氮化硅薄膜材料的表面结构和热稳定性研究.pdf

1、第 卷 第 期年 月真 空 科 学 与 技 术 妥氮 化 硅 薄 膜 材 料 的 表 面 结 构 和 热 稳 定 性 研 究朱 永 法清 华 大 学 化 学 系年 月 日 收 到曹 立 礼北 京年 月 日 定 稿,叮 说 , 瓜 , 句城 卯 , , 一 ,卯 , , ,一 一 ,卯罗 卯卯, ,摘 要 研 究 了 三 种 方 法 制 备 的 氮 化 硅 薄 膜 的 组 成 、 表 面 结 构 、 热 氧 化 稳 定 性 以 及 抗 离 子 束 损 伤 等 性能 。 研 究 发 现 法 制 备 氮 化 硅 薄 膜 的 含 量 最 高 , 法 制 备 的 薄 膜 次 之 , 而 法 制 备的 薄

2、 膜 含 量 最 低 。 在 薄 膜 中 没 有 一 键 存 在 , 仅 有 少 量 的 一 键 存 在 , 薄 膜 的 热 氧 化 稳 定性 和 抗 离 子 束 损 伤 性 能 最 好 。 薄 膜 中 含 有 少 量 的 一 和 一 键 , 虽 然 膜 层 的 热 稳 定 性 很 好 , 但由 于 膜 层 具 有 较 多 的 缺 陷 , 因 此 其 抗 氧 化 性 较 差 , 抗 离 子 束 损 伤 性 能 也 不 好 。 对 于 薄 膜 , 由 于 其 形成 温 度 较 低 , 膜 层 中 含 有 大 量 的 一 和 一 键 , 因 此 膜 层 的 热 稳 定 性 和 抗 离 子 束 损

3、份 性 能 最 差 。 此 外 ,还 发 现 获 得 的 原 子 比 和 膜 层 的 真 实 成 分 较 一 致 , 而 和 由 于 离 子 束 损 伤 效 应 , 其 结 果偏 低 。 氮 化 硅 薄 膜 热 稳 定 性 差 和 离 子 束 损 伤 的 本 质 均 因 氮 化 硅 的 脱 氮 分 解 。 热 氧 化 的 本 质 是 膜 层 中 自 由 硅和 气 氛 中 残 余 氧 的 氧 化 反 应 。关 键 词 氮 化 硅 表 面 结 构 热 稳 定 性引 言由 于 氮 化 硅 薄 膜 材 料 具 有 优 良 的 化 学 惰 性 和 环 境 稳 定 性 , 在 超 大 规 模 集 成 电

4、路工 艺 上 起 着 重 要 的 作 用 。 可 以 用 作 半 导 体 器 件 的 绝 缘 层 和 保 护 层 , 还 可 以 用 作 无 源 内存 器 件 , 二 。目 前 已 经 建 立 了 多 种 沉 积 氮 化 硅 薄 膜 的 工 艺 。 以 前 的 研 究 表 明 , 低 压 化 学 气 相 沉 积具 至 杆 芋 与 技 术 第 巧 卷和 常 压 化 学 气 相 沉 积 都 可 以 制 备 出 化 学 计 量 比 的 氮 化 硅 薄 膜 。 对 于 等 离子 增 强 化 学 气 相 沉 积 , 形 成 的 氮 化 硅 薄 膜 中 包 含 大 量 的 单 质 硅 , 膜 层 中 有

5、大 量 的氢 存 在 匡 。 而 最 近 的 研 究 重 点 则 是 氮 化 硅 薄 膜 的 制 备 工 艺 、 氮 化 硅 薄 膜 材 料 的 电 学 性 能 , 以及 离 子 束 、 电 子 束 对 氮 化 硅 薄 膜 的 辐 照 损 伤 效 应 一 。 目 前 , 对 于 氮 化 硅 薄 膜 制 备 工 艺 及 表面 结 构 与 热 稳 定 性 的 关 系 则 知 之 甚 少 。本 文 运 用 , 和 等 离 子 反 应 溅 射 沉 积 技 术 制 备 了 三 种 氮 化 硅 薄膜 , 研 究 了 这 三 种 氮 化 硅 薄 膜 的 表 面 结 构 和 组 成 , 以 及 氮 化 硅 薄

