氮化硅材料是微细加工技术中广泛应用的介质材料之一。氮化硅具有较高的介电常 数和折射率，可以作为金属-氧化物-半导体MOS器件的栅介质或应用于光学器件的研 制或制造工艺中；同时氮化硅还具有较高的密度，能够有效的阻挡外来杂质的污染，在 集成电路工艺中可以作为扩散阻挡层和器件钝化层。
集成电路中的氮化硅膜是使用公知技术如化学汽相淀积CVD形成的。在CVD工艺 中，将给定成分和流量的反应气体和载气通过气路控制系统引入反应室中。气体分子向 衬底输运，并被吸附在衬底表面，经过表面迁移和成膜化学反应后在衬底上淀积薄膜， 例如氮化硅。而反应气体副产物则被带离衬底表面并最终被抽出反应室。成膜化学反应 的驱动力通常可由几种方法来供给，例如热、光、射频、催化剂或等离子体。常规的 CVD系统通常包括气体源、气路、气体流量控制器、反应室、温度传感器真空测量装 置、功率源、衬底偏压、加热和旋转装置等。已有的化学汽相淀方法主要有以下几中：
1.低压化学汽相淀积LPCVD方法。该方法常用于前端生产工艺的介电薄膜淀积中， 它用硅烷SiH4和氨气NH3为前驱气体，在800℃～900℃温度下可以制备性能优良的氮化 硅薄膜，但该工艺无法满足集成电路后端工艺和某些光电器件和其他器件工艺中最高工 艺温度不超过450℃，即低于铝的熔点，甚至更低的要求。同时，LPCVD制备氮化硅薄 膜过程中过高的温度会产生较高的应力，可能引起由应力导致的器件可靠性的退化，如 介质层剥落等现象。另外，高温也会引起杂质的二次扩散，从而影响对晶体管结深等参 数的精确控制。以上这些方面都限制了LPCVD方法制备氮化硅膜的应用。
2.常规的等离子体增强化学汽相淀积PECVD方法。该方法在300℃～400℃温度下 制备氮化硅薄膜。但由于难以电离N2等不含氢的氮化源气体，一般用SiH4和NH3作为 前驱气体，淀积的薄膜氢含量约9％～30％，淀积速率较低，一般低于100nm/min，且 界面态密度较高，容易引起器件性能和可靠性的退化。
3.电子回旋共振ECR等离子体化学汽相淀积。该方法是CVD工艺的一种特殊情 况，当输入的微波频率等于电子回旋频率时发生共振，微波能量耦合给电子，获得能量 的电子电离中性气体分子形成等离子体放电，并使得等离子体中的高活性成分在衬底表 面形成薄膜淀积。当微波频率为2.45×109赫兹时，达到电子回旋共振的磁感应强度 B＝0.0875特斯拉。ECR等离子体具有工作气压低、密度高、离化率高、大面积均匀、 工艺设备简单、可稳定运行和参数易于控制等优点，可以实现低温高效无污染的表面处 理，在薄膜淀积、等离子体刻蚀等IC制造工艺中有着巨大的应用潜力，但由于现有ECR 等离子体化学汽相淀积氮化硅钝化膜常采用易离化的氨气作为前驱气体，淀积的薄膜含 氢量较高，影响了薄膜的性能，而不含氢的氮化源气体较难电离导致薄膜的淀积速率低， 远低于100nm/min；当晶片面积增大，淀积均匀性和重复性难以保证；且ECR设备也 多为电流线圈型磁场，耗能较高；目前ECR等离子体化学汽相淀积氮化硅薄膜工艺方 法还有待改进。
发明的内容
本发明的目的是提供一种电子回旋共振等离子体化学汽相淀积氮化硅薄膜的方法， 以克服现有氮化硅膜高温制备、淀积速率低、大面积均匀性差和氢含量较高的缺陷，实 现在集成电路工艺中生长氮化硅薄膜作为扩散阻挡层和器件钝化层或应用于某些光学 器件制造工艺。
实现本发明目的的技术方案是利用电子回旋共振ECR等离子体化学汽相淀积设备 ECRCVD在淀积室的衬底上形成氮化硅薄膜，具体工艺过程如下：
将衬底清洗后放在工艺室中；
对工艺室抽真空；
设定工艺条件，即
工艺室的压力：保持在0.1Pa～5Pa；
微波功率：控制在600W～2000W；
