等离子体增强化学气相沉积法制备氮化硅薄膜的应力调控机制及其在半导体器件中的应用研究

本研究针对PECVD（等离子体增强化学气相沉积）制备的SiNx薄膜应力调控难题，通过ERDA（弹性反冲探测分析）和FTIR（傅里叶变换红外光谱）技术，揭示了氮/氢含量与薄膜应力的关联性，发现高温和低频激发可提升氮含量并降低氢含量，从而增强压应力。该研究为半导体器件（如GaN HEMT）的应力工程提供了关键参数优化依据。

　　

在半导体技术领域，氮化硅(SiN_x)薄膜因其优异的机械和化学稳定性，被广泛应用于光电器件、微机电系统(MEMS)和功率器件中。然而，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备的SiN_x薄膜常因氢(H)残留和应力分布不均导致器件性能退化。例如，在氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)中，薄膜应力直接影响电子迁移率和阈值电压，但传统方法难以精准调控应力特性。

为解决这一问题，来自国内的研究团队在《Thin Solid Films》发表研究，系统分析了沉积温度（200-600°C）、激发频率（高频HF/低频LF）对SiN_x薄膜元素组成和应力的影响。研究采用弹性反冲探测分析(ERDA)定量元素浓度，结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析化学键构型，并通过应力仪测量薄膜应力。

关键方法

1. 样品制备：使用Oxford Instruments PlasmaPro 100设备，以SiH₄和NH₃为前驱体，在硅衬底上沉积100-400 nm厚SiN_x薄膜，变量包括温度（300-600°C）、HF/LF功率（20-80 W）。
2. 表征技术：ERDA测定H/N绝对含量，FTIR识别Si-N/Si-H/N-H键，椭圆偏振仪测量折射率，表面轮廓仪计算应力（基于Stoney方程）。
3. 热处理：部分样品在500°C氮气中快速退火(RTA)，评估热稳定性。

研究结果

3.1 薄膜应力与折射率

• 纯LF激发产生压应力（-1182 MPa至-1724 MPa），HF激发则导致张应力（197 MPa）。
• 600°C沉积的薄膜压应力最大（-1724 MPa），且RTA处理后应力稳定，表明高温沉积可提升热稳定性。

3.2 ERDA元素分析

• 高温（600°C）使N含量升至53.0 at.%，H含量降至10.4 at.%，而300°C HF样品H含量高达22.2 at.%。
• RTA处理未显著改变元素浓度，但300°C沉积的薄膜压应力降低约25%。

3.3 FTIR键合分析

• Si-N键峰（870 cm^-1）强度与压应力正相关，600°C样品无Si-H峰，表明高温抑制Si-H键形成。
• 300°C LF样品经RTA后，Si-N峰强度变化暗示键重排，可能是应力降低的原因。

讨论与意义
研究发现，Si-N网络重构是应力调控的核心机制：

1. 氮主导应力：LF激发促进N掺入（49.1 at.%），通过原子间隙堆积引发压应力，而HF激发因离子迁移率高导致H富集（22.2 at.%）和张应力。
2. 热稳定性：600°C沉积的薄膜在500°C RTA后应力不变，适用于GaN HEMT等高温工艺器件。
3. 技术应用：通过调整PECVD参数（如双频激发），可定制SiN_x应力特性，为D-mode向E-mode晶体管转换提供解决方案。

该研究不仅阐明了SiN_x应力与元素组成的定量关系，还为半导体器件的应力工程提供了可工业化的工艺窗口，尤其对高频功率器件性能优化具有重要指导意义。