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MEMS制造的基本工艺 ——CVD与旋涂的沉积工艺

日期：2023-09-08 13:32:09 来源：网络整理作者：本站编辑评论：0

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关键词：#MEMS #CVD #旋涂工艺 #沉积工艺

上一节，我们介绍了外延、氧化、溅射、蒸发等沉积工艺。【工艺篇】MEMS制造的基本工艺 —— 外延、氧化、溅射、蒸发等沉积工艺

这节来介绍一下MEMS工艺图谱中的CVD与Spin-on工艺。其中CVD又可以细分为多种类型，是常见且重要的沉积工艺。

图-MEMS加工工艺图谱

化学气相沉积（Chemical vapor deposition）

化学气相沉积（CVD）的工作原理是在受控气氛中引发表面化学反应，从而导致反应物质沉积在加热的基材上。与上一节的溅射相反，CVD是一种高温工艺，通常在300°C以上进行。在IC行业对用于多层电互连的高质量、薄电介质和金属薄膜的需求的推动下，CVD技术发展已大幅增长。通过CVD沉积的常见薄膜包括多晶硅、硅氧化物和氮化物、钨、钛、钽等金属及其氮化物，以及最近的铜和低介电常数绝缘体（εr<3）。后两者正在成为IC行业中超高速电气互连的主力材料。而在MEMS领域，多晶硅、氧化硅和氮化物的CVD沉积是最常见的。

图-CVD反应

化学气相沉积工艺分为大气压CVD（称为APCVD，Atmospheric-pressure CVD）、低压CVD（LPCVD，Low-pressure CVD）或等离子体增强CVD（PECVD，Plasma-enhanced CVD），其中还包括高密度等离子体CVD（HDP-CVD，High-density plasma CVD）。

图-CVD基本类型APCVD LPCVD PECVD

APCVD和LPCVD工艺需要在相当高的温度（400°C–800°C）进行。而在PECVD和HDP-CVD中，在室温下等离子体沉积氮化硅是可行的，但衬底温度通常也要接近300°C。

沉积参数对薄膜特性的影响是显著的，特别是对于氧化硅和氮化硅等薄膜。这些参数包括了：衬底温度、气流、压力、及是否存在掺杂剂等，这些是所有类型CVD的重要变量。此外，功率和等离子体激发射频频率对于PECVD也很重要。

特别地，对于PECVD，需要在高频电磁场中进行，在这种环境中激发的高能电子与气体分子碰撞，形成离子和反应性中性物质。电子、离子和中性物质的混合物称为等离子体，构成了不同于固体、液体或气体的物质相。等离子体相操作增加了可以参与化学反应（无论是沉积还是蚀刻）的离子和中性物质的密度，因此可以加快反应速率。

图-PECVD反应环境

多晶硅（Poly silicon）的沉积

化学气相沉积工艺允许在硅基板上沉积多晶硅薄膜。薄膜厚度可以在几十纳米到几微米之间。甚至，具有多层的多晶硅薄膜的结构也是可行的。多晶硅是一种具有体硅特性的材料，易于沉积，使其成为表面微加工领域极具吸引力的材料。

图-MEMS中的多晶硅

多晶硅是通过在LPCVD反应器中将硅烷（SiH4）热解成硅和氢而沉积的。低温PECVD反应器中的硅烷沉积也是可能的，但会产生非晶硅（amorphous silicon）。LPCVD中的沉积温度通常在550°C至700°C之间，温度会影响薄膜的颗粒结构，如果低于约600°C，薄膜完全非晶态，在约630°C以上时，它呈现出晶粒结构。温度、硅烷气体的压力和流速也影响沉积速率。

图-LPCVD沉积多晶硅

一般来说，LPCVD多晶硅薄膜与晶圆上的底层形貌吻合良好，表现出良好的阶梯覆盖性。在纵横比（深度与宽度之比）超过10的深沟槽中，侧壁上会出现一定程度的薄膜变薄，但这并不限制使用多晶硅填充深达500μm的沟槽。

多晶硅可以在沉积过程中通过引入掺杂剂源气体进行掺杂，称为原位掺杂，特别是用于n型掺杂的砷或磷，以及用于p型掺杂的乙硼烷。砷和磷大大降低了沉积速率，约为未掺杂多晶硅的三分之一，而乙硼烷则提高了沉积速率。原位掺杂薄膜的电阻率保持在1至10mΩ·cm范围内。

掺杂的多晶硅薄膜的固有应力可能很大（>500MPa），应力可能是拉伸应力，也可能是压缩应力，具体取决于沉积温度。此外，薄膜厚度上通常存在应力梯度，这会导致释放后的微机械结构卷曲。所以需要在900°C或更高温度下进行退火，通过晶界的结构变化产生应力松弛，并将应力降低至微机械结构通常认为可接受的水平（<50MPa）和应力梯度。