6、 膜 在 过 程 中 的 热 氧 化稳 定 性 。 此 外 , 还 研 究 了 离 子 束 损 伤 效 应 对 定 量 分 析 结 果 的 影 响 。 研 究 结 果 表 明 , 三 种 氮 化硅 薄 膜 的 含 量 , 从 高 到 低 依 次 是 , 和 薄 膜 。 三 种 氮 化 硅 薄 膜 层都 是 由 物 种 和 自 由 硅 物 种 组 成 。 薄 膜 具 有 最 高 的 热 氧 化 稳 定 性 。 虽 然法 制 备 的 氮 化 硅 薄 膜 也 具 有 出 色 的 热 稳 定 性 , 但 很 容 易 被 气 氛 中 的 残 余 氧 所 氧 化 。法 形 成 的 氮 化 硅 薄 膜 的

7、热 稳 定 性 最 差 , 很 容 易 发 生 热 分 解 。 此 外 , 离 子 和 离子 束 对 氮 化 硅 薄 膜 有 很 大 的 损 伤 作 用 , 可 以 使 氮 化 硅 发 生 脱 氮 分 解 反 应 而 形 成 单 质 硅 。 在 三种 氮 化 硅 薄 膜 中 , 薄 膜 最 易 被 离 子 束 损 伤 , 而 法 的 薄 膜 具 有 最 高 的 稳 定 性 。样 品 制 备 与 分 析氮 化 硅 薄 膜 的 制 备 和 热 处 理氮 化 硅 薄 膜 材 料 是 通 过 三 种 技 术 制 备 的 。 样 品 是 通 过 等 离 子 体 与 溅 射 硅的 反 应 而 获 得 的

8、。 基 片 材 料 为 型 半 导 体 硅 , 通 过 离 子 反 溅 射 清 除 硅 片 表 面 的 自 然 氧 化层 。 氮 化 硅 薄 膜 沉 积 在 面 基 片 上 , 沉 积 厚 度 为 。 薄 膜 则 是 在 低 温 情 况下 通 过 等 离 子 体 增 强 化 学 气 相 沉 积 方 法 制 备 的 。 通 过 和 在 的 基 片上 发 生 表 面 反 应 沉 积 厚 的 氮 化 硅 薄 膜 。 薄 膜 则 是 在 常 压 气 氛 条 件 下 制 备 的 。通 过 、 和 。 在 的 基 片 上 发 生 表 面 反 应 形 成 厚 的 氮 化 硅 薄 膜 。氮 化 硅 薄 膜 样

9、 品 的 热 处 理 是 在 快 速 热 退 火 炉 中 进 行 的 。 样 品 的 处 理 温 度 从 一 , 处 理 时 间 为 , 保 护 气 体 为 高 纯 氮 气 。薄 膜 的 表 面 分 析实 验 是 在 一 系 统 上 进 行 的 。 分 析 室 本 底 真 空 度 优 于 一 。 在样 品 分 析 时 , 采 用 。 激 发 源 , 功 率 为 , 能 量 分 析 器 的 通 能 为 通 过的 离 子 扫 描 剥 离 样 品 表 面 的 氧 化 层 , 离 子 束 束 斑 直 径 为 。俄 歇 能 谱 分 析 是 在 谱 仪 上 进 行 的 。 分 析 室 真 空 度 优 于

10、一 。 采 用同 轴 电 子 枪 和 能 量 分 析 器 , 分 析 器 的 能 量 分 辨 率 为 。 电 子 束 能 量 为 , 束流 为 拼 , 电 子 束 与 样 品 表 面 的 夹 角 为 。 。 俄 歇 谱 采 用 直 接 谱 方 式 , 并 通 过 直 线 扣 本 底 的方 法 以 获 得 较 高 的 信 噪 比 。 在 深 度 剖 析 过 程 中 , 氢 离 子 的 能 量 为 , 束 流 为 拌 , 离子 束 与 样 品 表 面 的 夹 角 为 。 。 对 于 热 氧 化 形 成 的 薄 膜 , 其 溅 射 速 率 为 , 离 子束 束 斑 直 径 为 。实 验 结 果氮 化

