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PECVD沉积的氮化硅薄膜热处理性质研究

姚日英  
【摘要】:氮化硅薄膜是一种多功能材料,在许多领域有着广泛的运用:在微电子材料及器件生产中,氮化硅作为钝化膜、绝缘层和扩散掩膜;硅基太阳能电池中,氮化硅用作钝化膜和减反射膜;在硅基发光材料中作为硅纳米团簇的包埋母体等等。热处理是氮化硅薄膜在这些实际应用时都经过的一道工序,可以给薄膜带来许多有益的影响。 本文在系统综述氮化硅薄膜的性质、应用及多种制备方法的基础上,应用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)系统,以硅烷和氨气为气源,在不同衬底温度和不同硅烷氨气流量比下制备了氮化硅薄膜。然后在氮气气氛下对薄膜进行不同时间、不同温度的常规热处理,通过激光Raman谱、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)对热处理前后薄膜进行分析,探讨了热处理对薄膜的内部结构和性质的影响,获得了一些基本的数据,为氮化硅薄膜实际应用时设计热处理工艺参数提供系统的信息和科学依据。 首先,本实验利用PECVD设备,在流量比SiH_4:NH_3=1:3,功率为20W,不同衬底温度100℃~350℃下制备了氮化硅薄膜,测试结果表明所制备的薄膜是富硅薄膜,Si:N≈1.5:1,是以Si_3N_2为单元的网络结构;薄膜中含有丰富的键合H,以Si-H,N-H的形式存在,随着沉积温度的升高,H含量逐渐降低,薄膜趋于致密化。 对上述薄膜热处理后,发现800℃的热处理温度是使薄膜结构发生质变的临界温度,此时薄膜中形成了Si的纳米团簇;而且薄膜沉积时的温度越高,在其后续热处理过程中越容易形成非晶纳米Si团簇并晶化;热处理温度足够高(900、1000℃)时,随热处理时间的延长,薄膜结构发生连续性变化,由Si-Si_2N_2结构到Si-Si_3N结构再到Si-Si_4结构形成Si团簇。 最后,我们还在衬底温度300℃,功率为20W,NH_3/SiH_4/流量比分别为1:1,3:1和6:1的条件下沉积的氮化硅薄膜,并对其进行1100℃、2h的热处理,发现薄膜中的氮含量随着NH_3/SiH_4/流量比增大而增加,而随着薄膜内氮含量的增加,薄膜形成硅团簇越少。


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