LPCVD如何制备氮化硅低应力膜

氮化硅膜在MEMS中应用十分广泛，可作为支撑层、绝缘层、钝化层和硬掩膜使用。SiN极耐化学腐蚀，疏水性使它可以作为MEMS压力传感器、MEMS流量传感器等的钝化层使用。氮化硅的导电带隙约为 5eV,比热氧化物低很多,但它没有浅施主和受主能级，所以表现为绝缘体。由于SiN具有约为10¹⁴Ω•cm的电阻率和10⁷V/cm的介电强度,它通常作为绝缘层。同时，SiN具有良好的热绝缘性约为20W/（m•K）和好的弹性模量约250GPa，使它常与SiO₂组成复合支撑层使用。

氮化硅窗格是采用低应力氮化硅膜最直接的应用，其用量小，单价高。用于透射电镜的氮化硅支撑膜窗格相比于传统的铜网微栅具有熔点高、化学惰性强、强度高等特点，主要用于原位加热、液体环境或含碳样品的透射电镜(TEM)观察实验。市面上要求的氮化硅窗格上表面的氮化硅厚度20nm~200nm，要求应力接近零。通过LPCVD如何制备低应力氮化硅呢？

图 市面上氮化硅窗格售价

LPCVD是低压化学气相沉积(low-pressure chemical vapor deposition)的缩写，低压主要是相对于常压的APCVD而言，主要区别点就是工作环境的压强，LPCVD的压强通常只有10~1000Pa，而APCVD压强约为101.325 KPa。

采用LPCVD制备化学计量比Si₃N₄，沉积温度和压强范围分别为700~900°C和200~500 mTorr。此工艺制造出来的Si₃N₄膜具有1GPa以上的大应力，易引起百纳米厚的膜层断裂和脱离。因此，想要用到LPCVD的SiN大于100nm的膜，必须制备出低应力膜层。该薄膜通常被称为富硅氮化硅，工艺中用过量硅淀积，其过量硅可通过在淀积过程增加SiH₂Cl₂ （DCS）和NH₃的比值实现，通常比例越高，应力越小。如果 SiH₂Cl₂ / NH₃的值为6:1淀积温度为850°C且压强为500mTorr,那么淀积出的薄膜接近零应力。

图 SiH₂Cl₂ （DCS）和NH₃的比值与应力及片内均匀性的关系（引用：张泽东《低压化学气相沉积制备低应力氮化硅膜的研究》）

沉积过程一般可概括为以下步骤：

1）给定组成(和流量)的反应气体和用来稀释的惰性气体引入反应室。实验中采用SiH2Cl2（DCS）和NH3作为反应气体，N2作为惰性气体；

2）气体物质向衬底方向流动；

3）衬底吸收反应物；

4）被吸附的原子迁移进行成膜化学反应；

5）反应的气体副产物被排出反应室。

图 卧式LPCVD炉和立式LPCVD炉示意图

沉积过程中有2点注意：1. 炉管入气口和出气口与炉管中心温度差异达20°C，导致同一炉SiNx薄膜应力出现大的波动，提高中心温度后，片间应力差异低于3%；2. 远离入气口硅片反应气体浓度低于入气口，淀积的膜厚低于入气口处。适当增加反应气体流速。

与卧式LPCVD设备相比，立式LPCVD设备的主要优点为：1. 工艺管为双管式结构，气流场一致性好；2. 颗粒度低，易于控制，维护周期长；3. 反应室内氧气浓度低、自然氧化层薄。在结构上，工艺腔采用双管式结构，内管为直筒式结构，以提高气流场均匀性；增加舟旋转功能，以提高晶圆表面的气体浓度一致性。