11、 硅 薄 膜 的 组 成 和 结 构第 期 朱 水 法 等 氮 化 硅 薄 膜 材 料 的 表 面 结 构 和 热 稳 定 性 研 究氮 化 硅 薄 膜 的 制 备 工 艺 对 材 料 的 成 分 、 结 构 和 稳 定 性 有 很 大 的 影 响 。 图 示 出 三 种 氮 化硅 薄 膜 的 俄 歇 深 度 剖 析 图 , 图 为 法 制 备 , 为 法 制 备 , 为法 制 备 。 结 果 表 明 三 种 氮 化 硅 薄 膜 表 面 均 有 部 分 氧 化 , 但 氧 化 层 非 常 薄 , 约 为 。 氮 化 硅与 硅 基 底 的 界 面 情 况 与 制 备 工 艺 有 关 。 法 制

12、备 过 程 中 使 用 了 和 离 子 的 反 溅 射 ,因 此 界 面 上 没 有 氧 存 在 , 但 样 品 有 氧 存 在 , 样 品 的 界 面 上 有 更 多 的 氧 存 在 。这 是 因 为 样 品 的 沉 积 温 度 较 高 , 硅 基 片 和 氧 反 应 形 成 的 氧 化 层 较 厚 。 此 外 三 种 氮 化硅 薄 膜 样 品 的 原 子 比 也 不 相 同 。 薄 膜 的 氮 含 量 最 低 , 原 子 比 为 ,卜 ,乙二 巴 曰 三 目 注 巴 巴 巴 巴 竺,省 “ 。 乙。示 口。一 脚。日。翁 小图 三 种 氮 化 硅 薄 膜 的 俄 歇 深 度 剖 析,愁 一

13、 一诬 虫 甲认一 口。一石薄 膜 和 薄 膜 的 比 分 别 为和 , 均 低 于 物 种 的 比 例。 图 示 出 三 种 氮 化 硅 薄 膜 层 的俄 歇 线 形 , 可 见 纯 物 种 和 单 质 硅 的俄 歇 动 能 分 别 为 和 , 三种 氮 化 硅 薄 膜 的 俄 歇 谱 均 可 解 析 为 能量 为 和 的 两 个 峰 , 这 结 果 说 明 三种 方 法 制 备 的 氮 化 硅 膜 层 均 是 由 物 种 和单 质 硅 组 成 。 膜 层 中 单 质 硅 的 含 量 与 制 备 工 艺有 关 , 法 制 备 的 氮 化 硅 薄 膜 的 含 量最 高 , 自 由 硅 含 量

14、最 低 薄 膜 次 之薄 膜 的 含 量 最 低 , 自 由 硅 含 量 最 高 。运 用 研 究 了 氮 化 硅 薄 膜 层 的 化 学 状态 , 的 谱 图 见 图 。 三 种 氮 化 硅 薄 膜多喘,图 氮 化 硅 薄 膜 层 的 俄 歇 线 形层 表 面 的 的 结 合 能 分 别 为 和 , 分 别 对 应 于 和 物 种 。 , 的结 合 能 为 , 说 明 膜 层 中 的 是 以 物 种 存 在 。 以 上 结 果 表 明 氮 化 硅 薄 膜 表 面 已被 氧 化 , 主 要 由 和 物 种 组 成 。 在 这 三 种 样 品 中 , 薄 膜 表 面 的 含 量 最 高 ,薄 膜