淀积温度：控制在室温～300℃范围；
气体总流量：50～300sccm；
硅源气体和氮化源气体的流量比：1∶6～1∶12；
旋转速率保持为60转/分钟。
将硅源气体与氮化源气体相混合后通入工艺室中；
开启微波源，利用电子回旋共振效应吸收的微波源能量对混合后的硅源气体和氮化 源气体进行电离分解，并将电离分解后所产生的活性带电粒子通过永磁磁场的作用输运 到衬底表面，在衬底上淀积氮化硅薄膜。
本发明的优选技术方案，包括如下过程：
将衬底清洗后放在工艺室中；
对工艺室抽真空；
设定工艺条件，即
工艺室的总压力：1Pa；
微波功率：1200W；
淀积温度：200℃；
气体总流量：150sccm；
硅源气体和氮化源气体的流量比：1∶8；
旋转速率保持为60转/分钟。
将硅源气体与氮化源气体相混合后通入工艺室中；
开启微波源，利用电子回旋共振效应吸收的微波源能量对混合后的硅源气体和氮化 源气体进行电离分解，并将电离分解后所产生的活性带电粒子通过永磁磁场的作用输运 到衬底表面，在衬底上淀积氮化硅薄膜。
上述电子回旋共振等离子体化学汽相淀积氮化硅薄膜的方法，其中硅源气体选为以 95％的Ar气作为载气稀释的SiH4；氮化源气体选为N2。
本发明具有如下优点：
(1)本发明与已有LPCVD方法相比淀积温度低，即可以在室温下淀积氮化硅膜；
(2)与已有PECVD和ECRCVD方法相比，本发明由于采用不含氢的N2作为前 驱气体且采用600W以上的微波功率输入使得SiH4气体充分电离，因此淀积的氮化硅膜 基本不含有氢，即氢含量在NEXUS 750红外光谱仪检测灵敏度下无法检出；
(3)本发明淀积的氮化硅膜折射率和化学结构接近于采用LPCVD方法淀积的氮化 硅膜；
(4)本发明的薄膜淀积速率可达140nm/min，均匀性和重复性优于95％。
以下借助附图对本发明的目的和实施例作进一步详细描述。

图1是本发明用于形成氮化硅膜的ECRCVD设备结构示意图；
图2是本发明使用的ECRCVD设备的气路结构示意图；
图3是本发明的工艺流程图；
图4是本发明氮化硅薄膜的淀积速率随微波功率的变化曲线图；
图5是本发明氮化硅薄膜的淀积速率随气体流量比的变化曲线图；
图6是本发明氮化硅薄膜的折射率随气体流量比的变化曲线图；
图7是本发明氮化硅薄膜的折射率随微波功率的变化曲线图；
图8是本发明在不同温度下淀积的氮化硅薄膜折射率随气体流量比的变化曲线图；
图9是本发明氮化硅薄膜的化学成分随微波功率和气体流量比的变化曲线图；
图10是本发明淀积的氮化硅薄膜的化学结构和H含量红外分析图。

本发明的整个淀积过程在图1所示的ECRCVD设备上完成。
参照图1，实现本发明方法的ECRCVD设备由微波功率源及传输系统21、ECR等 离子体源22、工艺室23、自动传片系统24、真空系统25、气路系统26、微机控制系统 27等部分组成。其中：
所述的微波功率源及传输系统21为ECR等离子体源22提供稳定的微波能量，微 波频率为2.45×109赫兹，微波功率在0到3千瓦的范围内可调可控。它由微波功率源 201、环流器202、水负载203、功率计204、定向耦合器205、负载调配器206等部分 构成。微波功率源采用WY50002-1C型连续微波功率源。微波传输采用BJ-26矩形波 导207，通过三销钉调配器206及短路活塞208调节负载匹配及反射功率。微波传输回 路包括一个波导-同轴变换器209，一个由外径21mm的内导体和内径49mm的外导体 构成的同轴波导管以45°角扩展成锥形管210，和一个由外径304mm的内导体和内径 344mm的外导体构成的同轴型共振腔211。2.45×109赫兹的微波经传输回路引入到共振 腔开口面附近的Al2O3陶瓷窗220上。该陶瓷窗厚13.3mm，直径266mm，其下表面有 一个O型橡胶密封圈221，兼作放电室真空密封。陶瓷窗上表面有分布式永磁磁钢系统， 该系统由无磁不锈钢圆盘222、软铁屏蔽板223和Nd-Fe-B永磁磁钢224组成。永磁磁 钢224镶嵌在无磁不锈钢上圆盘222上，其上由软铁屏蔽板223覆盖。微波由陶瓷窗220 的外缘向中心输运，从而在放电室一侧的陶瓷窗220表面形成均匀的表面波电场分布， 在此电场和磁场的作用下，放电室内形成了均匀大口径ECR等离子体。
