文章來源：芯學知

原文作者：芯啟未來

本文圍繞單晶硅、多晶硅與非晶硅三種形態(tài)的結構特征、沉積技術及其工藝參數(shù)展開介紹，重點解析LPCVD方法在多晶硅制備中的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，并結合不同工藝條件對材料性能的影響，幫助讀者深入理解硅材料在先進微納制造中的應用與工藝演進路徑。

硅的形態(tài)

在半導體和MEMS工藝中，硅有三種形態(tài)，分別是單晶硅、多晶硅和非晶硅。區(qū)分這三者，主要看晶格結構：單晶硅晶格排列長程有序，短程有序；多晶硅晶格排列長程無序，短程有序；非晶硅長程無序，短程無序。通過XRD晶向分析即可快速區(qū)分硅的形態(tài)，一個尖峰的是單晶，多個尖峰的是多晶，饅頭峰的是非晶。非晶硅和多晶硅可以在580°C實現(xiàn)轉換，而單晶硅很難與多晶硅或者非晶硅相互轉換。

圖 硅的三種形態(tài)晶格示意圖

硅的沉積方式

硅的沉積方式包括物理氣相沉積和化學氣相沉積，但在半導體和MEMS實際工藝流程中，幾乎采用的都是化學氣相沉積法。單晶硅薄膜主要通過MOCVD（金屬氧化物化學氣相沉積）制備外延層；非晶硅由于是低溫工藝，常采用PECVD（等離子體增強化學氣相沉積）；多晶硅則可以采用PECVD、APCVD（常壓化學氣相沉積）和LPCVD（低壓化學氣相沉積），若采用PECVD則需要一步退火，將非晶轉多晶。

表 不同化學氣相沉積的優(yōu)缺點

LPCVD沉積多晶硅

工藝線上LPCVD爐管為大型臥式爐，其爐內溫度從580C至650C且氣壓從100至400mTorr。最常用的氣源是硅烷(SiH4)，硅烷在一定溫度下實現(xiàn)熱分解，生成硅。對于典型LPCVD工藝(例如200mTorr)，非晶到多晶的轉變溫度大約是580°C，一旦超過轉變溫度，淀積生成多晶硅薄膜。在625°C時，晶粒是大且柱狀的，晶向主要是硅(110)；而在650°C至700°C之間，晶向(100)占主導地位。未摻雜的多晶硅電阻率很高，通常在在106~108Ω·cm。多晶硅降低電阻率的辦法有2種，固態(tài)源擴散和離子注入，已了解的高劑量摻雜，多晶硅導電薄膜方阻低于10Ω/□。

圖LPCVD爐示意圖

采用LPCVD沉積多晶硅，主要的優(yōu)勢在于可以得到致密的、應力低的、臺階覆蓋性好的和片內外均勻性好的高質量膜層。目前，產業(yè)上LPCVD多晶硅的材料特性為楊氏模量約150GPa，拉伸強度約1.2GPa，殘余應力可以做到±50MPa。多晶硅膜層應力的情況與溫度相關，不管淀積壓強多大，在溫度低于580°C時，應力是壓應力。在600°C，應力是中等或較大張應力，但當?shù)矸e溫度為620°C時，明顯地轉變?yōu)閴簯?。同時，LPCVD可以實現(xiàn)批量工藝，商用LPCVD爐可以一次容納100片晶圓。

不足的是LPCVD沉積多晶硅，單次厚度最高2μm，高于則需要分次沉積，但是多次后也會造成膜層應力過大剝離脫落。如果要生長超過10μm多晶硅，如加速度計中的質量塊，需要采用APCVD工藝，APCVD需要襯底溫度＞1000°C及壓強＞50Torr，沉積速率可達到1μm/min。由于APCVD的高溫會使生成多晶硅與下層的SiO2層分離，一般也需要采用LPCVD沉積一層百納米以下的多晶硅去作為緩沖層（種子層）。