15、 次 之 , 薄 膜 含 量 最 低 。 , 和 薄 膜 表 面 的 原 子比 分 别 为 , 和 , 这 表 明 薄 膜 的 。 含 量 最 高 , 而 薄 膜 的 含 量最 低 。 在 氮 化 硅 膜 层 内 部 , 的 结 合 能 分 别 为 和 , 分 别 对 应 于 和 单真 空 科 学 与 技 术 第 卷补昌 的。脚一认匕 。尸一之 歹卫 具 互儿 确。呱 。图 三 种 氮 化 硅 薄 膜 表 面 及 膜 层 内 部 的 谱质 物 种 。 由 此 可 见 , 三 种 方 法 制 备 的 氮 化 硅 薄 膜 均 由 。 和 自 由 物 种 组 成 , 此 结 果 和的 结 论 是 一

16、 致 的 。 此 外 定 量 分 析 结 果 还 表 明 薄 膜 中 的 含 量 最 低 ,薄 膜 的 次 之 , 而 薄 膜 的 含 量 最 高 。 , 和 氮 化 硅 薄 膜 的原 子 比 分 别 为 , 和 。 这 些 值 均 低 于 纯 物 种 的 原 子 比 。 在含 量 测 定 上 , 的 结 果 要 比 和 的 结 果 高 。 从 谱 峰 解 叠 结 果 可 知 , 在, 和 氮 化 硅 膜 层 中 , 含 量 分 别 为 , , 。,一工碑八一正一多口唯口烈一曰, ,一实 验 结 果 同 样 也 表 明 氮 化 硅 薄 膜 的 组 成 与制 备 工 艺 有 关 。 原 子 比

17、从 低 到 高 的 次 序 是 卜, 和 , 与 深 度 剖 析 的 结 果一 致 。 薄 膜 样 品 经 热 处 理 后 , 仅 的 原子 比 不 变 。 本 文 还 运 用 一 光 谱 研 究 了 氮 化 硅 薄 膜 。的 成 键 状 态 , 结 果 见 图 。 从 图 可 见 , 红 外 光 谱 的 透 射率 与 薄 膜 的 制 备 方 法 有 关 。 氮 化 硅 薄 膜 的 透 卜射 率 最 低 , 薄 膜 次 之 , 而 薄 膜 的 透 射 率 盛 茄 万最 高 。 氮 化 硅 薄 膜 样 品 的 红 外 光 谱 由 三 个 吸 收 峰 组成 , 其 波 数 分 别 为 一 , ,

18、一 , 和 一 , 根 据 图文 献 , 可 知 , 一 波 数 的 峰 是 由 基 片 所 产生 的 , 一 的 峰 则 是 由 一 伸 缩 振 动 所 产 生 的 ,冬 。又 】三 种 氮 化 硅 薄 膜 的 红 外 光 谱即一 的 峰 则 是 由 基 片 上 的 一 键 所 产 生 。 此 外 , 红 外 光 谱 发 现 膜 层 中 没 有 一键 存 在 。 处 理 对 薄 膜 的 光 谱 的 振 动 频 率 没 有 影 响 , 但 可 以 增 加 薄 膜 的 红 外 透 射率 。 这 结 果 表 明 处 理 可 以 改 善 薄 膜 的 结 构 , 但 不 能 改 变 成 键 类 型 。

19、 此 外 , 还 运 用 二 次 离子 质 谱 研 究 了 氮 化 硅 薄 膜 的 组 成 和 成 键 情 况 , 研 究 结 果 表 明 , 在 氮 化 硅 薄 膜中 没 有 一 键 存 在 , 但 含 有 少 量 的 一 键 , 薄 膜 不 仅 含 有 一 键 , 而 且 还 含第 期 朱 永 法 等 氮 化 硅 薄 膜 材 料 的 表 面 结 构 和 热 稳 定 性 研 究有 一 键 , 薄 膜 含 有 大 量 的 一 键 和 一 键 。薄 膜 的 热 氧 化 稳 定 性热 氧 化 稳 定 性 对 氮 化 硅 薄 膜 的 性 能 有 重 要 的 作 用 。 俄 歇 深 度 剖 析 发 现

