PECVD制备非晶硅薄膜的研究
纳米材料与结构
Nanomaterial &Structur e
PECVD 制备非晶硅薄膜的研究
顾卫东, 胥 超, 李艳丽
(中国电子科技集团公司第十三研究所, 石家庄 050051)
摘要:实验采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD) 法在Si 衬底上制备了非晶硅薄膜。研究了射频功率、PH 3掺杂浓度等因素对薄膜电阻率以及应力的影响。实验结果表明, 对于非掺杂非晶硅薄膜, 当射频功率从15W 增加到45W 时, 薄膜应力从张应力变化到压应力, 在射频功率为35W 时, 应力几乎为零, 应力绝对值先降低后增加, 淀积速率随着射频功率的增加而增加; 对于掺杂非晶硅薄膜, 电阻率随着PH 3掺杂浓度的增加而降低, 当PH 3流量从0cm 3/min 增加到12cm /min 时, 薄膜掺杂效果明显, 电阻率降低3个数量级, 继续增加PH 3流量, 电阻率变化较小, 而应力随着PH 3掺杂浓度的增加而降低, 当PH 3流量超过12cm 3/m in 时, 应力有增加的趋势。
关键词:等离子体增强化学气相沉积; 非晶硅; 应力; 射频功率; 掺杂; 电阻率中图分类号:TN 304 055 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2009) 11-0664-03
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Study of Amorphous Silicon Thin Films by PECVD
Gu Weidong, Xu Chao , Li Yanli
(T he 13th Resear ch I nstitute, CET C, Shij iaz huang 050051, China)
Abstract:Amo rphous silico n thin films w ere deposited on silicon substr ates using the PECVD method. The effects o f the RF pow er and PH 3do ped concentratio n on the resistivity and stress of the film w er e studied. T he results show that the str ess o f the undoped amorphous silicon film turns tensile to co mpr ess w hen the RF pow er increases fro m 15W to 45W, the stress is nearly 0M Pa w hen the po w er is 35W, the absolute value decreases firstly and increases later and depo sition r ate increases w ith the incr ease o f RF pow er. The stress and r esistivity of the doped amo r phous silicon film decr ease w ith the increase of the PH 3doped concentratio n. When the flow r ate of PH 3increases from 0to 12cm 3/min, the doped effect of film is obvious and the r esistivity decreases thr ee o rders. T he r esistivity changes little w ith the flow rate o f PH 3increasing conti nuously. T he stress has tend to increase w hen the flow r ate o f PH 3exceeds 12cm /min. Key words:PECVD; am orpho us silicon; stress; RF pow er ; dope; r esistivity DOI:10. 3969/j. issn. 1671-4776. 2009. 11. 005 EEACC :0520F
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0 引 言
非晶硅薄膜具有高光敏性、较高的电阻温度系数、可以大面积低温成膜、与常规IC 工艺兼容等
收稿日期:2009-04-22
E mail:lin lin 210@sohu. com
优点, 已经被广泛地应用于半导体领域, 如薄膜晶体管、太阳能电池以及非制冷红外探测器等方面[1-3]。目前采用的制备方法主要是PECVD 技术。PECVD 技术由来已久, 在非晶硅的制备方面发展
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顾卫东等:P ECV D 制备非晶硅薄膜的研究
很快, 优点是低温工艺、可进行大面积沉积、成膜均匀等。近年来随着三维加工技术的兴起, MEM S 器件及制作工艺得到了迅速的发展。首先, 非晶硅有着较高的电阻温度系数和良好的力学特性, 在MEM S 非制冷红外探测器中是作为热敏电阻的热门材料, 在此应用中非晶硅被制成很薄的悬空薄膜(100nm ) , 因此电阻率以及薄膜的应力是控制的关键参数; 其次, 非晶硅薄膜还具有TM AH 腐蚀速率快以及掩蔽H F 腐蚀能力强等优点, 可以作为M EMS 表面工艺中的牺牲层以及氧化层或玻璃腐蚀的掩模材料, 这些应用都对非晶硅薄膜的应力提出了很高的要求。本文主要讨论了PECVD 制备非晶硅薄膜的关键工艺参数对于薄膜应力和电阻率的影响。
