來源：國芯制造

一、氮化硅(SiNx)基礎(chǔ)認(rèn)知

在芯片制造這一復(fù)雜且精妙的領(lǐng)域中，氮化硅（SiNx）占據(jù)著極為重要的地位，絕大多數(shù)芯片的生產(chǎn)都離不開它的參與。從其構(gòu)成來看，氮化硅屬于無機(jī)化合物，由硅元素與氮元素共同組成。這種看似普通的元素組合，卻蘊(yùn)含著諸多獨特的性質(zhì)，在芯片制造流程里發(fā)揮著不可替代的作用 。

二、氮化硅（SiNx）化學(xué)式深度剖析

（一）氮元素價態(tài)的多樣性

氮元素因其特殊的電子結(jié)構(gòu)，擁有豐富多樣的價態(tài)表現(xiàn)。其原子核外具備 5 個價電子，這使得氮原子在與其他元素相互作用時，能夠通過不同方式共享電子，進(jìn)而展現(xiàn)出多種價態(tài)。在常見的化合物中，氮元素最穩(wěn)定的價態(tài)呈現(xiàn)為 -3 價，像我們熟知的氨（NH?）以及氮化鎵（GaN）等物質(zhì)便是如此。然而，氮元素并非局限于此，在特定條件下，它能夠失去電子，從而呈現(xiàn)出正價態(tài)，例如在硝酸（HNO?）中，氮元素便呈現(xiàn)出 +5 價態(tài)。此外，氮元素還能形成處于 -3 價與 +5 價之間的其他價態(tài)，諸如亞硝酸（HNO?）中的 +3 價態(tài)，在部分有機(jī)化合物里出現(xiàn)的 +1 價和 +2 價態(tài)。

（二）氮化硅材料的獨特性質(zhì)

氮化硅通常以 SiNx 來表示。它屬于一種非晶態(tài)材料，其各項性質(zhì)緊密依賴于氮和硅之間的比例關(guān)系，也就是 x 的值。只要 x 的值發(fā)生改變，氮化硅的物理性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)也會隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化。實際上，氮化硅存在著多種不同的形式，包括但不限于 Si?N?、Si?N?以及 SiN 等。其中，Si?N?屬于晶態(tài)材料，這意味著在該物質(zhì)中硅和氮的比例是固定不變的。當(dāng) x 的值恰好等于 4/3 時，SiNx 就等同于 Si?N?。但回歸到實際的生產(chǎn)應(yīng)用中，SiNx 大多呈現(xiàn)出非定比的狀態(tài)，其硅和氮的比例可以通過化學(xué)氣相沉積（CVD）過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控來實現(xiàn)靈活改變 。Si?N?有高的介電常數(shù)(即k值為6.9,CVD淀積的SiO?,k值為 3.9)，因而不能作為ILD and IMD絕緣介質(zhì)，它會導(dǎo)致導(dǎo)體之間大的電容。

三、SiNx 在芯片制造中的核心作用

（一）卓越的絕緣與隔離性能

氮化硅（SiNx）展現(xiàn)出極為出色的絕緣性能，其電阻率能夠高達(dá) 101? Ω?cm，相較于一些常見的絕緣材料，例如氧化硅（SiO?），有著顯著的優(yōu)勢。在芯片內(nèi)部，氮化硅層還承擔(dān)著關(guān)鍵的雜質(zhì)擴(kuò)散阻擋任務(wù)，它能夠有效地阻止硼、磷等摻雜物質(zhì)通過擴(kuò)散的方式改變器件原本的特性，同時也能夠防止金屬離子等的擴(kuò)散，從而避免出現(xiàn)短路等嚴(yán)重影響芯片性能的故障問題 。

（二）優(yōu)異的熱穩(wěn)定性

氮化硅擁有極佳的熱穩(wěn)定性，這一特性主要源于其特殊的化學(xué)性質(zhì)以及晶體結(jié)構(gòu)。在氮化硅的晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)中，每一個硅原子都會與四個氮原子以四面體的形式緊密結(jié)合在一起，同樣地，每一個氮原子也會與四個硅原子以四面體的形式相互連接。這樣獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得氮化硅的晶體格架具備極高的穩(wěn)定性，在面臨溫度變化時，不易發(fā)生形變?；诖耍谥圃旄唠娮舆w移率晶體管的過程中，氮化硅常常被選作柵極絕緣層，以確保晶體管在復(fù)雜的工作環(huán)境下能夠穩(wěn)定運行 。