20、 处 理 对 氮化 硅 层 的 厚 度 没 有 影 响 , 在 氮 化 硅 薄 膜 与 硅 基 底 的 界 面 上 也 没 有 扩 散 现 象 发 生 。 氮 化 硅 薄 膜的 原 子 比 则 与 处 理 温 度 有 关 , 薄 膜 在 以 下 处 理 是 稳 定 的 但在 处 理 就 会 出 现 部 分 烧 蚀 高 于 处 理 , 薄 膜 将 被 完 全 烧 蚀 。 图 示 出 经 处 理 的 样 品 表 面 正 常 区 和 烧 蚀 区 的 俄 歇 深 度 剖 析 结 果 。 从 图 可 见 , 正常 区 的 原 子 比 为 , 而 烧 蚀 区 的 原 子 比 则 下 降 为 。 这 现 象

21、 表 明 烧 蚀 区 的 氮化 硅 薄 膜 发 生 了 脱 氮 分 解 反 应 。 图 为 经 过 处 理 后 的 氮 化 硅 薄 膜 正 常 区和 烧 蚀 区 的 俄 歇 定 性 分 析 结 果 , 可 知 在 样 品 的 烧 蚀 区 出 现 了 氮 化 硅 的 脱 氮 分 解 反 应 , 并 在 样品 表 面 形 成 结 碳 层 。 这 与 氮 化 硅 薄 膜 正 常 区 的 结 果 相 差 很 大 。看 口 置口 口 卜 犷 了卜 一 口否 ,八次 巴名口。召日。妇月,图 薄 膜 经 处 理 后 正 常 区 和 烧 蚀 区 的 深 度 分 析对 于 薄 膜 , 在 处 理 过 程 中 ,

22、虽 然 氮 化 硅 薄 膜 层 没 有 发 生 膜 层 的 烧 蚀 , 但 在 以 上 处 理 的 样 品 , 在 氮 化 硅 膜 层 中出 现 了 氧 化 现 象 , 氧 可 以 一 直 渗 透 到 膜 层 内 部 ,然 而 沉 积 层 的 原 子 比 不 受 氧 化 过 程 的 影响 。 图 示 出 经 处 理 后 的 薄膜 样 品 的 俄 歇 深 度 分 析 结 果 。 从 图 可 见 , 虽 然氮 化 硅 层 已 被 氧 化 , 但 原 子 的 比 例 基 本 保 持不 变 。 图 示 出 沿 样 品 深 度 方 向 的 俄 歇线 形 。 运 用 曲 线 拟 合 的 方 法 , 样 品

23、 表 面 的乙 峰 可 以 解 析 为 俄 歇 动 能 为 和 两 个 峰 , 其 分 别 对 应 于 和 物 种 , 。 在被 氧 化 的 氮 化 硅 膜 层 内 部 , 俄 歇 峰 也 可言 ,兰 欧 几 , 八 厅 瓦 又,图 薄 膜 经 处 理 后 的 俄 歇分 析真 空 科 学 与 技 术 第 卷解 析 为 俄 歇 动 能 为 和 的 两 个 峰 。 这 说 明 氧 化 的 氮 化 硅 膜 层 是 由 和 物种 组 成 , 未 氧 化 的 氮 化 硅 部 分 仍 由 和 自 由 组 成 。 这 结 果 说 明 氮 化 硅 薄 膜 层 的 氧 化 本质 是 膜 层 中 自 由 硅 的

24、热 氧 化 , 而 不 是 物 种的 氧 化 , 薄 膜 层 中 的 物 种 是 热 氧 化 稳 定 的 。热妇一巴石次 。已。图,图 薄 膜 经 处 理 后 的俄 歇 深 度 分 析经 处 理 后 薄 膜 不 同 深 度的 俄 歇 线 形诫离 子 束 损 伤氮 化 硅 薄 膜 很 容 易 被 电 子 束 和 离 子 束 损 伤 。 在 实 验 后 , 氮 化 硅 薄 膜 表 面 就 会 出 现亮 斑 , 这 是 离 子 束 产 生 的 损 伤 区 。 三 种 薄 膜 均 可 受 到 离 子 束 的 损 伤 。 离 子 束损 伤 使 得 氮 化 硅 薄 膜 的 原 子 比 下 降 , 表 明

