氮化硅膜在MEMS中發(fā)揮關(guān)鍵作用,LPCVD技術(shù)助力低應(yīng)力氮化硅膜的制備。
氮化硅膜在MEMS中應(yīng)用十分**,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,但它沒有施主和受主能級,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的介電強度,它通常可以作為絕緣層。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(fù)合支撐層使用。
氮化硅窗格是低應(yīng)力氮化硅膜*直接的應(yīng)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(tǒng)的銅網(wǎng)微柵具有熔點高、化學(xué)惰性強、強度高等特點,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(yīng)力接近零。那么,通過LPCVD如何制備低應(yīng)力甚至零應(yīng)力的氮化硅薄膜呢?
LPCVD是低壓化學(xué)氣相沉積(low-pressurechemical vapor deposition)的縮寫,低壓主要是相對于常壓的APCVD而言,主要區(qū)別點就是工作環(huán)境的壓強,LPCVD的壓強通常只有10~1000Pa,而APCVD壓強約為101.3KPa。
采用LPCVD制備化學(xué)計量比Si3N4,沉積溫度和壓強范圍分別為700~900°C和200~500mTorr。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。實驗中采用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;
3)襯底吸收反應(yīng)物;
4)被吸附的原子遷移進行成膜化學(xué)反應(yīng);
5)反應(yīng)的氣體副產(chǎn)物被排出反應(yīng)室。
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(dǎo)致同一爐SiNx薄膜應(yīng)力出現(xiàn)大的波動,提高中心溫度后,片間應(yīng)力差異低于3%;2. 遠離入氣口硅片反應(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)點為:1) 工藝管為雙管式結(jié)構(gòu),氣流場一致性好;2) 顆粒度低,易于控制,維護周期長;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。
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