一種pecvd低溫鍍膜工藝研究的制作方法
【專利摘要】本研究公開了一種中國電子科技集團(tuán)第四十八研究所PECVD一種低溫氮化硅薄膜的工藝，屬于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。該工藝包括(1)研究內(nèi)容、(2)PECVD法生產(chǎn)氮化硅膜的原理、(3)氮化硅的作用與鈍化機理、(4)實驗方法、(5)實驗結(jié)果與分析。說明書對該工藝工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并給出了具體的實施方案。
【專利說明】—種PECVD低溫鍍膜工藝研究
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本研究公開了一種中國電子科技集團(tuán)第四十八研究所PECVD—種低溫氮化硅薄膜的工藝，屬于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]能源已經(jīng)成為影響人們?nèi)粘Ｉ畹闹饕蛩?，由于礦石能源的日漸枯竭，可再生能源與綠色能源逐漸成為引領(lǐng)世界能源潮流的主導(dǎo)力量。其中太陽能光伏技術(shù)和生產(chǎn)成為國內(nèi)外高度重視的研究方向。太陽電池工藝中重要設(shè)備之一的PECVD設(shè)備，通過其沉積氮化硅薄膜提高太陽電池的使用效率，PECVD法氮化硅薄膜生長的工藝研究具有極其重要意義。
[0003]氮化硅薄膜具有高介電常數(shù)、高絕緣強度、漏電低、抗氧化等優(yōu)良的物理性能。作為鈍化、隔離、電容介質(zhì)等，廣泛應(yīng)用于微電子工藝中，M0SFET，HEMT等。另外氮化硅薄膜還具有優(yōu)良的機械性能和良好的穩(wěn)定性，在新興的微機械加工工藝中的應(yīng)用也越來越廣泛。目前的氮化硅薄膜沉積方式有反應(yīng)濺射法、熱化學(xué)CVD法、等離子CVD法以及PECVD法等。用PECVD技術(shù)制備的氮化硅薄膜，具有沉積溫度低、均勻性好、臺階覆蓋性強的優(yōu)點。
[0004]本文研究了 PECVD法生長氮化硅薄膜低溫工藝參數(shù)對薄膜的生長速率、折射率、少子壽命等性能的影響，并分析了工藝條件與生長速率、薄膜性關(guān)系。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]太陽電池減反射鈍化技術(shù)在太陽電池的發(fā)展中起著相當(dāng)重要的作用。低溫等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)制備的氮化硅薄膜已在硅基太陽電池中廣泛應(yīng)用。氮化硅之所以被廣泛應(yīng)用是因為它有獨特的無可比擬的優(yōu)點:
[0006](I)介電常數(shù)高，其值為8F.m-Ι，而二氧化硅或二氧化鈦的均為3.9F ；
[0007](2)堿離子(如Na+)的阻擋能力強，并具有捕獲Na+的作用；
[0008](3)氮化硅質(zhì)硬耐磨，疏水性好，針孔密度低，氣體和水汽極難穿透；
[0009](4)減反射效果好，氮化硅薄膜的折射率接近2.0,比二氧化硅(η = 1.46)更接近太陽電池所需的最佳折射率2.35，是所有己應(yīng)用的介質(zhì)膜中最符合太陽電池減反射層要求的材料；
[0010](5)等離子體增強化學(xué)氣相沉積法制備的薄膜同時為太陽電池提供較為理想的表面鈍化和體鈍化。二氧化硅只有表面鈍化作用，而氮化硅薄膜有相當(dāng)好的表面和體鈍化作用，可使硅表面復(fù)合速度降至0cm.s-1，改善電池性能，可有效地提高電池效率。在PECVD工藝中，反應(yīng)動力來自被高頻電場加速的電子和離子，它們與反應(yīng)氣體分子碰撞，電離或激活成活性基團(tuán)，因而可以在遠(yuǎn)低于熱反應(yīng)的溫度下沉積薄膜。在PECVD工藝中，沉積參數(shù)會影響薄膜的表面形貌和減反射性能。本文通過PECVD方法在化學(xué)蝕刻后的多晶硅片上采用不同的沉積參數(shù)制備了氮化硅薄膜，對氮化硅的表面形貌和減反射性能進(jìn)行分析研究，以得到減反射性能優(yōu)良的氮化硅薄膜。
[0011]PECVD法制備氮化硅薄膜的原理=PECVD法制備氮化硅薄膜是利用非平衡等離子體的一個重要特性，即等離子體中的分子、原子、離子或激活基團(tuán)與周圍環(huán)境相同，而其非平衡電子則由于電子質(zhì)量很小，其平均溫度可以比其他粒子高I?2個數(shù)量級，因此在通常條件下，引入的等離子體使得沉積反應(yīng)腔體中的反應(yīng)氣體被活化，并吸附在表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而能在低溫下制備出新的介質(zhì)薄膜。如通常需要800°C以上才能制備的氮化硅薄膜，用PECVD法只需380?450°C就能制備，而沉積反應(yīng)中的副產(chǎn)物則被解吸出來并隨主氣流由真空泵抽出反應(yīng)腔體。這是目前唯一能在低溫條件下制備氮化硅的PECVD工藝。由以下3種反應(yīng)能制備出氮化硅薄膜:
[0012]3SiH4+4NH3 — Si3N4+12H2 (I)
[0013]3SiHCl4+4NH3 — Si3N4+12HCl (2)
[0014]3SiH2Cl2+4NH3 — Si3N4+6HCl+6H2 (3)
[0015]在硅片表面沉積一層深藍(lán)色的SiNx膜，這層SiNx膜的作用是:
