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1、(10)申请公布号 CN 103938179 A (43)申请公布日 2014.07.23 CN 103938179 A (21)申请号 201310493221.2 (22)申请日 2013.10.18 1218697.9 2012.10.18 GB 61/715,411 2012.10.18 US C23C 16/24(2006.01) C23C 16/02(2006.01) (71)申请人 SPTS 科技有限公司 地址 英国新港 (72)发明人 加施帕特尔 刘玉菲 (74)专利代理机构 北京派特恩知识产权代理有 限公司 11270 代理人 张颖玲 胡春光 (54) 发明名称 沉积非晶硅膜。
2、的方法 (57) 摘要 本发明提供一种在腔室中将非晶硅层沉积在 半导体基板或绝缘基板的表面上的方法， 其中， 在 沉积所述非晶硅层之前， 用NH3等离子体预处理所 述表面。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103938179 A CN 103938179 A 1/1 页 2 1. 一种在腔室中将非晶硅层沉积在半导体基板或绝缘基板的表面上的方法， 其中， 在 沉积所述非晶硅层之前， 用 NH3等离子体预处理所述表。
3、面。 2.根据权利要求1所述的方法， 其中， 所述NH3等离子体经历下列工艺条件中的至少一 个 ： （a） 供应的 RF 功率在 150 250W 的范围内 ； （b） 所述腔室的压力在 500 4000 毫托之间 ； （c） 所述 NH3等离子体流动约 1 5 分钟 ； 以及 （d） 随后在不打破真空的情况下完成所述非晶硅层。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的方法， 其中， 所述基板由硅制成。 4. 根据权利要求 1 或 2 所述的方法， 其中， 所述基板的表面由二氧化硅或氮化硅制成。 5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法， 其中， 在应用所述 NH3等离子体之前， 通过 惰性气体。
4、流将所述基板加热至遍及所述基板的宽度范围内的恒定温度。 6. 根据权利要求 5 所述的方法， 其中， 所述惰性气体为 N2。 7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法， 其中， 利用 SiH4作为工艺气体来沉积所述 非晶硅膜。 8. 根据权利要求 7 所述的方法， 其中， 所述腔室包括压板， 并且所述压板的温度在 200 350之间， 例如 200。 9. 根据权利要求 8 所述的方法， 其中， 所述膜的应力为 50MPa。 权 利 要 求 书 CN 103938179 A 2 1/5 页 3 沉积非晶硅膜的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种沉积非晶硅膜的方法， 并且尤其是沉积厚度为 3。
5、m 或以上厚度 的非晶硅膜的方法。 背景技术 0002 已经发现， 当寻求沉积较厚 （例如厚度为 3m 或以上） 的非晶硅膜时， 可能存在膜 与基板表面的粘附性的显著问题。目前， 这就限制了非晶硅膜的应用， 尤其是在 MEMS 工业 中的应用。 0003 非晶硅是硅的非晶体同素异形体形式。其能够以薄膜沉积在各种基板上， 为各 种电子应用提供某些独特的功能。非晶硅被用在大规模生产的微机电系统 （MEMS） 和纳米 机电系统 （NEMS） 、 太阳能电池、 微晶硅和微非晶硅、 甚至对于各种基板上的滚压工艺技术 （roll-to-roll processing technique） 是有用的。针对非。
6、晶硅膜的具体 MEMS 应用为 ： 0004 1. 薄膜装置， 包括用于颜色或红外传感的光电二极管或薄膜晶体管， 或用于压力 传感器的压电电阻器 ； 0005 2. 由于非晶硅膜在高浓度 HF 溶液中的良好耐性， 其在微流体应用中用于玻璃蚀 刻的遮蔽层， 或甚至在介电泳芯片中作为薄电极 ； 0006 3. 由于非晶硅膜在碱性溶液 （TMAH 或 KOH） 中易于去除， 其用作电容式超声波换能 器微加工中的牺牲层 ； 0007 4. 通过 XeF2蚀刻干式去除 （dry-release removal） a-Si:H 膜， 限定压电晶体谐振 器中用于机械 RF 磁场调节的纳米间隙 ； 0008 。
