文章來源：芯學知

原文作者：芯啟未來

本文介紹了通過LPCVD制備氮化硅低應力膜。

氮化硅膜在MEMS中應用十分廣泛，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，所以表現為絕緣體。由于SiN具有約為1014Ω?cm的電阻率和107V/cm的介電強度,它通常作為絕緣層。同時，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組成復合支撐層使用。

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

LPCVD是低壓化學氣相沉積(low-pressure chemical vapor deposition)的縮寫，低壓主要是相對于常壓的APCVD而言，主要區別點就是工作環境的壓強，LPCVD的壓強通常只有10~1000Pa，而APCVD壓強約為101.325 KPa。

采用LPCVD制備化學計量比Si3N4，沉積溫度和壓強范圍分別為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的比值實現，通常比例越高，應力越小。如果 SiH2Cl2/ NH3的值為6:1淀積溫度為850°C且壓強為500mTorr,那么淀積出的薄膜接近零應力。

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

沉積過程一般可概括為以下步驟：

1）給定組成(和流量)的反應氣體和用來稀釋的惰性氣體引入反應室。實驗中采用SiH2Cl2（DCS）和NH3作為反應氣體，N2作為惰性氣體；

2）氣體物質向襯底方向流動；

3）襯底吸收反應物；

4）被吸附的原子遷移進行成膜化學反應；

5）反應的氣體副產物被排出反應室。

圖 臥式LPCVD爐和立式LPCVD爐示意圖

沉積過程中有2點注意：1. 爐管入氣口和出氣口與爐管中心溫度差異達20°C，導致同一爐SiNx薄膜應力出現大的波動，提高中心溫度后，片間應力差異低于3%；2. 遠離入氣口硅片反應氣體濃度低于入氣口，淀積的膜厚低于入氣口處。適當增加反應氣體流速。

與臥式LPCVD設備相比，立式LPCVD設備的主要優點為:1)工藝管為雙管式結構，氣流場一致性好:2)顆粒度低，易于控制，維護周期長;3 )反應室內氧氣濃度低、自然氧化層薄。在結構上，工藝腔采用雙管式結構，內管為直筒式結構，以提高氣流場均勻性；增加舟旋轉功能，以提高晶圓表面的氣體濃度一致性。