CN1389589A - 低应力超厚氮硅化合物薄膜沉积方法 - Google Patents

Abstract

一种低应力超厚氮硅化合物薄膜沉积方法。源为氩气稀释的SiH₄,浓度为1－30%;硅烷的流量为1.5－6L/min;氨气的流量为0.01－0.2L/min;生长温度为750℃－1000℃;硅烷和氨气的比例为25∶1－120∶1;真空系统的抽速为15L/min－2000L/min。本发明提出的方法能够生长出一种内应力极低的低应力氮化硅,采用普通的LPCVD(低压化学气相沉积)设备,在850℃,淀积厚度超过15微米的低应力氮化硅。这种薄膜能够进行三维立体加工。

Description

低应力超厚氮硅化合物薄膜沉积方法

本发明涉及微电子机械材料的制作方法，特别是低应力超厚氮硅化合物薄膜沉积方法。

低应力硅氮化合物通常称为低应力氮化硅，但是常规的氮化硅中硅氮比基本上保持3/4的比例，而‘低应力氮化硅’的硅氮比远偏离了这一数值，已经不能再称之为氮化硅了，因此，我们这里称之为硅氮化合物。

通常的硅氮化合物是采用LPCVD方法，以二氯二氢硅和氨气为反应源气体，在750℃以上反应沉积的。

反应中使用的二氯二氢硅的量大于氨气的量时，x小于1.3，这是低应力氮化硅降低应力的关键问题，即富硅生长。有文献报道富硅生长的低应力氮化硅厚度可以达到两个微米。同样有文献报道：通常的常规氮化硅薄膜超过2000时薄膜就又有可能发生龟裂。采用常规LPCVD方法在单晶硅上生长的氮化硅薄膜超过6000而在后面的半导体工艺中不发生龟裂的可能性几乎没有。这说明以SiH₂Cl₂和NH₃为源的低应力氮化硅薄膜的应力水平有了一定的改善，但实验证明这种方法制作的低应力氮化硅仍然含有一定的内应力，再厚就容易发生龟裂。在厚度方面的局限使低应力氮化硅的应用受到很大的限制，这种薄膜一般只用于做X射线光刻掩膜和微型膜片式器件的支撑薄膜以及一些振动膜片的应用(真空科学技术杂志，1982年11、12月第21期，1017-1021页，“氮化硅单层X射线掩模”)。

通常的氮化硅材料的化学组成基本满足Si/N＝3/4，所沉积的氮化硅薄膜是无定形的非晶态。薄膜具有较高的内应力，很薄，难淀积较厚的薄膜。由于Si₃N₄良好的抗酸碱腐蚀能力，是作为微电子行业腐蚀掩膜的最佳材料；高硬度，具有优良的机械性能；良好的质密性，良好的抗钠离子迁移特性，是一种优良的半导体器件钝化材料。

但是，常规氮化硅虽然具有较强的抗酸碱腐蚀能力和高强度等良好的机械性能，但是较高的内应力使这种薄膜只能生长较薄的薄膜。而通常的低应力氮化硅虽然能够生长较厚薄膜但其厚度仍然不能达到利用氮化硅做三维立体加工的程度，因此，目前的氮化硅技术，在微机械领域的应用受到很大限制。因此，需要一种新方法生长厚的足以用来作三维立体加工的超低应力氮化硅薄膜。能用于三维立体加工的新型薄膜材料的种类目前仍然较少。例如金刚石薄膜，能够用于三维立体加工，有足够的机械强度和抗酸碱腐蚀能力以及足够的厚度。但是至今，所有的金刚石薄膜都是在高温高压下获得的，而且硅片的表面要经过特殊的处理，工艺条件要求比较高，与标准的IC工艺不能兼容，在微电子机械领域应用范围还是很小；另外一种材料是多晶硅薄膜，由于它的机械强度不如硅材料，抗酸碱腐蚀能力与硅相同，但远不如氮化硅和金刚石薄膜。采用常规半导体设备制出能够进行三维立体加工的氮化硅薄膜，在微电子机械领域是非常有用的。

本发明的目的是提供一种生长低应力超厚氮硅化合物薄膜沉积方法，采用常规工艺设备，制出能够用于微电子机械领域器件制造，能够与集成电路技术相兼容的新型MEMS(微电子机械系统)材料。

