低应力LPCVD氮化硅沉积方法及其应用与流程

本技术涉及压力传感器芯片制造，尤其涉及一种低应力lpcvd氮化硅沉积方法及其应用。

背景技术：

1、mems压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应实现力-电信号转换，其芯片结构中感压膜片的力学特性直接决定传感器的灵敏度、线性度与长期稳定性。随着高精度、高可靠性压力传感器在汽车电子、工业控制、航空航天及医疗监护等领域的应用需求不断提升，感压膜片逐步向50μm以内超薄化方向发展，同时对芯片表面钝化层的力学稳定性、界面结合强度、致密防护性能及工艺兼容性提出了极为严苛的要求。钝化层不仅需要为敏感电阻及芯片表面提供电绝缘与物理保护，更需在感压膜片发生可控形变时具备足够低的残余应力以避免对膜片力学响应的干扰，同时具备优异的抗水汽渗透能力和工艺重复性，以确保传感器在宽温域、高湿等复杂工况下的零点稳定性与长期可靠性。

2、低压化学气相沉积（lpcvd）氮化硅（si3n4）薄膜因其优异的介电性能、较高的硬度与致密性、良好的台阶覆盖能力，长期以来被列为mems压力传感器芯片钝化层的首选材料方案。围绕lpcvd氮化硅沉积工艺，本领域已有大量研究与应用实践。常规工艺路线通常采用二氯硅烷（sih2cl2）与氨气（nh3）作为反应气源，在800～880℃温度范围、低压环境下进行热分解与化学反应，于硅衬底表面沉积非化学计量比或近化学计量比的氮化硅。为调控薄膜应力，已有技术尝试通过调整sih2cl2/nh3流量比值、改变沉积温度、引入退火处理等单一或组合手段进行优化。例如，部分方案通过降低沉积速率或减薄薄膜厚度来被动降低应力水平；另有方案通过在氮化硅中引入氧化硅复合层形成叠层结构以中和整体应力，或采用掺杂改性方式改变薄膜微观组织；还有方案采用常规炉管退火或快速热退火对沉积后薄膜进行热处理，以部分释放残余应力并降低氢杂质含量。此外，针对薄膜致密性与缺陷控制，已有技术通过调整沉积压力、优化气体流量总和或增加热表面改性处理等方式加以改善。

3、然而，上述现有技术方案在实际工程应用中均存在不同程度的固有缺陷与技术局限，核心问题在于始终无法打破lpcvd氮化硅力学性能、致密性与沉积效率之间的固有制衡关系。具体表现为：薄膜残余应力与沉积速率呈强耦合特性，通过常规参数调整改变应力时必然伴随沉积速率的大幅波动，导致低应力状态下沉积效率显著下降，难以兼顾性能与产能；薄膜应力极性缺乏主动调控手段，同一工艺窗口下拉应力与压应力状态难以实现按需切换，应力幅值随机波动致使批次一致性差；均质结构单层氮化硅在厚度方向无应力缓释机制，随着膜厚增加应力逐层累积，临界开裂厚度普遍仅能维持在150～200nm，难以满足超薄感压膜片对钝化层厚度与防护能力的双重需求；薄膜致密性与应力水平之间存在反向关联，低应力工艺往往伴随疏松结构、高针孔密度和高水汽渗透率，而高致密薄膜则必然引入较高残余应力，对超薄感压膜片的力学特性形成严重干扰。综上，现有技术方案制约了高精度mems压力传感器芯片的性能升级与规模化可靠制造，该瓶颈长期难以突破。

技术实现思路

1、本技术提供一种低应力lpcvd氮化硅沉积方法及其应用，以解决高精度mems压力传感器芯片的性能升级与规模化可靠制造被制约的技术问题。

2、本技术第一方面提供一种低应力lpcvd氮化硅沉积方法，所述方法包括：

3、选取双面抛光单晶硅片作为衬底，并对所述衬底执行清洗与烘干预处理；

4、采用低压化学气相沉积工艺在所述衬底表面沉积氮化硅；

5、在沉积氮化硅的过程中，通过调控二氯硅烷与氨气的流量比值，控制氮化硅的应力极性与残余应力值；通过调控二氯硅烷与氨气的流量总和，控制残余应力幅值以及氮化硅沉积速率；

6、在lpcvd反应室构建轴向温度梯度场；并采用脉冲分层交替沉积方式，将目标厚度的氮化硅拆分为多个子层逐层沉积，每层沉积后执行吹扫弛豫，以形成致密度由内向外递增且应力由拉应力向压应力渐变过渡的微观结构。