所述的ECR等离子体源22为微波电子回旋共振等离子体源，该等离子体源的磁场 为分布式永磁磁场。
所述的工艺室23是进行薄膜淀积加工的腔体，其内部包括工艺气体环231、样品台 232及其它附件等。工艺气体环231内侧以30°角间隔均匀分布的孔径为0.5mm的气 孔；样品台232的最大加工尺寸为Φ6英寸，同时提供凹槽容纳2英寸、3英寸和4英 寸的晶片，并提供工艺所需的温度和机械支撑；反应室水冷却系统233使得陶瓷窗220 保持在较低的温度上；朗缪尔探针诊断系统234测量等离子体放电参数，并以石英板、 石英筒和接地支架作为等离子体屏蔽以使等离子体局限于样片周围，图1中未示出；衬 底加热系统235采用封闭电阻加热方式对样片加热，采用热电偶进行温度测量，用计算 机进行温度的设定和控制温度，控制范围为室温～300℃±1℃精度；样品台旋转升降系 统236采用无磁连接方式，使得样品台匀速转动，同时控制样品台在工艺室中的高度位 置。在一个示范性实施例中，样品台高度被控制在距离陶瓷窗正下方3厘米到15厘米 处，优选为5厘米处，样品台旋转速率为60转每分钟。
所述的自动传片系统24以美国Genmark公司生产的GB3型真空机械手为核心，可 以在10-6帕的高真空状态下工作，其径向精度为0.05毫米，轴向精度为0.025毫米，角 度精度为0.015°，末端转移叶片长度为345.5毫米，最大行程580毫米，最大升高12.5 毫米。完成淀积后，样品台中的承载台升降组件由螺纹连接细杆和直径约3英寸的托盘 构成，使得晶片由陶瓷窗下方7厘米处上升到陶瓷窗下方5厘米处；然后打开矩形阀241， 转移叶片以悬臂方式通过矩形阀241进入反应室23，控制承载台升降组件下降从而使得 样品台上的晶片落在转移叶片，即陶瓷窗下方5.2厘米处，装载完毕后转移叶片通过矩 形阀241缩回自动传片室24中，矩形阀241关闭。淀积前从自动传片室中取新晶片放 入工艺室的过程与此相反。
所述的真空系统25为工艺室、气路系统、传片系统提供高的本底真空度、适当的 抽气速率和反应压力，由涡轮分子泵252、无油真空泵254、全量程真空计256、板阀 251、隔离阀255、电磁阀253、管路和传片系统预真空室和气路系统257组成，其本底 真空度应达到1×10-5帕，工艺动态真空在1×10-2到10帕范围内。真空测量系统256 采用热偶规和电离规结合的方法测量反应室的真空度，测量范围为10-5帕到10帕。
所述的气路系统26完成工艺设备所需的工作气体、反应气体和清洗气体，如氮气 的输入、测量和控制。气路系统共设6路气路，分别由反应气体源301、减压阀302、 压力显示310、电磁阀303、电磁305、电磁306、电磁308和电磁311、质量流量控制 器304、混气罐307、清洗气体源309和不锈钢管路等部分组成，如图2所示。薄膜淀 积前，气源301中的反应气体经解压阀302解压后，由质量流量计304控制进入混气罐 307中，气路节点的压力由压力显示器310读出，此时电磁阀303和电磁305打开，电 磁306、电磁311和电磁308关闭。淀积时打开电磁阀308即可。气源309为清洗气体 源，打开电磁阀311并关闭其它气源即可对气路进行清洗。其它气源及其相应气路与上 述气源301及其相应气路控制方式相同。
