氮化硅薄膜制备及其质量控制方法研究

氮化硅薄膜制备及其质量控制方法研究

马静安静

（西安微晶微电子有限公司陕西省西安市710000）

摘要：本文拟从反应气体流量、射频电源的功率、产品表面温度和产品与喷头之间的距离四个方面单因素探索每个工艺条件对产品钝化膜层质量所产生的影响，从中得出每个因素单方面最适宜生产产品的工艺参数。然后再通过正交实验，设计4因素5水平试样，将各个工艺参数的影响综合进行比较，从中得出最适合生产的工艺参数。在650V高压VDMOS功率器件的表面制备4KÅ氮化硅钝化膜的最佳工艺参数组合为：反应气体流量比例为38:14，射频功率为350W，硅片表面的温度为390℃，硅片与喷头的距离为340mils。经过试验得出结论，供VDMOS半导体技术工作者参考。

关键词：半导体VDMOS功率器件钝化膜层正交试验

1前言

氮化硅薄膜在微电子机械系统、TFTLCD显示器件、光伏太阳能电池、特种材料表面特性、甚至是国家航空航天飞行器等领域中被广泛应用。等离子体增强化学气相沉积（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD）的氮化硅（）薄膜具有很强的阻碍碱离子穿透能力，几乎能够阻挡外界绝大部分的碱金属离子和水汽。因此PECVD被用来作为高压VDMOS功率器件的表面钝化层。

2PECVD氮化硅薄膜制造过程分析

2.1PECVD氮化硅薄膜工艺过程分析

一般说来，PECVD氮化硅薄膜工艺过程主要包含以下三个基本过程：

（1）电子与反应气体（如SiH4、NH3）在射频电场作用下发生非弹性碰撞，经过多次碰撞分解或电离产生等离子和活性基团的混合物；

（2）各种活性基团向薄膜生长表面运动扩散，同时发生各反应物之间的次级反应；

（3）到达薄膜生长表面的反应产物被吸附，被吸附的离子及活性基在自身动能和基板温度的作用下在基板表面不断迁移，最终选择能量最低的点沉积为氮化硅薄膜。

3PECVD氮化硅薄膜制造过程质量特征和影响因素

3.1高压VDMOS钝化层生产工艺对产品质量的影响

目前公司在生产650V高压VDMOS功率器件的过程中发现4kÅ的钝化层就能够满足击穿电压650V，可通过可靠性实验。因此在后续的研究中拟探究厚度为4kÅ的钝化层的工艺参数对钝化膜质量的影响。

（1）反应气体流量对钝化层质量的影响

实验中设定反应气体硅烷与氨气的流量比，将沉积后的硅片分别测试其膜厚、折射率以及膜层的应力。其中反应气体流量的比例变化对于钝化膜层对折射率和内应力的影响较为显著。从折射率需求为2.2以及内应力尽可能小的要求来看，反应气体的流量比例应控制在38:12至38:16的区间内制备出的钝化膜层的质量较为优异。不同反应气体流量比例与钝化膜质量关系图如图3-1所示。

（2）射频功率对钝化膜质量的影响

射频功率主要决定了激发等离子体的电压、电流等因素。设定不同射频功率的参数测量其物理性能参数。从数据可以看出，射频功率对于膜厚的影响较为显著，随着射频功率的增大，功率器件钝化膜层的折射率存在变小的趋势，钝化层内应力的绝对值也是不断增大。综合而言射频功率在350W-380W的范围内时制备出的钝化膜层较为满足各项指标。不同射频功率与钝化膜质量关系图如图3-2所示。

（3）硅片温度对钝化膜层质量的影响

硅片温度的升高有助于化学气相沉积速率的提升，但均温性会变差，因此膜层厚度的均匀性会有所下降。此外，随着温度的升高，钝化膜层的折射率有所上升，并且膜层内应力的绝对值也在逐渐变小，说明膜层内部的缺陷越来越小。因此综合各方面的因素考虑硅片的温度为370℃-400℃时较有利于沉积出质量较好的钝化膜层。不同温度与钝化膜质量关系图如图3-3所示。

（4）硅片淀积Spacing对钝化膜层质量的影响

硅片淀积Spacing是指在工艺进行过程中，下托盘会将硅片托起，到达与喷头预定的位置时距离喷头的距离。从数据可以看出，随着硅片与喷头间的距离增大，膜层厚度的均匀性变差，钝化膜层的折射率也会随着距离的增大而降低，内应力的绝对值也逐渐增大，因此为了获得质量较好的钝化膜层，硅片与喷头的距离应该选在320mils-380mils时较为合适。

3.2高压VDMOS功率器件钝化层正交实验结果分析

运用正交实验的方法设计实验，将不同的实验工艺进行有序地排列组合，通过综合评分的方法将几个不同的指标相互联系，考量出一套评分标准以评价正交实验内所涉及的工艺参数。最后利用极差分析的方法对于正交实验制备出的钝化膜的各项指标进行综合分析，得到制备满足性能要求的钝化膜层的最佳工艺参数为：反应气体流量比例为38:14，射频功率为350W，硅片表面的温度为390℃，硅片与喷头的距离为340mils。对于优化后的工艺进行流片，对其产品进行宏观光镜和微观剖面的分析可以看出钝化膜层能够完全覆盖在金属层上，并且与金属层之间的接触良好，能够达到防止功率器件失效的目的。

4结束语

经过综合分析得出在650V高压VDMOS功率器件的表面制备4kÅ氮化硅钝化膜的最佳工艺参数组合为：反应气体流量比例为38:14，射频功率为350W，硅片表面的温度为390℃，硅片与喷头的距离为340mils。采用新的钝化层沉积工艺参数进行流片，将650V高压VDMOS功率器件进行分割、封装，对其进行可靠性测试。通过高温栅偏测试（HTGB）和高温反偏测试（HTRB）的测试结果可以看出，经过优化后的4kÅ氮化硅工艺制备出的钝化膜层能够满足设计要求。

参考文献

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