25、引 起 了 氮 化 硅 的 脱 氮 分 解 反 应 。 薄膜 的 离 子 束 损 伤 最 严 重 , 原 子 比 从 下 降 到 , 而 薄 膜 和 薄 膜 的比 分 别 从 和 下 降 到 和 。 氮 化 硅 薄 膜 的 分 解 在 整 个 膜 层 范 围 内 是 很 均匀 的 。 线 形 也 表 明 离 子 束 的 损 伤 会 使 膜 层 中 的 组 分 降 低 , 单 质 硅 的 含 量 增加 , 氮 化 硅 薄 膜 经 “ 处 理 后 , 虽 然 离 子 束 损 伤 后 膜 层 也 会 出 现 高 亮 损 伤斑 , 但 俄 歇 深 度 分 析 获 得 的 原 子 比 和 未 损 伤 点

26、 一 致 , 这 结 果 说 明 俄 歇 深 度 剖 析 中 的离 子 束 损 伤 作 用 要 比 分 析 中 的 离 子 束 损 伤 大 得 多 。 此 外 , 还 说 明 经 处 理 可 以增 加 薄 膜 的 抗 离 子 束 损 伤 能 力 。结 果 讨 论从 和 的 研 究 结 果 可 知 , 由 三 种 不 同 工 艺 制 备 的 氮 化 硅 薄 膜 均 由 和 单 质硅 组 成 。 薄 膜 层 的 组 成 与 制 备 工 艺 有 关 , 并 且 各 分 析 技 术 获 得 的 结 果 也 不 相 同 。 分 析 方法 获 得 的 原 子 比 次 序 从 低 到 高 是 , 和 , 而

27、 和 的 顺 序则 为 , 及 。 与 及 结 果 不 同 是 由 离 子 束 损 伤 程 度 不 同 所引 起 的 。 分 析 中 , 分 析 结 果 与 样 品 表 面 成 分 一 致 。 在 用 离 子 束 清 洗 表 面 氧 化 层 后 , 虽然 也 存 在 离 子 束 损 伤 , 但 由 于 离 子 束 束 斑 大 , 束 流 密 度 低 , 因 此 对 样 品 的 损 伤 小 , 一键 基 本 不 会 发 生 断 裂 , 分 析 结 果 和 薄 膜 的 真 实 成 分 基 本 相 同 。 对 于 俄 歇 深 度 分 析 , 由 于 采 用第 期 朱 永 法 等 氮 化 硅 薄 膜

28、材 料 的 表 面 结 构 和 热 稳 定 性 研 究了 高 密 度 的 离 子 束 源 , 对 氮 化 硅 薄 膜 的 损 伤 较 为 严 重 。 该 种 损 伤 可 以 引 起 氮 化 硅 薄 膜 的 脱 氮分 解 反 应 。 因 此 , 深 度 分 析 获 得 的 原 子 比 要 低 于 薄 膜 的 真 实 成 分 。 对 于 实 验 ,也 由 于 子 束 的 损 伤 , 使 得 获 得 的 原 子 比 偏 低 。 但 其 损 伤 程 度 比 要 低 。 因 此 , 运用 和 方 法 不 能 获 得 氮 化 硅 沉 积 层 的 真 实 成 分 。 含 量 从 低 到 高 的 次 序 该

29、是, 和 。氮 化 硅 薄 膜 受 离 子 束 损 伤 的 本 质 是 高 能 离 子 束 的 辐 照 , 使 膜 层 中 一 键 断 裂 , 从 而 使膜 层 发 生 脱 氮 分 解 反 应 , 这 样 膜 层 中 含 量 就 降 低 。 一 般 来 说 , 物 种 中 的 一 键是 很 稳 定 的 , 离 子 束 的 损 伤 很 小 , 但 如 果 在 氮 化 硅 膜 层 中 含 有 较 弱 的 一 一 , 一 一键 时 , 膜 层 稳 定 性 较 差 , 这 种 一 键 就 容 易 被 离 子 束 打 断 , 形 成 脱 氮 分 解 。 由 于 离 子 的质 量 比 离 子 重 , 和