1 实 验
实验选用3英寸(75mm) 单晶Si 片作为基片, 设备采用Oxford 的133型PECVD 。在沉积非晶硅薄膜前, 先在Si 片表面生长一层SiO 2以增加非晶硅薄膜的黏附性, 射频频率高频为13 56MH z, 低频为50kH z, 衬底温度200 , 反应气体为Ar 稀释的硅烷(SiH 4) 和磷烷(PH 3) , 体积分数均为5 0%, 硅烷流量q V 设定为200cm /min, 样品的变化工艺条件如表1所示。
表1 工艺条件
T able 1 Pr ocess co ndition
编号q V , PH /
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图1 射频功率与薄膜应力以及生长速率的关系Fig 1 Relation of RF pow er w ith film stress and g row th rate
变化到压应力, 应力绝对值先降低后升高, 当RF 功率从15W 升高到45W 时, 薄膜应力从370MPa 变化到-97MPa; 生长速率随着功率的增加而上升。解释原因如下:在较低功率(小于30W) 条件下, SiH 4尚未得到充分分解, 所沉积的薄膜里中间产物成分较多, 薄膜应力较大; 随着等离子体功率的增加, 提高了空间电子的温度, 增强了SiH 4的分解过程, 增大了等离子体中薄膜的成膜反应前驱物和H 的数量, 在空间气相反应中, 活性基SiH x
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12345610
71240
81540
(x =1, 2, 3) 形成一定大小的晶体Si 颗粒与多硅烷(SiH m ) , 吸附到衬底表面扩散成膜[4]; 另外在适当功率下, 分解的H 有利于薄膜结构中缺陷的减少, 因为在成核期间, 这些高能的H 会使表面较弱的Si Si 键进行重组, 生成H Si 复合悬键, 产生压应力促使成核, 当薄膜表面被H 覆盖时, 反应生成的SiH 3粒子的扩散长度容易增大, 便于其在符合晶化的位置处生长。因此适当的功率有利于薄膜的晶化, 降低结构的应力。但是在更高的等离子体激发功率(大于40W) 条件下, 伴随着逐渐增强的离子轰击以及原子H 的刻蚀作用的加强, 溅射出来的H 粒子轰击正在生长的薄膜表面, 打开薄膜中的Si 2H 键, 释放出H 2, 从而形成悬挂键, 使原本稳定的结构发生畸变, 引入了新的缺陷, 从而影响了
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(cm 3 min -1)
P/W
15
30
35
45
40
40
测试采用J A Woo llam 公司的椭圆偏振光谱仪测量非晶硅薄膜厚度; 采用ADE 公司的ASC 2000应力测试仪测量非晶硅薄膜应力; 采用Ox ford 公司四探针测量非晶硅薄膜的方块电阻。
2 结果与讨论
2 1 射频功率对于薄膜应力的影响
图1为射频功率与薄膜应力和生长速率的关系, 对应表1中的样品编号为1~4。如图1所示, 随着射频功率的升高, 非晶硅薄膜的应力从张应力
期
顾卫东等:PECVD 制备非晶硅薄膜的研究
薄膜的结构, 增加了应力。由于到达表面的原子轰击生长表面能够在表面附近区域产生过剩的间隙原子, 使薄膜产生压缩应力[6]。因此, 选择适当的功率对于制备低应力非晶硅薄膜十分重要。2 2 PH 3掺杂对于非晶硅应力和电阻率的影响
图2显示了PH 3流量与薄膜应力与电阻率的关系, 对应的样品编号为5~8。如图所示, 随着PH 3掺杂量的增加, 薄膜应力和电阻率先降低然后变化趋于平稳。当PH 3掺杂量由0增加到12cm 3/min 时, 薄膜应力从-230MPa 变化到-6MPa, 暗电阻率由3 106 cm 降到7 103 cm, 电阻率变化了3个数量级, 掺杂效果明显。应力与电阻率的变化可解释如下:(1) 部分P 原子能够在非晶硅中实现替位式掺杂, 增加了薄膜中的电离电子, 使暗电阻率减少。(2) P 原子进入Si 的无序网络中, 形成Si P 键, 减少了薄膜的缺陷态密度, 增大了薄膜的有序性, 降低了薄膜应力。(3) 过多的P 原子掺杂对于应力和电阻率的降低影响不大, 反而有增加的趋势, 这是由于当掺杂浓度过大时, 会造成P 原子的过饱和, 并使之大量存储于晶粒边界处; 同时, 由于掺杂浓度过大, 会使Si 的微晶粒尺寸以及晶态比偏离正常值, 破坏了非晶硅的结构, 使应力和电阻率增大
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3 结 论
本文讨论了PECVD 工艺条件对于非晶硅薄膜应力和电阻率的影响, 降低薄膜的应力满足MEMS 器件对于非晶硅薄膜材料的要求。研究表明:在一定范围内, 对于非掺杂非晶硅, 随着射频功率的增加, 应力从张应力变化到压应力, 应力绝对值先降低后增加; 对于掺P 非晶硅, 电阻率与应力随着PH 3掺杂浓度的增加而降低。从实验结果可见, 优化PECVD 的关键工艺参数(RF 功率、PH 3掺杂流量) 对于制备低应力非晶硅薄膜是至关重要的。参考文献:
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图2 PH 3流量与应力和电阻率的关系
Fig 2 Relation of PH 3flow rate w ith stress and resis tivity
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