4-90  低压化学气相淀积工艺技术

吴嘉丽

低压化学气相淀积(LPCVD)设备主要为微电子机械系统(MEMS)在硅基片上淀积Si₃N₄、Poly-Si（多晶硅）、SiO₂薄膜。承担形成微传感器和微执行器的抗蚀层、结构层和牺牲层的加工任务。是MEMS技术中的主要生产工序之一，也可以用于集成电路钝化膜制备。

LPCVD是用机械泵和罗茨泵将反应室的气压降低到(0.065~6.5)´10² Pa。在反应室内，硅片竖直放在石英架上且与气流方向垂直，膜的均匀性与衬底表面温度的均匀性直接相关，温度约为550~800 ℃，采用能精确控制炉温的电阻加热炉(控温精度为±0.5℃)，可生长出质量高、均匀性好、成本低的多晶硅膜、二氧化硅膜、氮化硅膜和磷硅玻璃等钝化膜。主要工艺流程见图1。

 根据具体情况，采用低压化学汽相淀积设备来制备多晶硅、氮化硅和二氧化硅薄膜。其工艺方法如下：

（1）低压化学气相淀积Si₃N₄膜制作。本方法采用SiH₂Cl₂和NH₃化学反应原理来制备Si₃N₄薄膜。淀积温度约700~850 ℃，淀积速率约1.6~1.8 nm/min。

其化学反应式为3SiH₂Cl₂＋7NH₃ Si₃N₄↓＋3NH₄Cl↑+HCl↑+6H₂↑，反应生成的Si₃N₄淀积在硅片表面形成一层薄膜。微电子机械系统对Si₃N₄薄膜的厚度和（片内、片间、批间）均匀性有一定的要求。目前我们研制的氮化硅薄膜达到的技术指标为：片内均匀性小于± 2.0%，片间均匀性小于± 4.0%，批间均匀性小于± 4.0%。

（2）低压化学气相淀积Poly-Si膜制作。本方法采用硅烷（SiH4）热分解原理来制备Poly-Si（多晶硅）膜。淀积温度约600~700 ℃，淀积速率可达6~8 nm/min。其化学反应式:SiH₄     Si↓+ 2H₂↑，分解出的Si淀积在硅片表面形成一层薄膜。微电子机械系统对Poly-Si薄膜的厚度和（片内、片间、批间）均匀性有一定要求。目前我们研制的Poly-Si薄膜质量为，片内均匀性小于± 0.6%，片间均匀性小于± 3.0%，批间均匀性± 5.0%。

（3）低压化学气相淀积SiO₂膜制作。本方法采用正硅酸乙酯（英文缩写为TEOS）的热分解原理来制备SiO₂（二氧化硅）薄膜。淀积温度约650~750 ℃，淀积速率可达4~5.5 nm/min。其化学反应式:Si(OC₂H₅)₄     SiO₂↓+气态有机原子团+SiO+C，分解出来的SiO₂淀积在硅片表面形成一层薄膜。对这层薄膜的厚度和（片内、片间、批间）均匀性有一定的要求。目前研制的氮化硅薄膜，片内均匀性小于± 2.0%，片间均匀性小于± 2.5%，批间均匀性小于± 3.0%。

对制备3种薄膜工艺技术进行了研究，发现影响制备氮化硅、多晶硅和二氧化硅薄膜质量的主要因数有：(1)淀积速率与淀积压力有关；(2)淀积速率与反应温度有关；(3)淀积厚度分布与生长时间和温度有关；(4)膜厚度分布与气体流量有关；(5)与反应室内的气流模型有关；(6)多晶硅膜晶体结构与生长温度有关：生长温度600 ℃时，淀积膜为无定型的，是典型无序结构的非晶硅；生长温度600 ℃时，沉积膜为多晶硅结构；温度为600 ℃是LPCVD淀积多晶硅与非晶硅膜的临界温度。目前，制备的氮化硅薄膜厚度达到200 nm，多晶硅薄膜厚度达到2 µm，二氧化硅薄膜厚度达到2 µm。