为实现上述目的，本发明的主要特点是：

源为氩气稀释的SiH₄，浓度为1-30％

硅烷的流量为        1.5-6L/min

氨气的流量为        0.01-0.2L/min

生长温度为          750℃-1000℃

硅烷和氨气的比例为  25∶1-120∶1

真空系统的抽速为15L/min-2000L/min

本发明提出的方法能够生长出一种内应力极低的低应力氮化硅，采用普通的LPCVD(低压化学气相沉积)设备，在850℃，淀积厚度超过15微米的低应力氮化硅。这种薄膜能够进行三维立体加工。由于其薄膜成分的硅氮比已经远超出合理的氮化硅的硅氮比的范围。

下面给出一种低压化学气相沉积生长低应力超氮硅化合物的方法。硅烷(SiH₄)和氨气(NH₃)在750℃以上发生化学反应生成硅氮化合物。

x是硅和氮的比例系数。硅氮比是决定所沉积的薄膜内应力的关键参数之一，x接近4/3是薄膜的应力最大，当x小于1.3时随着数值减小，薄膜内应力减小，所沉积的薄膜的极限厚度也随着增大。使用下面的工艺流程可以生长出大于15微米的低应力氮化硅。

源为氩气稀释的SiH₄，浓度为1-30％

硅烷的流量：          1.5-6L/min

氨气的流量：          0.01-0.2L/min

硅烷和氨气的比例：    25∶1-120∶1

生长温度：            750℃-1000℃

真空系统的抽速为15L/min-2000L/min

实施例

以硅烷(SiH₄)和氨气(NH₃)为源，在低气压下(低于一个大气压)，通过热分解沉积硅氮化合物薄膜。源为氩气稀释的SiH₄，浓度为5％，流量为3L/min；NH₃流量为0.07L/min。保持硅烷和氨气的比例为40∶1。生长时的真空度为70Pa。生长温度为850℃。真空抽速：增压泵抽速：30l/min。

本发明生长的氮化硅材料可以代替硅材料制作三维MEMS器件。以硅材料为衬底，沉积的超厚硅氮化合物薄膜，可以用于三维立体加工，用于制作MEMS的各种微结构器件，例如：微麦克风、微谐振梁压力计、微谐振膜片式压力传感器、微泵，微喷等；可用于这些器件的一部分的组成材料，例如微机械谐振梁压力传感器的谐振梁、微机械谐振膜压力传感器的谐振膜；还可以用作整个器件的主要组成材料，例如：微机械谐振梁压力传感器的主要组成部分：谐振梁和压力敏感膜。

SiNx具有与普通氮化硅相同的良好的化学稳定性，制作的器件能在较恶劣的环境中使用，而硅器件要进行特殊的处理。

1，机械强度大于硅，更适合制作MEMS器件。

2，制作微机械器件的尺寸能够精确控制。LPCVD方法沉积薄膜能够精确控制厚度。因此用于制作微机械零件的尺寸时要达到同样的尺寸，SiNx非常容易实现，而硅材料是相当困难的。

3，低应力SiN_x可用于制作大面积悬浮膜片，这种大面积悬浮膜片是大规模集成化的膜片式微传感器制作的关键技术。例如，大规模集成化的微结构气敏传感器就是在一张较大的膜片上集成许多功能不同的阵列化的气敏传感器，再采用模式识别技术进行信号处理，从而构成电子鼻。还可以在一张膜片上集成多种传感器实现传感器网络化。

4，制作厚的硅氮化合物薄膜不需要对硅片表面进行特殊处理，也没有其他特殊要求。这一点优于目前的金刚石薄膜。

5，硅氮化合物薄膜可用于比通常的MEMS器件更小尺寸的器件的加工。

Claims (4)

1.一种低应力超厚氮硅化合物薄膜沉积方法，其特征在于方法包括：

源为氩气稀释的SiH₄，浓度为1-30％；

硅烷的流量：          1.5-6L/min；

氨气的流量：          0.01-0.2L/min；

硅烷和氨气的比例：    25∶1-120∶1；

生长温度：            750℃-1000℃；

真空系统的抽速为15L/min-2000L/min。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：生长时的真空度为20Pa-80Pa。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的方法包括：

源为氩气稀释的SiH₄，浓度为5％；

流量为3L/min；

NH₃流量为0.07L/min；

保持硅烷和氨气的比例为40∶1；

生长温度为850℃；

真空抽速为增压泵抽速：30l/min。

4.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述的真空度为70Pa。