一種氮氧化硅膜材料及其制備方法和用圖
【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，具體涉及一種氮氧化硅膜材料及其制備方法和用途。
【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。光學(xué)薄膜是由薄的分層介質(zhì)構(gòu)成的，通過界面?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、計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，這些功能薄膜的相繼出現(xiàn)，使得光學(xué)薄膜技術(shù)廣泛地滲透到各個新興的科學(xué)研宄領(lǐng)域中。
[0003]氮氧化硅薄膜是一種良好的耐高溫陶瓷材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性及耐原子氧特性；由于氮氧化硅是二氧化硅和氮化硅的中間相，其光學(xué)和電學(xué)性能介于兩者之間，因而可通過改變化學(xué)組成，在一定范圍內(nèi)調(diào)控其折光指數(shù)(1.46 (S12)?2.S(SiN1J)及介電常數(shù)(3.9(Si02)和7.8 (SiNl.3));另外氮氧化硅還可有效地抑制硼、氧、鈉等雜質(zhì)元素擴(kuò)散。這一系列優(yōu)良特性吸引研宄者們圍繞氮氧化硅材料的制備及其在微電子器件、光波導(dǎo)、梯度光學(xué)材料等方面的應(yīng)用開展了大量工作，其中又以氮氧化硅薄膜材料的制備及應(yīng)用研宄最引人關(guān)注。
[0004]當(dāng)前在微電子器件、光波導(dǎo)材料等方面主要采用二氧化硅作為介質(zhì)薄膜。二氧化硅薄膜雖具有低的介電常數(shù)、缺陷密度和殘余應(yīng)力，但在阻止氧、鈉、硼等雜質(zhì)元素的擴(kuò)散方面不如氮化硅；然而氮化硅中Si懸空鍵的存在及其隨氮含量增加而增加的特點(diǎn)會導(dǎo)致薄膜在一定條件下表現(xiàn)出很高的介電常數(shù)和拉應(yīng)力，并且富氮31乂膜含有很高的正電荷和負(fù)電荷缺陷，成為電荷俘獲的中心。而氮氧化硅薄膜材料由于兼有氮化硅和二氧化硅的優(yōu)良特性，很有潛力替代二氧化硅薄膜材料在微電子和光學(xué)等方面得到應(yīng)用。
[0005]隨著薄膜的應(yīng)用越來越廣泛，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，如氣相生長法、液相生長法(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，成為制備氮氧化硅薄膜最常用的方法之一。
[0006]薄膜的均勻性是薄膜制備過程中首先需要解決的關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)。薄膜厚度的不均勻性，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。膜厚不均勻性包括兩個方面:①在同一組鍍制過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。膜厚不均勻性的方面①保證了產(chǎn)業(yè)化的鍍膜效率，方面②保證了每個成品的性能。因此，膜厚不均勻性是衡量鍍膜裝置性能和薄膜質(zhì)量的一項重要指標(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。對光學(xué)、光電等器件生產(chǎn)的成品率影響很大。
[0007]而目前關(guān)于研宄薄膜均勻性的較少，尤其是運(yùn)用在器件中的光學(xué)/介質(zhì)薄膜，對于采用高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備氮氧化硅膜材料的方法，操作條件較多，包括溫度、壓力、功率、時間、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，因此在本領(lǐng)域探宄一種均勻性良好的氮氧化硅制備方法是非常重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中氮氧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氧化硅膜材料，所述膜材料具有良好的均勻性，厚度約為lOOnm，其具有良好的絕緣性、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，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。
[0009]為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)手段:
[0010]一種氮氧化娃膜材料，所述氮氧化娃膜材料的厚度為95.5-97.5nm ;且在四英寸基底范圍內(nèi)，薄膜不均勻性低于0.7% ；
[0011]其中，所述不均勻性的計算方法為:薄膜不均勻性=(最大值-最小值)/(平均值X2) X 100%，四英寸基底范圍內(nèi)，所測不同點(diǎn)數(shù)不少于10個，優(yōu)選為不少于17個。
[0012]其中，所述最大值為氮化硅膜材料測試點(diǎn)厚度的最大值；最小值為氮化硅膜材料測試點(diǎn)厚度的最小值；平均值為氮化硅膜材料測試點(diǎn)厚度的平均值，計算公式為:平均值=測試點(diǎn)厚度之和/測試點(diǎn)個數(shù)。
[0013]作為優(yōu)選，所述氮氧化硅膜材料的組分為S1xNY，其中0〈x〈2，0〈Y〈2。
[0014]本發(fā)明提供的氮氧化硅膜材料的薄膜不均勻性低于0.7%。
[0015]本發(fā)明的目的之二在于提供了一種本發(fā)明所述的氮氧化硅膜材料的制備方法，包括如下步驟:
[0016]將襯底置于化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體中，通入ΝΗ3、02氣體和含有SiH4的氣體作為反應(yīng)氣體，通入載體和保護(hù)氣體，進(jìn)行氣相沉積，獲得氮氧化硅膜材料；
[0017]其中，化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體的工作溫度為100-260°C，工作壓力為l-4Pa，功率為 200-480W ；
[0018]其中，所述氣相沉積的時間為4-6min ;所述含有SiHj^氣體與02氣體的體積比為9-110，所述含有SiHd^氣體與NH 3氣體的體積比為3-11，所述含有SiH4的氣體與氬氣的體積比為0.5-2。其中載氣和保護(hù)氣體為同一種氣體。
[0019]對于采用化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備氮氧化硅膜材料的方法，操作條件較多，包括溫度、壓力、功率、時間、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，因此如何尋找一個合適的操作條件，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講是具有一定難度的。
[0020]采用化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備氮氧化硅膜材料的操作條件中，通過將化學(xué)氣相沉積設(shè)備腔體的工作溫度設(shè)置在100-260 °C，工作壓力設(shè)置在l-4Pa，功率設(shè)置為200-480W ;且控制氣相沉積的時間為4-6min ;控制通入的含有SiH^氣體與O 2氣體的體積比為9-110，控制通入的含有SiHd^氣體與NH 3氣體的體積比為3-11，控制通入的含有SiH4的氣體與氬氣的體積比為0.5-2，實(shí)現(xiàn)了控制厚度為10nm左右的氮氧化硅膜材料薄膜不均勻性低于
0.7%的目的。
[0021]本發(fā)明所述的采用化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備氮氧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110°〇、157°〇、218°〇、260°〇等，工作壓力可以為1.2Pa、1.8Pa、2.2Pa、
2.8Pa、3.2Pa、3.9Pa 等，功率可以為 220W、295W、363W、375W、387W、423W、478W 等，氣相沉積的時間可以為4min、4.2min、4.8min、5min、5.5min、6min等，通入的SiH4氣體與02氣體的體積比可以為10、30、80、102等，通入的SiH4氣體與NH3氣體的體積比可以為3.5,4.8,9.3、10.5 等。
[0022]作為優(yōu)選，所述化學(xué)氣相沉積設(shè)備為高密度等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備；優(yōu)選抽真空至 I X 1(Γ4-1 X l(T6Pa。
[0023]作為優(yōu)選，所述載氣和保護(hù)氣為惰性氣體，優(yōu)選為氖氣、氪氣、氮?dú)?、氬氣中的I種或兩種的混合。
[0024]作為優(yōu)選，所述氣體的純度大于99%，優(yōu)選為大于99.99%。
[0025]優(yōu)選地，所述含有SiHjA氣體中SiH4A 1_10%，氬氣占90-99%，優(yōu)選為SiH4A5%,氣氣占95%。