摘要：通過(guò)PECVD方法，在Si基體表面制備了Si₃N₄薄膜，給出了XRD、TEM、AES、DPS的分析結果，表明Si3N4是非晶態(tài)結構，薄膜的主要成分是Si₃N₄，SEM分析結果顯示Si₃N₄薄膜與基體材料的結合強度高，薄膜致密性好。

    關(guān)鍵詞：Si₃N₄；薄膜；成分；結構
    中圖分類(lèi)號：TB43    文獻標識碼：A    文章編號：1002-0322(2004)04-0071一03

    Abstract：     Si₃N₄thin film was deposited successfully on Si substrate by PECVD process for production.The deposition results were tested by XRD，TEM，AES and DPS and showed that the Si3N4 film is amorphous and the composition of the film is principally Si3N4 as expected，especially the bonding stength between Si3N4 film and Si substrate is high with high compactness of the film as indicated by SEM．

    Key words：Si₃N₄；thin film；composition；structure

   Si₃N₄薄膜具有獨特的優(yōu)異性能，因而在微電子器件行業(yè)中比SiO₂薄膜有更廣泛的應用。如較好的化學(xué)穩定性，在600℃時(shí)不會(huì )與鋁發(fā)生反應，而二氧化硅在500℃時(shí)與鋁反應已比較顯著(zhù)。使用氮化硅膜可加強對電極反應的惰性；針孔密度非常低，極硬而且耐磨，非晶態(tài)硬度高達HV5000；結構非常致密，氣體和水汽極難穿過(guò)，疏水性強，可大大提高器件的防潮性能；對可動(dòng)離子(如Na⁺⁾有非常強的阻擋能力，最佳的鈍化效果；可靠的耐熱性和抗腐蝕性，在1200℃時(shí)不發(fā)生氧化，在一定濃度的硫酸、鹽酸、氫氟酸中有較好的抗蝕性[1，2]。

    制備Si₃N₄薄膜的方法很多，有直接氮化法、電子束反應蒸發(fā)、濺射(直流及射頻，反應及非反應)法、IBED、PCVD方法[3，4，5]，不同的制備方法，在不同的工藝規范下，獲得的薄膜成分和結構有差異。本文從實(shí)際生產(chǎn)的角度出發(fā)，通過(guò)PECVD方法，在Si基體表面制備了Si₃N₄薄膜，給出了XRD、TEM、AES、DPS的分析結果，表明Si₃N₄是非晶態(tài)結構，薄膜的主要成分是Si₃N₄，SEM分析結果顯示Si3N4薄膜與基體材料的結合強度高，薄膜致密性好。

1實(shí)驗方法

    在Si基體表面制備Si₃N₄薄膜是通過(guò)PECVD方法在日本產(chǎn)的PECVD設備PXJ一100RH上進(jìn)行的。采用平面圓形反應器裝置的兩個(gè)極板互相平行的圓板，射頻功率以電容耦合式輸入，獲得均勻的電場(chǎng)分布，它是半導體薄膜行業(yè)主流使用的等離子體發(fā)生器。電極有兩塊間隔2英寸，直徑26英寸的平行圓板構成，上電極加高壓，經(jīng)匹配電路與5 kW、5 kHz的電源相接，下電極接地并為放基片的基座。為提高沉積氮化硅薄膜的均勻性，下電極通過(guò)電磁機構可以旋轉，反應氣體通過(guò)旋轉軸的中心進(jìn)入反應室，向兩電極之間的四周流出去，反應的副產(chǎn)品和未反應的氣體通過(guò)裝在反應器下面的四根排氣管排出。為了研究Si3N4薄膜的成分和結構，我們對制備的薄膜樣品進(jìn)行了X射線(xiàn)衍射分析(XRD)、透射電子顯微鏡分析(TEM)，結果表明Si3N4薄膜是非晶態(tài)，俄歇電子能譜分析(AES)結果顯示薄膜主要成分是Si₃N₄，掃描電子顯微鏡(SEM)分析表面形貌Si3N4薄膜與基體材料的結合強度高，薄膜致密性好。樣品制備的工藝條件：反應室氣體選用的氣壓為1.5～2 Torr(200～267 Pa)；沉積溫度360±5℃，沉積速率是130 A／min；頻率選擇13．56 MHz；沉積功率為85 w；舟的滿(mǎn)載量為10．16(4英寸)硅片96片，晶體管射頻功率發(fā)生器最大功率為500 W，硅烷流量260 sccm；NH₃流量2．50 sccm；稀釋氣體為N₂。
2  實(shí)驗結果與分析

2. 1 Si3N4潭膜的結構

2．1．1 XRD分析

    我們對制備的硅片表面Si₃N₄薄膜樣品進(jìn)行了x射線(xiàn)衍射分析(日本理學(xué)公司：M03XHF22型x射線(xiàn)衍射儀)，如圖1所示，衍射峰只有基體單晶Si沒(méi)有其它明顯衍射峰；該試樣加熱到1050℃時(shí)，弱峰明顯加強，到1180℃時(shí)，第二種峰相顯著(zhù)，經(jīng)過(guò)認真對比，該相是Si₃N₄，如圖2所示，試驗表明Si₃N₄薄膜在低于1050℃時(shí)，其結構是非晶態(tài)，加熱到1050℃時(shí)，薄膜結構開(kāi)始由非晶態(tài)向晶態(tài)轉變。 

    圖1單晶硅涂氮化硅試樣的x衍射圖
Fig．1 XRD pattern ofthe sample of single crystal silieon with Si₃N₄ film coating

2．1．2 TEM分析
    透射電子顯微鏡(TEM)分析(FEI公司：Tecnai G2F20 S-TWIN型透射電子顯微鏡)結果如圖3所示，該圖譜呈現云霧狀，再次證明該薄膜的結構是非晶態(tài)。

2．1．3 ESEM分析
    掃描電子能譜儀分析(Philips公司：LeicaS440掃描電子能譜儀)結果如圖4顯示，薄膜結構中N含量37．86％，Si含量62．14％，和理想的非晶態(tài)Si3N4薄膜中N含量39．90％、Si含量60．10％非常接近。 
  

圖2單晶硅涂氮化硅試樣再加熱到1180℃空冷后x射線(xiàn)衍射圖
Fig.2 XRD pattern of the sample of single crystal silicon with Si3N4 film after heated up to 1180℃ then cooled in air
   
    圖3 TEM電子衍射圖
Fig.3 TEM eleetronic diffraetion pattern
 
    原子量的百分比／％

    圖4 ESEM掃描電子能譜圖
    Fig．4 ESEM spectrum

(Linda)