專利名稱：低應(yīng)力超厚氮硅化合物薄膜沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子機(jī)械材料的制作方法，特別是低應(yīng)力超厚氮硅化合物薄膜沉積方法。
低應(yīng)力硅氮化合物通常稱為低應(yīng)力氮化硅，但是常規(guī)的氮化硅中硅氮比基本上保持3/4的比例，而‘低應(yīng)力氮化硅’的硅氮比遠(yuǎn)偏離了這一數(shù)值，已經(jīng)不能再稱之為氮化硅了，因此，我們這里稱之為硅氮化合物。
通常的硅氮化合物是采用LPCVD方法，以二氯二氫硅和氨氣為反應(yīng)源氣體，在750℃以上反應(yīng)沉積的。
反應(yīng)中使用的二氯二氫硅的量大于氨氣的量時(shí)，x小于1.3，這是低應(yīng)力氮化硅降低應(yīng)力的關(guān)鍵問題，即富硅生長。有文獻(xiàn)報(bào)道富硅生長的低應(yīng)力氮化硅厚度可以達(dá)到兩個(gè)微米。同樣有文獻(xiàn)報(bào)道通常的常規(guī)氮化硅薄膜超過2000時(shí)薄膜就又有可能發(fā)生龜裂。采用常規(guī)LPCVD方法在單晶硅上生長的氮化硅薄膜超過6000而在后面的半導(dǎo)體工藝中不發(fā)生龜裂的可能性幾乎沒有。這說明以SiH2Cl2和NH3為源的低應(yīng)力氮化硅薄膜的應(yīng)力水平有了一定的改善，但實(shí)驗(yàn)證明這種方法制作的低應(yīng)力氮化硅仍然含有一定的內(nèi)應(yīng)力，再厚就容易發(fā)生龜裂。在厚度方面的局限使低應(yīng)力氮化硅的應(yīng)用受到很大的限制，這種薄膜一般只用于做X射線光刻掩膜和微型膜片式器件的支撐薄膜以及一些振動(dòng)膜片的應(yīng)用(真空科學(xué)技術(shù)雜志，1982年11、12月第21期，1017-1021頁，“氮化硅單層X射線掩?！?。
通常的氮化硅材料的化學(xué)組成基本滿足Si/N＝3/4，所沉積的氮化硅薄膜是無定形的非晶態(tài)。薄膜具有較高的內(nèi)應(yīng)力，很薄，難淀積較厚的薄膜。由于Si3N4良好的抗酸堿腐蝕能力，是作為微電子行業(yè)腐蝕掩膜的最佳材料；高硬度，具有優(yōu)良的機(jī)械性能；良好的質(zhì)密性，良好的抗鈉離子遷移特性，是一種優(yōu)良的半導(dǎo)體器件鈍化材料。
但是，常規(guī)氮化硅雖然具有較強(qiáng)的抗酸堿腐蝕能力和高強(qiáng)度等良好的機(jī)械性能，但是較高的內(nèi)應(yīng)力使這種薄膜只能生長較薄的薄膜。而通常的低應(yīng)力氮化硅雖然能夠生長較厚薄膜但其厚度仍然不能達(dá)到利用氮化硅做三維立體加工的程度，因此，目前的氮化硅技術(shù)，在微機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大限制。因此，需要一種新方法生長厚的足以用來作三維立體加工的超低應(yīng)力氮化硅薄膜。能用于三維立體加工的新型薄膜材料的種類目前仍然較少。例如金剛石薄膜，能夠用于三維立體加工，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗酸堿腐蝕能力以及足夠的厚度。但是至今，所有的金剛石薄膜都是在高溫高壓下獲得的，而且硅片的表面要經(jīng)過特殊的處理，工藝條件要求比較高，與標(biāo)準(zhǔn)的IC工藝不能兼容，在微電子機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用范圍還是很?。涣硗庖环N材料是多晶硅薄膜，由于它的機(jī)械強(qiáng)度不如硅材料，抗酸堿腐蝕能力與硅相同，但遠(yuǎn)不如氮化硅和金剛石薄膜。采用常規(guī)半導(dǎo)體設(shè)備制出能夠進(jìn)行三維立體加工的氮化硅薄膜，在微電子機(jī)械領(lǐng)域是非常有用的。
本發(fā)明的目的是提供一種生長低應(yīng)力超厚氮硅化合物薄膜沉積方法，采用常規(guī)工藝設(shè)備，制出能夠用于微電子機(jī)械領(lǐng)域器件制造，能夠與集成電路技術(shù)相兼容的新型MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))材料。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主要特點(diǎn)是源為氬氣稀釋的SiH4，濃度為1-30％硅烷的流量為1.5-6L/min氨氣的流量為0.01-0.2L/min生長溫度為 750℃-1000℃硅烷和氨氣的比例為 25∶1-120∶1真空系統(tǒng)的抽速為15L/min-2000L/min本發(fā)明提出的方法能夠生長出一種內(nèi)應(yīng)力極低的低應(yīng)力氮化硅，采用普通的LPCVD(低壓化學(xué)氣相沉積)設(shè)備，在850℃，淀積厚度超過15微米的低應(yīng)力氮化硅。這種薄膜能夠進(jìn)行三維立體加工。由于其薄膜成分的硅氮比已經(jīng)遠(yuǎn)超出合理的氮化硅的硅氮比的范圍。