二氧化硅（Silicon Dioxide）的沉积

通过在APCVD、LPCVD或PECVD反应器中使硅烷和氧气发生反应，在低于500°C的温度下沉积二氧化硅。由于与热生长氧化物的工艺（thermally grown oxide，简称热氧）相比温度较低，因此被称为低温氧化物（LTO，low-temperature oxide）。

图-二氧化硅沉积

沉积过程中可用磷或硼掺杂氧化硅。掺有磷的薄膜通常称为磷硅酸盐玻璃（PSG）；掺杂有磷和硼的玻璃被称为硼磷硅酸盐玻璃（BPSG）。当在接近1,000°C的温度下退火时，PSG和BPSG都会软化并流动，以符合下面的表面形貌并改善阶梯覆盖。LTO薄膜用于铝上的钝化涂层，但沉积温度必须保持在400°C以下，以防止下方金属降解。

也可以在650°C至750°C温度下，通过LPCVD对四乙氧基硅烷（也称为TEOS）的热解，沉积二氧化硅。从TEOS源沉积的二氧化硅层表现出优异的均匀性和阶梯覆盖性，但高温工艺使其无法在铝上使用。

与多晶硅LPCVD的情况一样，二氧化硅的沉积速率随着温度的升高而增加。低压下典型的LTO沉积速率在400°C时为25nm/min，在大气压和450°C时升至150nm/min；使用TEOS的沉积速率从650°C时的5nm/min到750°C时的50nm/min不等。

沉积的二氧化硅薄膜是无定形的，其结构类似于熔融二氧化硅。在高温（600°C–1,000°C）下进行退火会导致薄膜中掺入的氢逸出，密度略有增加，但非晶结构没有变化。这个过程称为致密化。

使用CVD方法沉积的二氧化硅作为金属层之间的介电绝缘体，或作为表面微加工中的牺牲层非常有用，后者使用氢氟酸蚀刻。然而，其电性能不如热生长二氧化硅。例如，CVD氧化硅的介电强度可以是热生长二氧化硅（简称热氧）的介电强度的一半，所以CMOS晶体管的栅极绝缘体一般采用后一种工艺类型。一般来说，CVD氧化硅处于压缩应力（100–300MPa）下。

图-CMOS晶体管的栅极中的二氧化硅

氮化硅（Silicon Nitrides）的沉积

氮化硅在半导体工业中常用于电子器件的钝化，因为它可以形成极好的保护屏障，防止水和钠离子的扩散。在微机械加工中，LPCVD氮化硅薄膜可有效用作在碱性溶液（例如氢氧化钾）中选择性蚀刻硅的掩模。氮化硅也已被用作结构材料。

图-氮化硅作为刻蚀掩模

氮化硅（Si3N4）通过硅烷（SiH4）和氨（NH3）反应在大气压下沉积，或者通过二氯硅烷（SiCl2H2）和氨反应在低压下沉积。沉积温度都在700°C至900°C之间。且都会产生副产品氢，其中一些会融入沉积薄膜中。APCVD和LPCVD氮化硅薄膜通常表现出接近1,000MPa的大拉伸应力。然而，如果LPCVD氮化硅在800°C–850°C温度下沉积，并且由于二氯硅烷流速大大增加而富含硅（薄膜中硅过量），则应力可低于100MPa，这是大多数微加工应用可接受的水平。

对于低于400°C的沉积，通过在PECVD室中使硅烷与氨或氮气反应获得非化学计量氮化硅（SixNy）。氢气也是该反应的副产品，并以较高浓度（20%–25%）融入薄膜中。折射率是氮化硅膜化学计量的间接量度。化学计量LPCVD氮化硅的折射率为2.01，PECVD薄膜的折射率范围在1.8到2.5之间。该范围内的高值表示硅过量，而低值通常表示氮过量。

图-氮化硅用于波导

PECVD氮化物的主要优点之一是能够在沉积过程中控制应力。在13.56MHz的等离子体激发频率下沉积的氮化硅表现出约400MPa的拉升应力，而在50kHz的频率下沉积的膜具有200MPa的压缩应力。通过在沉积期间交替频率，可以获得较低应力的薄膜。

旋涂工艺（Spin-On）

旋涂是一种沉积介电绝缘体和有机材料层的工艺。与前面的CVD不同，旋涂设备很简单，只需要一个带有适当安全屏障的变速旋转台，然后用喷嘴将材料以液体溶液的形式滴在晶圆的中心。旋转台以500至5,000rpm的速度旋转晶圆30至60秒，将材料铺展至均匀的厚度。

图-旋涂工艺

光刻胶和聚酰亚胺（PI）是常见的有机材料，可以在晶圆上旋涂，厚度通常在0.5至20μm之间，但一些特殊用途的光刻胶（例如基于环氧树脂的SU-8）可以超过200μm。有机聚合物通常悬浮在溶剂溶液中；随后的烘烤使溶剂蒸发，形成坚固的薄膜。

图-光敏PI胶

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