摘要：通过PECVD方法，在Si基体表面制备了Si₃N₄薄膜，给出了XRD、TEM、AES、DPS的分析结果，表明Si3N4是非晶态结构，薄膜的主要成分是Si₃N₄，SEM分析结果显示Si₃N₄薄膜与基体材料的结合强度高，薄膜致密性好。

    关键词：Si₃N₄；薄膜；成分；结构
    中图分类号：TB43    文献标识码：A    文章编号：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薄膜具有独特的优异性能，因而在微电子器件行业中比SiO₂薄膜有更广泛的应用。如较好的化学稳定性，在600℃时不会与铝发生反应，而二氧化硅在500℃时与铝反应已比较显著。使用氮化硅膜可加强对电极反应的惰性；针孔密度非常低，极硬而且耐磨，非晶态硬度高达HV5000；结构非常致密，气体和水汽极难穿过，疏水性强，可大大提高器件的防潮性能；对可动离子(如Na⁺⁾有非常强的阻挡能力，最佳的钝化效果；可靠的耐热性和抗腐蚀性，在1200℃时不发生氧化，在一定浓度的硫酸、盐酸、氢氟酸中有较好的抗蚀性[1，2]。

    制备Si₃N₄薄膜的方法很多，有直接氮化法、电子束反应蒸发、溅射(直流及射频，反应及非反应)法、IBED、PCVD方法[3，4，5]，不同的制备方法，在不同的工艺规范下，获得的薄膜成分和结构有差异。本文从实际生产的角度出发，通过PECVD方法，在Si基体表面制备了Si₃N₄薄膜，给出了XRD、TEM、AES、DPS的分析结果，表明Si₃N₄是非晶态结构，薄膜的主要成分是Si₃N₄，SEM分析结果显示Si3N4薄膜与基体材料的结合强度高，薄膜致密性好。

1实验方法

    在Si基体表面制备Si₃N₄薄膜是通过PECVD方法在日本产的PECVD设备PXJ一100RH上进行的。采用平面圆形反应器装置的两个极板互相平行的圆板，射频功率以电容耦合式输入，获得均匀的电场分布，它是半导体薄膜行业主流使用的等离子体发生器。电极有两块间隔2英寸，直径26英寸的平行圆板构成，上电极加高压，经匹配电路与5 kW、5 kHz的电源相接，下电极接地并为放基片的基座。为提高沉积氮化硅薄膜的均匀性，下电极通过电磁机构可以旋转，反应气体通过旋转轴的中心进入反应室，向两电极之间的四周流出去，反应的副产品和未反应的气体通过装在反应器下面的四根排气管排出。为了研究Si3N4薄膜的成分和结构，我们对制备的薄膜样品进行了X射线衍射分析(XRD)、透射电子显微镜分析(TEM)，结果表明Si3N4薄膜是非晶态，俄歇电子能谱分析(AES)结果显示薄膜主要成分是Si₃N₄，扫描电子显微镜(SEM)分析表面形貌Si3N4薄膜与基体材料的结合强度高，薄膜致密性好。样品制备的工艺条件：反应室气体选用的气压为1.5～2 Torr(200～267 Pa)；沉积温度360±5℃，沉积速率是130 A／min；频率选择13．56 MHz；沉积功率为85 w；舟的满载量为10．16(4英寸)硅片96片，晶体管射频功率发生器最大功率为500 W，硅烷流量260 sccm；NH₃流量2．50 sccm；稀释气体为N₂。
2  实验结果与分析

2. 1 Si3N4潭膜的结构

2．1．1 XRD分析

    我们对制备的硅片表面Si₃N₄薄膜样品进行了x射线衍射分析(日本理学公司：M03XHF22型x射线衍射仪)，如图1所示，衍射峰只有基体单晶Si没有其它明显衍射峰；该试样加热到1050℃时，弱峰明显加强，到1180℃时，第二种峰相显著，经过认真对比，该相是Si₃N₄，如图2所示，试验表明Si₃N₄薄膜在低于1050℃时，其结构是非晶态，加热到1050℃时，薄膜结构开始由非晶态向晶态转变。 

    图1单晶硅涂氮化硅试样的x衍射图
Fig．1 XRD pattern ofthe sample of single crystal silieon with Si₃N₄ film coating

2．1．2 TEM分析
    透射电子显微镜(TEM)分析(FEI公司：Tecnai G2F20 S-TWIN型透射电子显微镜)结果如图3所示，该图谱呈现云雾状，再次证明该薄膜的结构是非晶态。

2．1．3 ESEM分析
    扫描电子能谱仪分析(Philips公司：LeicaS440扫描电子能谱仪)结果如图4显示，薄膜结构中N含量37．86％，Si含量62．14％，和理想的非晶态Si3N4薄膜中N含量39．90％、Si含量60．10％非常接近。 
  

图2单晶硅涂氮化硅试样再加热到1180℃空冷后x射线衍射图
Fig.2 XRD pattern of the sample of single crystal silicon with Si3N4 film after heated up to 1180℃ then cooled in air
   
    图3 TEM电子衍射图
Fig.3 TEM eleetronic diffraetion pattern
 
    原子量的百分比／％

    图4 ESEM扫描电子能谱图
    Fig．4 ESEM spectrum

(Linda)