下面給出一種低壓化學(xué)氣相沉積生長低應(yīng)力超氮硅化合物的方法。硅烷(SiH4)和氨氣(NH3)在750℃以上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硅氮化合物。
x是硅和氮的比例系數(shù)。硅氮比是決定所沉積的薄膜內(nèi)應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù)之一，x接近4/3是薄膜的應(yīng)力最大，當(dāng)x小于1.3時(shí)隨著數(shù)值減小，薄膜內(nèi)應(yīng)力減小，所沉積的薄膜的極限厚度也隨著增大。使用下面的工藝流程可以生長出大于15微米的低應(yīng)力氮化硅。
源為氬氣稀釋的SiH4，濃度為1-30％硅烷的流量 1.5-6L/min氨氣的流量 0.01-0.2L/min硅烷和氨氣的比例25∶1-120∶1生長溫度750℃-1000℃真空系統(tǒng)的抽速為15L/min-2000L/min實(shí)施例以硅烷(SiH4)和氨氣(NH3)為源，在低氣壓下(低于一個(gè)大氣壓)，通過熱分解沉積硅氮化合物薄膜。源為氬氣稀釋的SiH4，濃度為5％，流量為3L/min；NH3流量為0.07L/min。保持硅烷和氨氣的比例為40∶1。生長時(shí)的真空度為70Pa。生長溫度為850℃。真空抽速增壓泵抽速30l/min。
本發(fā)明生長的氮化硅材料可以代替硅材料制作三維MEMS器件。以硅材料為襯底，沉積的超厚硅氮化合物薄膜，可以用于三維立體加工，用于制作MEMS的各種微結(jié)構(gòu)器件，例如微麥克風(fēng)、微諧振梁壓力計(jì)、微諧振膜片式壓力傳感器、微泵，微噴等；可用于這些器件的一部分的組成材料，例如微機(jī)械諧振梁壓力傳感器的諧振梁、微機(jī)械諧振膜壓力傳感器的諧振膜；還可以用作整個(gè)器件的主要組成材料，例如微機(jī)械諧振梁壓力傳感器的主要組成部分諧振梁和壓力敏感膜。
SiNx具有與普通氮化硅相同的良好的化學(xué)穩(wěn)定性，制作的器件能在較惡劣的環(huán)境中使用，而硅器件要進(jìn)行特殊的處理。
1，機(jī)械強(qiáng)度大于硅，更適合制作MEMS器件。
2，制作微機(jī)械器件的尺寸能夠精確控制。LPCVD方法沉積薄膜能夠精確控制厚度。因此用于制作微機(jī)械零件的尺寸時(shí)要達(dá)到同樣的尺寸，SiNx非常容易實(shí)現(xiàn)，而硅材料是相當(dāng)困難的。
3，低應(yīng)力SiNx可用于制作大面積懸浮膜片，這種大面積懸浮膜片是大規(guī)模集成化的膜片式微傳感器制作的關(guān)鍵技術(shù)。例如，大規(guī)模集成化的微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器就是在一張較大的膜片上集成許多功能不同的陣列化的氣敏傳感器，再采用模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理，從而構(gòu)成電子鼻。還可以在一張膜片上集成多種傳感器實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)化。
4，制作厚的硅氮化合物薄膜不需要對(duì)硅片表面進(jìn)行特殊處理，也沒有其他特殊要求。這一點(diǎn)優(yōu)于目前的金剛石薄膜。
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。
權(quán)利要求
1.一種低應(yīng)力超厚氮硅化合物薄膜沉積方法，其特征在于方法包括源為氬氣稀釋的SiH4，濃度為1-30％；硅烷的流量 1.5-6L/min；氨氣的流量 0.01-0.2L/min；硅烷和氨氣的比例25∶1-120∶1；生長溫度750℃-1000℃；真空系統(tǒng)的抽速為15L/min-2000L/min。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括生長時(shí)的真空度為20Pa-80Pa。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的方法包括源為氬氣稀釋的SiH4，濃度為5％；流量為3L/min；NH3流量為0.07L/min；保持硅烷和氨氣的比例為40∶1；生長溫度為850℃；真空抽速為增壓泵抽速30l/min。
4.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的真空度為70Pa。
全文摘要
一種低應(yīng)力超厚氮硅化合物薄膜沉積方法。源為氬氣稀釋的SiH
文檔編號(hào)C23C14/06GK1389589SQ0111594
公開日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2001年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月6日
發(fā)明者于中堯 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所