30、膜 层 的 作 用 主 要 是 非 弹 性 散 射 , 与 膜 层 的 能 量 交 换 要 比 离 子 高 得多 , 因 此 , 的 离 子 损 伤 要 比 的 离 子 损 伤 严 重 得 多 。 此 外 , 通 过 处 理 可以 使 较 弱 的 一 一 , 一 一 键 转 化 为 较 强 的 一 键 , 从 而 增 加 膜 层 的 稳 定 性 。俄 歇 深 度 分 析 的 结 果 表 明 , 氮 化 硅 薄 膜 具 有 非 常 高 的 热 氧 化 稳 定 性 。 即 使 膜 层 经过 处 理 , 在 氮 化 硅 界 面 上 也 没 有 扩 散 效 应 存 在 , 并 且 氮 化 硅 相 也

31、不 发 生 分解 。 薄 膜 在 以 下 处 理 , 热 氧 化 稳 定 , 但 在 处 理 , 氮 化 硅 薄 膜 层 就 会发 生 部 分 烧 蚀 。 在 烧 蚀 区 , 氮 化 硅 相 发 生 热 分 解 反 应 形 成 了 单 质 硅 。 由 于 烧 蚀 过 程 中 有 ,放 出 , 因 此 膜 层 不 会 被 气 氛 中 的 氧 化 。 当 温 度 高 于 时 , 氮 化 硅 薄 膜 层就 会 完 全 烧 蚀 。 因 为 工 艺 采 用 较 低 的 薄 膜 沉 积 温 度 , 在 形 成 的 膜 层 中 含 有大 量 的 一 和 一 键 , 因 此 形 成 的 氮 化 硅 薄 膜 不

32、 仅 原 子 比 很 低 , 并 且 含 有 大 量 的缺 陷 。 据 文 献 可 知 , 膜 层 可 以 含 有 高 达 的 。 许 多 原 子 和 原 子 与 成键 , 这 些 键 在 高 温 处 理 时 就 会 发 生 断 裂 , 释 放 出 和 , 使 膜 层 发 生 热 分 解 反 应 。对 于 氮 化 硅 沉 积 层 , 由 于 是 在 常 压 条 件 下 经 过 高 温 反 应 沉 积 的 膜 层 ,膜 层 中 所 含 的 一 , 一 键 量 较 少 。 因 此 热 稳 定 性 较 高 , 在 处 理 也 不 会 发 生分 解 。 但 由 于 膜 层 中 含 有 部 分 一 键

33、, 自 由 的 活 性 较 大 , 容 易 和 环 境 中 的 结 合 , 因 此膜 层 的 抗 氧 化 能 力 较 差 。 即 使 在 处 理 , 气 氛 中 的 残 余 就 可 以 使 氮 化 硅 膜 层 氧化 。 随 着 温 度 的 升 高 , 薄 膜 被 氧 化 的 深 度 也 相 应 增 加 。 俄 歇 线 形 也 表 明 , 氧 化 后的 膜 层 主 要 由 和 组 成 。 因 此 , 可 以 说 氮 化 硅 薄 膜 氧 化 的 本 质 是 膜 层 中 自由 硅 物 种 的 氧 化 , 而 物 种 热 氧 化 稳 定 。 这 结 果 还 表 明 薄 膜 具 有 较 多 的 结 构

34、缺陷 , 氧 可 以 进 入 膜 层 内 部 。 氮 化 硅 薄 膜 虽 然 膜 层 中 含 量 不 是 最 高 , 但 由 于 是 通 过等 离 子 体 和 溅 射 反 应 制 备 , 其 膜 层 结 构 完 善 。 膜 层 中 含 量 很 低 , 并 且 自 由 主 要 以活 性 较 低 的 单 质 存 在 , 不 和 气 氛 中 的 残 氧 反 应 , 因 此 膜 层 具 有 最 高 的 热 氧 化 稳 定 性 。三 种 氮 化 硅 薄 膜 样 品 经 过 离 子 辐 照 后 , 在 其 表 面 均 出 现 了 损 伤 点 。 俄 歇 深度 分 析 结 果 表 明 , 损 伤 点 的 原

