[论文解读] Effect of RF Sputtering Process Parameters on Silicon Nitride Thin Film Deposition

Sachin S Bharadwaj, GR Rajkumar+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Semiconductor materials and devices参考文献 6被引用 5

一句话总结

本研究调查了射频磁控溅射参数——沉积功率、时间、氩气流量和氮气流量——对氮化硅薄膜沉积的优化。采用L9正交数组，结果表明氮气流量显著提升了薄膜质量，电阻率最高达7.85×10¹³ Ω·m，折射率最高达2.08，而SEM与XRD分析证实所有样品均呈非晶态结构。

ABSTRACT

The objective of this work was to study the RF sputtering process parameters optimisation for deposition of Silicon Nitride thin films. The process parameters chosen to be varied were deposition power, deposition duration, flow rate of argon and flow rate of nitrogen. The parameters were varied at three levels according to Taguchi L9 orthogonal array. Surface topology, film composition, coating thickness, coating resistivity and refractive index were determined using SEM, XRD, profilometer, Semiconductor device analyser and UV spectrometer respectively. The measured film thickness values ranged from 127.8nm to 908.3nm with deposition rate varying from 1.47nm/min to a maximum value of 10.1nm/min. The resistivity of the film varied between 1.53x1013ohm-m to 7.85 x1013ohm-m. Refractive index of the film was calculated to be between 1.84 to 2.08. From the results, it was seen that film properties tend to be poor when there is no nitrogen flow and tend to improve with small input of nitrogen. Also, SEM images indicated amorphous structure of silicon nitride which was confirmed by XRD pattern.

研究动机与目标

• 优化射频磁控溅射工艺参数，以实现高质量氮化硅薄膜的沉积。
• 评估沉积功率、时间、氩气流量和氮气流量对薄膜性能的影响。
• 确定实现期望电学、光学和结构特性的最佳参数组合。
• 评估氮气流量对薄膜成分和质量的影响，特别是在无氮气条件下的影响。
• 建立工艺参数与可测量薄膜性能（如厚度、电阻率和折射率）之间的关联。

提出的方法

• 采用Taguchi L9正交数组，系统地改变四个工艺参数：沉积功率、时间、氩气流量和氮气流量，每个参数设置三个水平。
• 采用射频磁控溅射在基底上沉积氮化硅薄膜，控制等离子体条件。
• 使用台阶轮廓仪测量薄膜厚度，结果范围为127.8 nm至908.3 nm。
• 通过扫描电子显微镜（SEM）分析表面形貌，显示非晶态结构。
• 采用X射线衍射（XRD）测定薄膜成分和结晶性，确认为非晶态结构。
• 利用半导体器件分析仪测量电阻率，通过紫外-可见分光光度法测定折射率。

实验结果

研究问题

• RQ1 氮气流量如何影响射频磁控溅射氮化硅薄膜的结构和电学性能？
• RQ2 为实现薄膜质量最大化，沉积功率、时间、氩气和氮气流量的最佳组合是什么？
• RQ3 溅射参数的变化如何影响薄膜厚度和沉积速率？
• RQ4 氮气流量与所沉积氮化硅薄膜折射率之间存在何种关系？
• RQ5 在无氮气流量条件下，薄膜质量退化程度如何，表现为电阻率和形貌的变化？

主要发现

• 薄膜厚度范围为127.8 nm至908.3 nm，沉积速率在1.47 nm/min至10.1 nm/min之间变化。
• 电阻率在1.53×10¹³ Ω·m至7.85×10¹³ Ω·m之间变化，最优氮气流量下测得更高电阻率。
• 随着氮气流量的引入，折射率从1.84提升至2.08，表明薄膜密度和成分得到改善。
• SEM图像显示均匀的非晶态表面形貌，XRD图谱无明显衍射峰，进一步证实了非晶结构。
• 无氮气流量时薄膜质量较差，电阻率较低，成分稳定性差。
• 在控制氮气流量下获得最佳薄膜性能，表明氮气在形成化学计量比氮化硅中的关键作用。