所述的微机控制系统27采用上/下位机网络结构控制方式。由于网络结构控制方式 将控制任务分配给不同的控制单元，微机与控制单元通过RS485接口实现。上位机选用 研华IPC-6811工业控制计算机，控制板采用RS-485接口板构成。控制系统软件平台采 用Windows98，控制软件采用VB开发的可视化图形界面。
本发明利用上述电子回旋共振等离子设备进行化学汽相淀积氮化硅薄膜的过程如 图3所示，根据设定参数的不同，本发明可列举如下不同实施例：
实施例1
本发明选用基片为Φ150mm的p(100)单晶硅片作为衬底。
第一步，清洗衬底并放入工艺室。
将硅片浸入4∶1的H2SO4∶H2O2溶液清洗10分钟，溶液温度为90℃；去离子水清洗 5分钟，包括6次循环；将硅片浸入5∶1∶1的H2O∶H2O2∶HCl溶液中清洗10分钟，溶液 温度为70℃；去离子水清洗5分钟包括6次循环；将硅片浸泡在50∶1的HF溶液中15 到30秒；去离子水清洗5分钟包括6次循环；氮气气氛保护下的旋转甩干处理，即80 秒去离子水清洗，120秒旋转甩干。清洗后获得表面被H键饱和的清洁硅表面。将清洗 后的硅片放置在工艺室23内的样品台232上。
第二步，对工艺室抽真空。
依次开启无油真空泵和分子泵及相关阀门，对工艺室抽真空，使得本底真空度达到 1.0×10-5Pa。
第三步，分别设定工艺条件。
1.衬底的温度设定为室温；
2.气体总流量为50sccm，气体流量比为1∶6；
3.工艺室的压力设定为0.1Pa；
4.样品台旋转速率为60转每分钟；
5.微波功率为600W，微波放电时间为10秒。
第四步，通入混合气体。
关闭混气罐与工艺室连接处的电磁阀，分别打开各气源通往混气罐气路分支上的电 磁阀和流量计，使硅源气体与氮化源气体同时流入混气罐中混合5秒以上后，将混合气 体通入在工艺室23中内先将硅源气体与氮化源气体相混合。
第五步，在衬底上淀积氮化硅膜。
开启旋转控制，使衬底匀速转动；开启微波源，利用电子回旋共振效应吸收的微波 源能量对混合后的硅源气体和氮化源气体进行分解，并将电离分解后所产生的活性带电 粒子通过永磁磁场的作用输运到衬底表面，在衬底上淀积氮化硅薄膜，控制微波放电时 间在10秒可淀积出厚度为100埃的氮化硅膜。
第六步，净化工艺室。
当淀积完成后，关闭源气体，通入氮气对管道和工艺室23进行净化。
实施例2
本发明选用基片为Φ150mm的p(100)单晶硅片作为衬底。
第一步，清洗衬底并放入工艺室。
将硅片浸入4∶1的H2SO4∶H2O2溶液清洗10分钟，溶液温度为90℃；去离子水清洗 5分钟，包括6次循环；将硅片浸入5∶1∶1的H2O∶H2O2∶HCl溶液中清洗10分钟，溶液 温度为70℃；去离子水清洗5分钟包括6次循环；将硅片浸泡在50∶1的HF溶液中15 到30秒；去离子水清洗5分钟包括6次循环；氮气气氛保护下的旋转甩干处理，即80 秒去离子水清洗，120秒旋转甩干。清洗后获得表面被H键饱和的清洁硅表面。将清洗 后的硅片放置在工艺室23内的样品台232上。
第二步，对工艺室抽真空。
依次开启无油真空泵和分子泵及相关阀门，对工艺室抽真空，使得本底真空度达到 1.0×10-5Pa。
第三步，分别设定工艺条件。
1.衬底的温度设定为300℃；
2.气体总流量为300sccm，气体流量比为1∶12；
3.工艺室的压力设定为5Pa；
4.样品台旋转速率为60转每分钟；
5.微波功率为2000W，微波放电时间为10秒。
第四步，通入混合气体。
