等离子体增强原子层沉积氮化硅作为刻蚀阻挡层的物理特性研究

摘要： 等离子体增强原子层沉积（PEALD）生长的氮化硅（SiNx）薄膜中，将薄膜质量与湿法刻蚀速率（WER）这一关键性能指标相关联的物理特性研究仍十分有限。对于7纳米以下节点半导体工艺中的刻蚀阻挡层应用而言，实现低WER的SiNx薄膜尤为重要。本研究采用傅里叶变换红外光谱、X射线反射率和椭圆偏振光谱等技术，探究了PEALD SiNx薄膜中氢浓度、氢键状态、体相密度、残留杂质浓度与WER之间的关联。通过调节工艺温度（270°C-360°C）和等离子体气体组分（N2/NH3或Ar/NH3），使用六氯乙硅烷和空心阴极等离子体源制备了一系列SiNx薄膜，以分析上述因素对WER的影响。研究发现：氢浓度变化及氢键状态差异会导致体相密度改变，进而引起WER变化；氢键浓度与WER呈线性关系，而体相密度与WER呈反比关系。与PECVD SiNx工艺类似，氢键浓度降低源于（1）热活化或（2）等离子体激发物种的作用。但与硅烷（SiH4）基PECVD SiNx不同，PEALD SiNx的WER还受硅前驱体残留杂质（如氯杂质）影响。据此提出了HF湿法刻蚀中受氢键状态或残留杂质影响的WER机制：SiNx中因氢键状态差异导致的胺碱性位移，以及Cl杂质含量引起的硅亲电性变化，是影响PEALD工艺WER的主要机理。