4氣體與氬氣的體積比為0. 5?5。
4. 如權(quán)利要求3所述的氮化硅膜材料的制備方法，其特征在于，所述襯底為P型摻雜單 晶硅、N型摻雜單晶硅或金屬中的任意1種；或在上述襯底上制備一層均勻的金屬或非金屬 薄膜作為該實(shí)驗(yàn)的襯底。
5. 如權(quán)利要求4所述的氮化硅膜材料的制備方法，其特征在于，所述P型摻雜單晶硅或 N型摻雜單晶硅襯底進(jìn)行如下預(yù)處理：用HF酸浸泡后用去離子水清洗，然后干燥； 優(yōu)選地，所述HF酸的質(zhì)量濃度為2?10 %，進(jìn)一步優(yōu)選為5 % ; 優(yōu)選地，所述用HF酸浸泡的時(shí)間為0. 5?lOmin，進(jìn)一步優(yōu)選為3min。
6. 如權(quán)利要求4所述的氮化硅膜材料的制備方法，其特征在于，所述金屬襯底進(jìn)行如 下預(yù)處理：用丙酮和異丙醇酸分別超聲清洗，然后干燥；所述超聲時(shí)間優(yōu)選為5min。
7. 如權(quán)利要求3?6之一所述的氮化硅膜材料的制備方法，其特征在于，步驟2)所述 娃燒、氦氣和氨氣的純度均大于99. 99%，其中娃燒為95%氦氣混合的氣體；所述氮化娃膜 材料的制備方法中，控制高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體的工作溫度為65°C， 工作壓力為4Pa，功率為410W ;所述氣相沉積的時(shí)間為6. 5min ;所述SiH4與NH3的體積比為 16. 5, SiH4與氬氣的體積比為1. 0。
8. 如權(quán)利要求3?7之一所述的氮化硅膜材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括 如下步驟： (1) 將襯底置于高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體中，抽真空使背底真空度 為1 X 10_4?1 X 10_6Pa，加熱襯底到50?60°C ; (2) 按1: (14?18)的體積比通入NH3氣體和SiH4作為反應(yīng)氣體，通入氬氣作為載氣 和保護(hù)氣體，調(diào)整工作氣壓為3?5Pa，功率為390?460W，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積5?7min ; (3) 在保護(hù)性氣體的氣氛下，降至室溫，得到權(quán)利要求1或2所述的氮化硅膜材料。
9. 如權(quán)利要求3?8之一所述的氮化硅膜材料的制備方法，其特征在于，步驟3)所述 的保護(hù)性氣體為惰性氣體；所述惰性氣體優(yōu)選氬氣。
10. -種如權(quán)利要求1或2所述的氮化硅膜材料的用途，其特征在于，所述氮化硅膜材 料作為絕緣層、保護(hù)膜或光學(xué)膜，應(yīng)用于半導(dǎo)體、微波、光電子以及光學(xué)器件等領(lǐng)域。
【文檔編號(hào)】C23C16/513GK104120403SQ201410354051
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】宋志偉, 褚衛(wèi)國(guó) 申請(qǐng)人:國(guó)家納米科學(xué)中心