关闭混气罐与工艺室连接处的电磁阀，分别打开各气源通往混气罐气路分支上的电 磁阀和流量计，使硅源气体与氮化源气体同时流入混气罐中混合5秒以上后，将混合气 体通入在工艺室23中内先将硅源气体与氮化源气体相混合。
第五步，在衬底上淀积氮化硅膜。
开启旋转控制，使衬底匀速转动；开启微波源，利用电子回旋共振效应吸收的微波 源能量对混合后的硅源气体和氮化源气体进行分解，并将电离分解后所产生的活性带电 粒子通过永磁磁场的作用输运到衬底表面，在衬底上淀积氮化硅薄膜，控制微波放电时 间在10秒可淀积出厚度为290埃的氮化硅膜。
第六步，净化工艺室。
当淀积完成后，关闭源气体，通入氮气对管道和工艺室23进行净化。
实施例3
本发明选用基片为Φ10mm的石英片作为衬底。
第一步，清洗衬底并放入工艺室。
将石英片用丙酮潮声清洗20分钟；用去离子水清洗5分钟包括6次循环；氮气气 氛保护下的旋转甩干处理，即80秒去离子水清洗，120秒旋转甩干。将清洗后的石英片 放置在工艺室23内的样品台232上。
第二步，对工艺室抽真空。
依次开启无油真空泵和分子泵及相关阀门，对工艺室抽真空，使得本底真空度达到 1.0×10-5Pa。
第三步，分别设定工艺条件。
1.衬底的温度设定为200℃；
2.气体总流量为150sccm，气体流量比为1∶8；
3.工艺室的压力设定为1Pa；
4.样品台旋转速率为60转每分钟；
5.微波功率为1200W，微波放电时间为10秒。
第四步，通入混合气体。
关闭混气罐与工艺室连接处的电磁阀，分别打开各气源通往混气罐气路分支上的电 磁阀和流量计，使硅源气体与氮化源气体同时流入混气罐中混合5秒以上后，将混合气 体通入在工艺室23中内先将硅源气体与氮化源气体相混合。
第五步，在衬底上淀积氮化硅膜。
开启旋转控制，使衬底匀速转动；开启微波源，利用电子回旋共振效应吸收的微波 源能量对混合后的硅源气体和氮化源气体进行分解，并将电离分解后所产生的活性带电 粒子通过永磁磁场的作用输运到衬底表面，在衬底上淀积氮化硅薄膜，控制微波放电时 间在10秒可淀积出厚度为150埃的氮化硅膜。
第六步，净化工艺室。
当淀积完成后，关闭源气体，通入氮气对管道和工艺室23进行净化。
实施例4
本发明选用基片为Φ10mm的NaCl片作为衬底。
第一步，清洗衬底并放入工艺室。
将NaCl片用丙酮潮声清洗20分钟；氮气气氛保护下的旋转120秒甩干处理。将清 洗后的硅片放置在工艺室23内的样品台232上。
第二步，对工艺室抽真空。
依次开启无油真空泵和分子泵及相关阀门，对工艺室抽真空，使得本底真空度达到 1.0×10-5Pa。
第三步，分别设定工艺条件。
1.衬底的温度设定为80℃；
2.气体总流量为110sccm，气体流量比为1∶8；
3.工艺室的压力设定为1.5Pa；
4.样品台旋转速率为60转每分钟；
5.微波功率为1200W，微波放电时间为10秒。
第四步，通入混合气体。
关闭混气罐与工艺室连接处的电磁阀，分别打开各气源通往混气罐气路分支上的电 磁阀和流量计，使硅源气体与氮化源气体同时流入混气罐中混合5秒以上后，将混合气 体通入在工艺室23中内先将硅源气体与氮化源气体相混合。
第五步，在衬底上淀积氮化硅膜。
开启旋转控制，使衬底匀速转动；开启微波源，利用电子回旋共振效应吸收的微波 源能量对混合后的硅源气体和氮化源气体进行分解，并将电离分解后所产生的活性带电 粒子通过永磁磁场的作用输运到衬底表面，在衬底上淀积氮化硅薄膜，控制微波放电时 间在10秒可淀积出厚度为130埃的氮化硅膜。
第六步，净化工艺室。
当淀积完成后，关闭源气体，通入氮气对管道和工艺室23进行净化。
本发明的性能可通过以下测试数据和曲线详细说明。
测试1