[0016]I)減少電池表面光的反射；
[0017]2)進(jìn)行表明及體的鈍化，減少電池的反向漏電流；
[0018]3)具有良好的抗氧化和絕緣性能，同時具有良好的阻擋鈉離子，阻擋金屬和水蒸氣擴(kuò)散的能力。
[0019]氮化硅的鈍化主要是氫鈍化，PECVD沉積氮化硅薄膜鈍化太陽電池的作用從原理看實際上是薄膜中富含的氫對襯底硅中雜質(zhì)和缺陷的鈍化。氫在硅片中的存在形式主要取決于溫度，摻雜類型與濃度、氫的濃度、缺陷狀況等，在低溫時，氫在硅片常以3種狀態(tài)存在；(I)在缺陷位置上被懸掛束縛，形成多重性的S1-H鍵，這種狀態(tài)的氫原子具有最低的勢能；(2)在沒有缺陷的位置上以穩(wěn)定氫分子H2的形式存在，在平衡條件下氫分子占據(jù)硅四面體的中心位置，此時它的電學(xué)與光學(xué)性質(zhì)都不活潑，低溫時也不易移動；(3)氫在硅中最重要的形態(tài)是原子氫。氫原子占據(jù)所謂的金屬位，對未被束縛的氫來說，這是能量最低的方式。在室溫時，一般情況下氫不能以單獨的氫原子或氫離子存在，它總是以復(fù)合體的形式存在于硅中.少量的氫就能和硅中的缺陷和雜質(zhì)作用，形成一些復(fù)合體，由于這些復(fù)合體大多是電中性，所以硅中的氫可以鈍化雜質(zhì)和缺陷的電活性。它不僅能鈍化晶體的表面或界面，還可以和金屬雜質(zhì)結(jié)合，去除或改變雜質(zhì)形成的較深能級。此外，氫還能和位錯上的懸掛鍵結(jié)合，達(dá)到去除位錯電活性的目的；氫也能和空位作用，形成一種VHn復(fù)合體；氫還能鈍化由氧化而引入的點缺陷，改善器件性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步介紹，但不作為對本發(fā)明專利的限定。
[0021]圖1是隨溫度升高薄膜沉積速率、折射率、片間膜厚極差、少子壽命的變化。
【具體實施方式】
[0022]采用中國電子科技集團(tuán)第四十八研究所PECVD設(shè)備來制備氮化硅薄膜，高頻信號發(fā)生的頻率是13.56MHz。所用氣體為高純氨和高純氮氣、高純硅烷，實驗時氣體直接通入爐內(nèi)，主要反應(yīng)氣體是高純氨和高純硅烷，氮氣主要用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的真空度和稀釋尾氣中的娃燒。試驗基礎(chǔ)工藝參數(shù)為SiH4流量500cm3/min, NH3流量4000cm3/min,時間Ilmin,溫度410°C，射頻功率15.60W，腔體氣壓180?210Pa。采用橢圓偏振儀測量氮化硅薄膜的折射率，采用日本電子7001F型場發(fā)射掃描電鏡對氮化硅薄膜的表面形貌和成分進(jìn)行分析。
[0023]實驗結(jié)果與分析
[0024]1、不同溫度對氮化硅薄膜生長和折射率的影響
[0025]固定壓力為200Pa，功率為4500W，NH3/SiH4 = 7:1，SiH4和NH3的總氣體流量為5000sCCm，溫度為340-520°C時，得到沉積速率、折射率、均勻性變化表。
[0026]由圖1可知在其他條件不變的情況下，隨著溫度的增加，沉積速率也隨之增加，而且與溫度成線性關(guān)系，片間膜厚的極差在400-500°C之間先上升后下降，可近似認(rèn)為400-450°C之間膜厚的均勻性一樣，在470°C時最小，即片間均勻性最好。折射率也隨溫度先升后降，在450°C時的折射率最大，片間極差先下降后上升。然而，隨著溫度的增加，少子壽命越來越高，即鈍化效果越好，原因可能是溫度越高，氫原子更容易擴(kuò)散到硅片體內(nèi)，使得硅片的體內(nèi)缺陷鈍化。
[0027]2、采用PECVD法沉積氮化硅薄膜，可以通過調(diào)節(jié)基片溫度、反應(yīng)氣體流量比、射頻功率、工作氣壓等工藝參數(shù)，獲得所需的氮化硅薄膜。另外，以上所討論的各個工藝參數(shù)對薄膜的影響都是在固定其它工藝參數(shù)的條件下進(jìn)行的，其實各個工藝參數(shù)對薄膜的影響不是單一的，而是它們互相作用共同對氮化硅薄膜的影響，所以必須對所有工藝參數(shù)整體考慮，通過實驗獲得最佳工藝條件。我們已在基片溫度為410°C、射頻實際功率為15.6W、反應(yīng)氣體流量比m(SiH4): m(NH3) = 7: 1、反應(yīng)氣壓為200Pa的條件下，沉積ILm厚度具有稍微張應(yīng)力的氮化硅薄膜。
[0028]本發(fā)明專利的特定實施例已對本發(fā)明專利的內(nèi)容做了詳盡說明。對本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明專利精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都構(gòu)成對本發(fā)明專利的侵犯，將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。
【權(quán)利要求】
1.如權(quán)利要求1所述，采用了等離子體增強化學(xué)氣相沉積法制備氮化硅薄膜。
2.如權(quán)利要求2所述的，在低溫(410°C)下制備氮化硅薄膜。
3.如權(quán)利要求，反應(yīng)氣體流量比SiH4: NH3 = 7:1。
【文檔編號】H01L21/205GK104299894SQ201310305827
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】劉漢清 申請人:北京中科信電子裝備有限公司