7、5. 提供用于阳极接合的中间层以改善接合质量或用在纳米流体通道的制作中。 0009 本申请已经开发了一种用于改善 a-Si:H 薄膜的粘附性方法， 在具体实施方式的 附加特征中， 本申请已经开发了一种用于降低 a-Si:H 薄膜的应力且改善了 a-Si:H 薄膜的 均匀性的方法。 发明内容 0010 本发明包括一种在腔室中将非晶硅层沉积在基板表面上的方法， 在沉积所述非晶 硅层之前， 用 NH3等离子体预处理所述表面。 0011 在本发明的实施方式中， NH3等离子体可具有下列工艺条件中的至少一个 ： 0012 （a） 供应的 RF 功率在 150 250W 的范围内 ； 0013 （b） 所。
8、述 NH3的流量在 80 110sccm 之间 0014 （c） 所述腔室的压力在 500 4000 毫托之间 ； 0015 （d） 所述 NH3等离子体流动约 5 分钟。 0016 所述基板可由硅或含硅材料制成。所述基板可为硅或玻璃 （SiO2） 。所述基本可涂 覆有二氧化硅或氮化硅的中间层。然而， 本发明并不限于这些实施方式。 0017 优选的是， 通过使惰性气体流将所述基板加热至遍及其宽度范围内的恒定温度， 说 明 书 CN 103938179 A 3 2/5 页 4 从而改善后续工艺步骤的均匀性。适宜地， 惰性气体为 N2。 0018 可利用SiH4作为工艺气体来沉积所述非晶硅膜， 并。
9、且SiH4可携带在载气 （例如氩） 中。 0019 通常， 所述腔室包括压板。在非晶硅膜的沉积期间， 压板温度可在 200 350之 间， 例如 200。优选地， 腔室壁处于 75， 在使用喷头输送工艺气体时， 所述喷头可具有约 200的温度。 0020 当以上述方式沉积时， 非晶硅膜的应力会较低， 例如低于或等于 50MPa。 0021 尽管已经如上限定了本发明， 应当理解的是， 本发明包括任何前述或后附说明书、 附图或权利要求书的特征的任何发明性组合。 附图说明 0022 本发明可以以各种方式来进行， 且现将结合附图描述具体实施例。其中 ： 0023 图 1a 和图 lb 为对比在 （a）。
10、 利用常规沉积技术沉积时和 （b） 利用本发明的实施方 式沉积时， 关于 3.2m 硅膜沉积的粘附性测试结果 ； 0024 图 2 为上表面上带有 Si-OH 键的基板的结构示意图 ； 以及 0025 图 3 为示出了代表性的 PECVD 系统的示意图。 具体实施方式 0026 为了改善粘附性， 低应力以及改善在非晶硅沉积步骤期间的均匀性， 已经开发了 一种新型 NH3等离子体基板处理步骤。 0027 作为实施例， 利用下列工艺步骤， 已经成功地得到了未显示出任何剥离迹象的低 应力非晶硅膜。表 1 中示出了工艺参数。 0028 0029 表 1 ： 用于 3.26m 厚的非晶硅膜沉积的实施例工。
11、艺参数 * 具有良好的粘附性能。 0030 将晶片装入工艺模具中， 如图3所示， 该工艺模具可包括真空处理腔室。 在图3中， 真空处理腔室 （附图标记为 1） 包括抽吸孔 2， 抽吸孔 2 将腔室连接至泵 （未示出） 。基板 3 被 放置在压板 4 上且可用已知的构件 （例如静电夹） 夹持在适当的位置。腔室 1 进一步包括 喷头组件 5， 喷头组件 5 由面板 6 和带有气体入口 8 的背板 7 组成。孔 9 形成为通过面板。 在面板和背板之间的容积 （volume） 10 作为气体容器以允许在气体入口 8 和工艺容积 11 之 间进行传导。例如在 12 和 13 处提供有合适的密封件。RF 。
12、功率供应源 14 以本领域技术人 员熟知的方式供应 RF 功率至喷头组件 5 以产生且维持等离子体。在 US2004/0123800 可找 到对于 PECVD 系统的配置和操作的进一步详细描述， 该专利通过引用而整体并入本文。 说 明 书 CN 103938179 A 4 3/5 页 5 0031 在低压下 （2Torr 以及 2000sccm） 升至工艺温度。在该温度下， 如图 3 所示， 利用 RF（14） 驱动喷头 （5、 6） 实施 NH3 等离子体处理步骤。该步骤对压板 4 上的基板 3 的表面进行了改性。 0032 NH3等离子体基板处理步骤为提高沉积的非晶硅膜与基板之间的粘附性能。
