文章來源：芯學(xué)知

原文作者：芯啟未來

本文介紹了通過LPCVD制備氮化硅低應(yīng)力膜。

氮化硅膜在MEMS中應(yīng)用十分廣泛，可作為支撐層、絕緣層、鈍化層和硬掩膜使用。SiN極耐化學(xué)腐蝕，疏水性使它可以作為MEMS壓力傳感器、MEMS流量傳感器等的鈍化層使用。氮化硅的導(dǎo)電帶隙約為 5eV,比熱氧化物低很多,但它沒有淺施主和受主能級(jí)，所以表現(xiàn)為絕緣體。由于SiN具有約為1014Ω?cm的電阻率和107V/cm的介電強(qiáng)度,它通常作為絕緣層。同時(shí)，SiN具有良好的熱絕緣性約為20W/(m?K)和好的彈性模量約250GPa，使它常與SiO2組成復(fù)合支撐層使用。

氮化硅窗格是采用低應(yīng)力氮化硅膜最直接的應(yīng)用，其用量小，單價(jià)高。用于透射電鏡的氮化硅支撐膜窗格相比于傳統(tǒng)的銅網(wǎng)微柵具有熔點(diǎn)高、化學(xué)惰性強(qiáng)、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，主要用于原位加熱、液體環(huán)境或含碳樣品的透射電鏡(TEM)觀察實(shí)驗(yàn)。市面上要求的氮化硅窗格上表面的氮化硅厚度20nm~200nm，要求應(yīng)力接近零。通過LPCVD如何制備低應(yīng)力氮化硅呢？

LPCVD是低壓化學(xué)氣相沉積(low-pressure chemical vapor deposition)的縮寫，低壓主要是相對(duì)于常壓的APCVD而言，主要區(qū)別點(diǎn)就是工作環(huán)境的壓強(qiáng)，LPCVD的壓強(qiáng)通常只有10~1000Pa，而APCVD壓強(qiáng)約為101.325 KPa。

采用LPCVD制備化學(xué)計(jì)量比Si3N4，沉積溫度和壓強(qiáng)范圍分別為700~900°C和200~500 mTorr。此工藝制造出來的Si3N4膜具有1GPa以上的大應(yīng)力，易引起百納米厚的膜層斷裂和脫離。因此，想要用到LPCVD的SiN大于100nm的膜，必須制備出低應(yīng)力膜層。該薄膜通常被稱為富硅氮化硅，工藝中用過量硅淀積，其過量硅可通過在淀積過程增加SiH2Cl2 （DCS）和NH3的比值實(shí)現(xiàn)，通常比例越高，應(yīng)力越小。如果 SiH2Cl2/ NH3的值為6:1淀積溫度為850°C且壓強(qiáng)為500mTorr,那么淀積出的薄膜接近零應(yīng)力。

圖 SiH2Cl2 （DCS）和NH3的比值與應(yīng)力及片內(nèi)均勻性的關(guān)系（引用：張澤東《低壓化學(xué)氣相沉積制備低應(yīng)力氮化硅膜的研究》）

沉積過程一般可概括為以下步驟：

1）給定組成(和流量)的反應(yīng)氣體和用來稀釋的惰性氣體引入反應(yīng)室。實(shí)驗(yàn)中采用SiH2Cl2（DCS）和NH3作為反應(yīng)氣體，N2作為惰性氣體；

2）氣體物質(zhì)向襯底方向流動(dòng)；

3）襯底吸收反應(yīng)物；

4）被吸附的原子遷移進(jìn)行成膜化學(xué)反應(yīng)；

5）反應(yīng)的氣體副產(chǎn)物被排出反應(yīng)室。

圖 臥式LPCVD爐和立式LPCVD爐示意圖

沉積過程中有2點(diǎn)注意：1. 爐管入氣口和出氣口與爐管中心溫度差異達(dá)20°C，導(dǎo)致同一爐SiNx薄膜應(yīng)力出現(xiàn)大的波動(dòng)，提高中心溫度后，片間應(yīng)力差異低于3%；2. 遠(yuǎn)離入氣口硅片反應(yīng)氣體濃度低于入氣口，淀積的膜厚低于入氣口處。適當(dāng)增加反應(yīng)氣體流速。

與臥式LPCVD設(shè)備相比，立式LPCVD設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)為:1)工藝管為雙管式結(jié)構(gòu)，氣流場(chǎng)一致性好:2)顆粒度低，易于控制，維護(hù)周期長(zhǎng);3 )反應(yīng)室內(nèi)氧氣濃度低、自然氧化層薄。在結(jié)構(gòu)上，工藝腔采用雙管式結(jié)構(gòu)，內(nèi)管為直筒式結(jié)構(gòu)，以提高氣流場(chǎng)均勻性；增加舟旋轉(zhuǎn)功能，以提高晶圓表面的氣體濃度一致性。