四、SiNx 相對 SiO?的顯著優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的氧化硅（SiO?）相比，氮化硅（SiNx）在多個方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。首先，在熱穩(wěn)定性方面，SiNx 表現(xiàn)更為出色，能夠在更為嚴(yán)苛的溫度條件下保持自身性能的穩(wěn)定。其次，從硬度層面來看，SiNx 更硬，這使得其在應(yīng)對外界物理沖擊時具備更強(qiáng)的抵抗能力。此外，在刻蝕工藝中，SiNx 相較于 SiO?更難被刻蝕，這種特性在一些對芯片結(jié)構(gòu)精度要求極高的制造環(huán)節(jié)中，具有重要的應(yīng)用價值 。

五、氮化硅薄膜的制備方法及用途解析

（一）制備方法

LPCVD 氮化硅工藝：低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）工藝在進(jìn)行氮化硅薄膜制備時，需要處于高溫環(huán)境之中，一般溫度范圍設(shè)定在 700 - 800°C 之間。通過這種工藝制備出來的氮化硅薄膜，具有結(jié)構(gòu)致密的特點，相應(yīng)地，其具備較高的耐腐蝕性以及硬度，在掩膜性能方面表現(xiàn)尤為優(yōu)異，特別適用于作為在堿性溶液刻蝕硅材料過程中的掩膜層 。

PECVD 氮化硅工藝：與 LPCVD 工藝相比，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝具有顯著的溫度優(yōu)勢，它能夠在相對較低的溫度條件下，也就是低于 400°C 時進(jìn)行氮化硅薄膜的沉積工作。這一特性使得 PECVD 工藝能夠在與底層器件結(jié)構(gòu)相兼容的工作溫度區(qū)間內(nèi)完成氮化硅薄膜的沉積操作。雖然 PECVD 制備的氮化硅薄膜在致密程度上相對 LPCVD 薄膜稍顯遜色，但其具備更高的工藝靈活性，并且制備成本也更低 。PECVD Si?N?膜不同于化學(xué)計量配比,有時候?qū)懟騍ixNyHz。這個分子式點明了它的組成是非化學(xué)計量配比的，其中H的含量一般為9%~30%。下表比較了LPCVD和PECVD 氮化硅的性質(zhì)

通常情況下PECVD 氮化硅會增加膜的壓應(yīng)力，原因是淀積過程中的離子轟擊會破壞 Si-N 或 Si-H鍵。這個就涉及主流的應(yīng)變硅技術(shù)啦！

（二）用途

掩蔽膜用途：在實際應(yīng)用中，掩蔽膜通常會采用 LPCVD 工藝進(jìn)行沉積。這主要是因為通過 LPCVD 制備的氮化硅薄膜具有極為優(yōu)異的阻水性能。在熱氧化過程中，氮化硅掩蔽展現(xiàn)出了獨特的適用性，由于氧氣很難透過氮化硅進(jìn)行擴(kuò)散，從而能夠?qū)Ρ槐Ｗo(hù)區(qū)域起到良好的遮蔽作用 。同時還可以作為離子注入的阻擋層，因為氮化硅薄膜非常致密，可以阻擋離子的擴(kuò)散，從而應(yīng)用在MOS的側(cè)墻工藝當(dāng)中。

鈍化層用途：當(dāng)?shù)璞∧ぷ鳛殁g化層來使用時，展現(xiàn)出了眾多令人滿意的特性。PECVD 方法允許在與底層器件結(jié)構(gòu)工作溫度相兼容的條件下進(jìn)行薄膜沉積。該薄膜對于水分以及鈉離子等關(guān)鍵的環(huán)境污染物具有很強(qiáng)的抵御能力，幾乎不會受到它們的影響。而且，通過對 PECVD 工藝條件進(jìn)行合理調(diào)整，還能夠靈活地調(diào)控薄膜內(nèi)部的固有應(yīng)力，以此來有效消除薄膜可能出現(xiàn)的分層或者開裂風(fēng)險 。