基于BDEAS前驱体和N2等离子体的增强型原子层沉积技术制备高质量氮化硅超薄膜研究

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Plasma-enhanced atomic layer deposition of silicon nitride using bis(diethylamino)silane precursor with N 2-plasma

本刊推荐：研究团队针对低温制备高纯度氮化硅（SixNy）超薄膜的工艺难题，采用双(二乙氨基)硅烷（BDEAS）前驱体与N2等离子体增强原子层沉积（PEALD）技术，通过优化沉积参数成功获得折射率达1.92@390 nm、碳氧杂质含量低至14.3%和10.7%的优质薄膜。该研究为半导体和光子集成电路的低热预算工艺提供了重要技术支撑。

　　

在半导体工业飞速发展的今天，氮化硅（Si_xN_y）薄膜因其优异的光学、电学和机械性能，已成为栅极电介质、钝化层、硬掩模等核心器件的关键材料。然而，传统化学气相沉积等工艺往往需要高温环境（>400°C），难以兼容柔性电子、先进光子集成电路等对热预算敏感的应用场景。更棘手的是，含碳氨基硅烷前驱体虽能实现低温沉积，却易引入碳氧杂质，导致薄膜稳定性差、易氧化等问题，成为制约高性能氮化硅薄膜应用的瓶颈。

为解决这一难题，葡萄牙米尼奥大学CMEMS研究中心的Florival M. Cunha团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表研究，创新性地采用双(二乙氨基)硅烷（BDEAS, C₈H₂₂N₂Si）作为硅源，结合N₂等离子体增强原子层沉积（PEALD）技术，通过系统优化沉积参数，成功在400°C的较低温度下制备出高质量氮化硅超薄膜。该工作首次深入探讨了预处理与后处理等离子体工艺对薄膜性能的影响机制，为低温ALD工艺开发提供了新思路。

研究团队主要依托等离子体增强原子层沉积系统（SI ALD LL），集成原位光谱椭偏仪实时监测薄膜生长；通过调控衬底温度（350-400°C）、反应室压力（10-20 Pa）和等离子体暴露时间（6-15 s）等参数，制备了8组对比样品；利用X射线光电子能谱（XPS）深度剖析技术表征元素分布，结合离谱椭偏仪（Alpha-SE）测试光学性能，系统评估薄膜质量。

3.1. 光学表征

通过Cauchy模型拟合椭偏数据发现，样品#S3（400°C沉积且经过等离子体预处理后处理）在390 nm波长下折射率最高达1.919，最接近理想Si₃N₄的参考值（2.11）。而未经等离子体处理的样品#S2折射率仅为1.757，证实预处理后处理能显著提升薄膜致密性。持续30天的氧化稳定性监测显示，#S3样品折射率衰减幅度最小，证明其抗氧化能力最优。

3.2. 化学表征

3.2.1. 表面XPS分析

样品#S3表面氮硅比（N:Si）达1.468，接近理想化学计量比1.333，且Si 2p结合能位于101.8 eV的氮化硅特征峰区，而非103.2 eV的氧化硅峰区。对比之下，#S2样品因缺乏等离子体处理，氮硅比降至0.748，且碳污染升至18.8%，说明预处理后处理能有效抑制碳氧杂质吸附。

3.2.2. 体相XPS深度剖析

深度剖析揭示#S3体相氮硅比为0.963，碳氧杂质含量分别降至14.3%和10.7%，较表面数据更接近理想值。而降低反应压力至10 Pa的#S4样品碳污染高达23.2%，延长等离子体时间至15 s的#S5样品性能提升有限，表明6 s等离子体暴露已足以实现反应饱和。

本研究通过优化PEALD工艺参数，成功将BDEAS这一含碳前驱体的劣势转化为优势，在400°C低温下制备出氮硅比接近理想值、折射率高且稳定性强的氮化硅超薄膜。特别值得注意的是，预处理与后处理等离子体工艺的引入，有效清除了反应室残留杂质并形成致密表面保护层，将碳氧污染控制在较低水平。该工作不仅证明了BDEAS在低温PEALD工艺中的巨大潜力，更为半导体和光子集成电路的低热预算制造提供了可靠的材料解决方案，对推动柔性电子、量子芯片等前沿领域发展具有重要意义。