改变微波功率，使之从650W增大到2000W，测量所淀积薄膜的厚度并与相应的淀 积时间相除得到如图4所示淀积速率随微波功率的变化关系曲线，从图4中的1001线 可见，随着本发明微波功率的增大，薄膜淀积速率从110nm/min上升到140nm/min。
测试2
改变气体流量比，使之从6增大到12，测量所淀积薄膜的厚度并与相应的淀积时间 相除得到如图5所示淀积速率随气体流量比的变化关系曲线，从图5中的1002线可见， 随着本发明气体流量比的增大，薄膜淀积速率从60nm/min上升到95nm/min。
测试3
改变气体流量比，使之从6增大到12，测量所淀积薄膜的折射率得到如图6所示折 射率随气体流量比的变化关系曲线，从图6中的1003线可见，随着本发明气体流量比 的增大，薄膜折射率从1.8上升到2.1。
测试4
改变微波功率，使之从650W增大到2000W，测量所淀积薄膜的折射率得到如图7 所示折射率随微波功率的变化关系曲线，从图7中的1004线可见，随着本发明微波功 率的增大，折射率从2.03降低到1.82。
测试5
改变工艺温度，测试了不同气体流量比条件下淀积的氮化硅薄膜的折射率如图8所 示。其中，1005线为80℃下淀积氮化硅薄膜的折射率测试结果，1006线为室温下淀积 氮化硅薄膜的折射率测试结果。可见，随着工艺温度的增大，氮化硅薄膜的折射率上升。
测试6
改变微波功率，使之从650W增大到2000W，测量所淀积薄膜所含Si元素与N元 素的比例得到如图9所示薄膜Si/N比随微波功率的变化关系曲线，从图9中的1007线 可见，随着本发明微波功率的增大，薄膜Si/N比从0.78下降到0.72。
测试7
改变气体流量比，使之从7增大到9，测量所淀积薄膜所含Si元素与N元素的比 例得到如图9所示薄膜Si/N比随微波功率的变化关系曲线，从图9中的1008线可见， 随着本发明微波功率的增大，薄膜Si/N比从0.73上升到0.79。
测试8
用NEXUS 750红外光谱仪，采用原样直接检测法分别对淀积氮化硅薄膜前后的硅 片进行傅立叶变换红外光谱分析如图10所示。可见，在仪器检测灵敏度和检测限内， 未检测到明显的2160cm-1波数附近的Si-H和3340cm-1波数附近的N-H键，因此所淀 积的氮化硅薄膜几乎不含氢元素。
测试9
使用AUTOEL-IV型椭圆仪分别测量出6英寸晶片上圆心、半径处四点和1/2半径 处四点的薄膜的厚度。单片各点测量得到的氮化硅膜的厚度如表1所示。计算得到膜厚 平均值为77.7纳米，膜厚标准偏差为3.9，薄膜片内均匀性为95％。
不同时间，以相同淀积条件重复淀积氮化硅薄膜三批，每天一批，每批五片，得到 各片平均厚度如表2所示，计算得到重复性为95％。
以上测试可见，用本发明方法可以在300℃以下的低温下淀积氮化硅薄膜，从测试 1和测试2可见，薄膜淀积速率较高，从测试3～5可见，薄膜结构和折射率可调且与高 温淀积工艺得到的结果接近，从测试6可见，薄膜几乎不含氢，从测试7可见，6英寸 硅圆片内均匀性和重复性优于95％，可满足集成电路钝化层材料性能的要求。
表1  氮化硅薄膜厚度片内均匀性
位置     1   2   3   4   5   6   7   8   9 薄膜厚度(nm)     81.9   80.4   80.6   80.4   81.4   74.3   73.8   72.2   74.2
表2  氮化硅薄膜淀积工艺重复性
薄膜厚度/纳米  No.1   No.2   No.3   No.4   No.5   均值 批次1 批次2 批次3  82.7  75.9  77.3   83.5   81   77   87.4   78.8   75.9   87.5   76.1   78.3   87.8   78.4   80   85.8   78   77.7