13、的关键 工艺步骤。例如， NH3等离子体基板处理步骤 ： 200W 的高频功率 （13.56MHz） ， 900 毫托的压 力以及 95sccm 的 NH3气体流持续 5min。对于极低应力膜沉积 （ 50MPa） ， 可进一步通过运 行低温 （200） 沉积工艺来调节膜应力。 0033 实验发现 ： 在低温下结合 RF 频率、 功率、 压力和气流的最佳工艺参数沉积的非晶 硅膜， 可产生非常低应力 （ 50MPa） 的非晶硅膜。例如， 对于喷头和压板温度为 200， 腔 室侧壁温度为 75下， 120W 高频功率 （13.56MHz） 、 700 毫托处理腔室压力， 120sccm 的 SiH。
14、4 和 500sccm 的 Ar 流的沉积可提供极低拉伸应力非晶硅膜沉积 （+48.1MPa） ， 且沉积速率约 109m/min。 0034 在未经 NH3预处理的图 1a 以及经 NH3等离子体处理的图 1b 中可以看到， 该过程对 于 a-Si:H 膜 （3.25m 厚） 与硅晶片的粘附性的优势。使用 ANSI/SDIA250.10-1998（R200） 过程来进行粘附性测试。在图 1a 中， 通过胶带去除了所有的 a-Si:H 沉积物， 而图 1b 中并 没有通过胶带去除a-Si:H。 膜上的网格线为步骤的一部分以确保可重复的结果。 通过变动 温度、 功率、 气体流量和压力的工艺参数，。
15、 这些膜的应力可从拉伸力控制为压缩力。 例如， 将 压板温度从 200升高至 300， 应力可由 200MPa 的压缩力。通 过降低 RF 功率， 可增加拉伸应力。 0035 将看到的是， NH3等离子体基板处理步骤显著地提高非晶硅膜的粘附性能。 0036 用于增强沉积膜的粘附性能的常规方法可包括提高非晶硅膜沉积温度以及引入 中间层， 例如氮化硅和二氧化硅， 但是这两种方法均具有不足。由于考虑应力和热预算， 350的高温在许多应用中是不被接受 ； 而额外层的引入将导致成本增加、 复杂化以及在 后续中待去除的潜在的多余的膜。 0037 进行了下列实验以比较膜的粘附性增强。 0038 0039 表。
16、2 ： 在未经过NH3等离子体步骤的高温下沉积的非晶硅膜*。 膜厚度3.36m。 0040 表 2 中的结果显示出 ： 较高的压板温度 （350） 可增强粘附性能， 但其对沉积的非 晶硅膜还引入了较高的压缩应力。通过上面的实施例， 较高温度的沉积带来标准粘附测试 的 10% 下降以及 -332.9MPa 高压缩应力的膜。 0041 说 明 书 CN 103938179 A 5 4/5 页 6 表 3 ： 未经过 NH3等离子体步骤的情况下， 用氮化硅 （SiN） 中间层沉积的非晶硅膜。 0042 0043 表 4 ： 未经过 NH3等离子体步骤的情况下， 用 SiO2中间层沉积的非晶硅膜。 0。
17、044 表 3 和表 4 中的结果 （均对于 3.3m 的膜） 表明 ： 在未经过 NH3等离子体步骤的 情况下， 利用 SiN 或 SiO2中间层的非晶硅膜显示出较差的粘附性。 0045 0046 表 5 ： 硅晶片上的不同表面的剥离测试的总结 0047 表 5 中总结了来自表 1 4 的关键发现。即， 除了经过 NH3等离子体处理的基板 外， 对于已经经历打破真空的 Si、 SiO2和 SiN 表面， 所有的 a-Si:H 膜显示出剥离迹象。将 工艺温度升高至 350显著地降低了剥离量 ； 然而， 该有破坏性的工艺也不能如经过 NH3等 离子体步骤处理一样以 200在 Si 上进行低应力的。
18、 a-Si:H 沉积。 0048 以下， 描述了 a-Si:H 膜粘附性改善的可能机理。已经暴露在大气中的硅表面将具 有天然氧化物层。在晶片表面， 硅原子经由氧原子以巨型共价结构结合。然而， 在二氧化硅 的表面处， 硅 - 氧键随着时间经过在空气中水解， 而形成 -OH 基团。因此， 在表面处， 如图 2 所示， Si-OH 键代替了 Si-O-Si 键。表面由于 -OH 基团而被极化， 并且可与围绕该表面的合 适的化合物形成氢键， 且具有范德华色散力和偶极 - 偶极引力。除了沉积的非晶硅的悬键 外， 基板表面上的这些 Si-OH 键显著地影响沉积的非晶硅膜和基板之间的粘附性能。 0049 因此， 利用 NH3等离子体基板处理步骤来去除基板上表面上的 Si-OH 键， 显著改善 说 明 书 CN 103938179 A 6 5/5 页 7 了沉积的非晶硅膜的粘附性。 说 明 书 CN 103938179 A 7 1/2 页 8 图 1(a) 图 1(b) 说 明 书 附 图 CN 103938179 A 8 2/2 页 9 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103938179 A 9 。