35、 子 比 比 正 常 区 的 原 子 比 低 。 这 说 明 过 程 引 起了 脱 氮 分 解 反 应 , 并 且 由 于 离 子 的 作 用 深 度 大 于 拼 , 因 此 在 整 个 膜 层 深 度 内 其 损 伤 程度 是 很 均 匀 的 。 俄 歇 分 析 中 的 离 子 对 膜 层 的 损 伤 要 比 离 子 损 伤 大 得 多 。 一 方 面 是 因为 离 子 大 部 分 是 弹 性 碰 撞 , 和 膜 层 的 能 量 交 换 小 另 一 方 面 离 子 的 束 流 比 中离 子 的 束 流 小 得 多 。 对 于 离 子 溅 射 过 程 , 虽 然 能 量 较 低 , 但 由 于

36、 离 子 与 膜 层 的 作 用 较大 , 容 易 使 之 发 生 脱 氮 分 解 。 此 外 , 因 其 束 流 要 大 得 多 , 俄 歇 深 度 剖 析 过 程 的 离 子 束 损 伤 要 比的 大 。 在 分 析 中 虽 然 也 采 用 离 子 清 洁 样 品 表 面 , 但 由 于 束 流 密 度 较 低 , 对 膜 层真 空 科 学 与 技 术 第 卷的 损 伤 作 用 很 小 , 可 以 获 得 膜 层 的 正 确 成 分 。 而 离 子 束 损 伤 的 本 质 为 氮 化 硅 的 脱 氮 分解 反 应 , 不 能 运 用 电 子 束 辐 照 进 行 恢 复 。 不 难 看 出

37、, 法 制 备 的 氮 化 硅 薄 膜 具 有 最 好 的热 氧 化 稳 定 性 和 抗 离 子 束 损 伤 性 能 , 薄 膜 则 热 稳 定 性 和 抗 离 子 束 损 伤 性 能 最 差 。结 论氮 化 硅 薄 膜 的 制 备 方 法 对 膜 层 的 组 成 、 结 构 、 热 氧 化 稳 定 性 及 抗 离 子 束 损 伤 性 能 有很 大 的 影 响 。 由 于 离 子 束 损 伤 效 应 , 各 种 分 析 技 术 获 得 的 薄 膜 成 分 也 有 较 大 的 差 别 。 分析 的 结 果 比 和 的 结 果 更 接 近 膜 层 的 真 实 成 分 。 所 有 氮 化 硅 薄 膜

38、 都 由 影 。 和 自 由硅 组 成 , 其 中 薄 膜 含 有 最 高 的 物 种 , 而 薄 膜 的 含 量 最 低膜 层 的 结 构 最 完 善 , 膜 层 中 仅 含 有 少 量 的 一 键 , 不 含 一 键 , 而 和薄 膜 都 含 有 一 和 一 键 , 并 且 膜 层 中 含 有 大 量 的 一 和 一 键 。薄 膜 由 于 含 有 大 量 的 一 和 一 键 , 其 热 稳 定 性 和 抗 离 子 束 损 伤 能 力最 低 。 和 氮 化 硅 薄 膜 的 热 稳 定 性 和 抗 离 子 束 损 伤 性 能 均 较 高 , 但 由 于膜 层 有 较 多 的 缺 陷 和 较 多 的 一 键 存 在 , 膜 层 的 抗 氧 化 性 能 较 差 , 这 与 膜 层 中 的自 由 硅 有 关 。离 子 束 损 伤 的 本 质 是 氮 化 硅 薄 膜 中 的 一 键 的 断 裂 所 引 起 的 脱 氮 分 解 反 应 。溅 射 清 洗 的 损 伤 效 应 最 小 , 的 次 之 , 深 度 剖 析 的 损 伤 效 应 最 大 。参 考 文 献, ,以 , ,以 , ,亡 以 ,朱 永 法 物 理 化 学 学 报 ,