7、上述方法通过调控二氯硅烷与氨气的流量比值，控制氮化硅的应力极性与残余应力值；通过调控二氯硅烷与氨气的流量总和，控制残余应力幅值以及氮化硅沉积速率；通过轴向温度梯度场改善片内沉积均匀性；通过脉冲分层交替沉积以形成致密度由内向外递增且应力由拉应力向压应力渐变过渡的微观结构，改善薄膜应力累积与开裂问题，同时改善膜基界面结合状态。

8、可选的，所述低压化学气相沉积工艺的工艺参数包括：沉积温度为800℃~880℃，腔体内真空度为150mtorr~250mtorr，沉积时间为20min～40min。

9、采用800℃~880℃沉积温度、150mtorr~250mtorr腔体真空度及20min～40min沉积时间，有助于稳定低压化学气相沉积过程，改善氮化硅的沉积速率与厚度均匀性，同时有利于残余应力向近零区间调控，并促进薄膜致密结构与梯度应力分布的形成。

10、可选的，当二氯硅烷与氨气的流量总和固定为65ml/min时，所述二氯硅烷与氨气的流量比值为0.44~2.10，所述残余应力值调控范围为+301.87mpa至-49.55mpa。

11、通过将二氯硅烷与氨气的流量总和固定为65ml/min，其流量比值在0.44~2.10宽域可调，薄膜应力由+301.87mpa高拉应力连续过渡至-49.55mpa压应力，实现全区间应力极性可控切换。

12、可选的，所述轴向温度梯度场的进气口温度为830℃~840℃，中心区温度为840℃~850℃，尾管温度为850℃~860℃，且所述尾管温度高于所述进气口温度10℃~40℃。

13、采用进气口温度830℃~840℃，中心区温度840℃~850℃，尾管温度850℃~860℃的轴向温度梯度，有助于补偿反应气体沿流向的消耗与活性差异，改善整片晶圆各位置沉积速率的均匀性，进而提升氮化硅片内厚度与性能的一致性。

14、可选的，所述脉冲分层交替沉积方式的工艺参数为：沉积脉冲持续时间为10s～60s，吹扫弛豫停顿时间为5s～20s，单个沉积周期为15s～80s，所述吹扫弛豫过程中向所述lpcvd反应室通入氮气。

15、采用沉积脉冲10s～60s，吹扫停顿5s～20s，周期15s～80s的脉冲分层交替沉积方式，并在吹扫弛豫过程中通入氮气，可抑制lpcvd反应室内气相预反应与颗粒团聚，改善薄膜表面粗糙度，降低缺陷密度，同时促进每层薄膜生长应力的逐层弛豫，有利于形成致密度梯度与应力渐变微观结构。

16、可选的，所述沉积步骤之前，所述方法还包括：

17、向所述lpcvd反应室通入氯化氢，在预设高温条件下对所述衬底表面执行气相预处理，以去除所述衬底表面的损伤层与悬挂键。

18、采用氯化氢对衬底表面进行高温气相预处理，可去除衬底表面的损伤层与悬挂键，改善界面结合状态，降低界面缺陷密度，有利于增强后续氮化硅与衬底之间的结合附着力。

19、可选的，在沉积氮化硅之后，所述方法还包括：

20、在氮气或氩气气氛下，以800℃~900℃的温度对沉积有所述氮化硅的所述衬底进行30min～60min的原位退火，断裂脱除所述氮化硅中的氢-硅键与氢-氮键杂质键。

21、在氮气或氩气气氛下，800℃~900℃温度范围内对沉积氮化硅的衬底进行30min～60min原位退火，可断裂脱除薄膜中的氢-硅键与氢-氮键杂质键，降低薄膜氢含量，释放微观残余应力，改善薄膜结构稳定性。

22、可选的，在沉积氮化硅之后，所述方法还包括：

23、向所述lpcvd反应室通入流量为100ml/min~300ml/min的氧化亚氮气体，控制反应温度，处理时间为5min～30min，在所述氮化硅表面形成厚度为1nm~5nm的氧氮化硅钝化层。

24、采用300℃~500℃温度、100ml/min~300ml/min氧化亚氮流量、处理5min～30min的热表面改性工艺，在氮化硅表面形成1nm~5nm氧氮化硅钝化层，可封堵微孔针孔，降低boe刻蚀速率与水汽渗透率，改善薄膜致密性与防护性能。

25、可选的，所述方法还包括：

26、采用椭偏仪检测所述氮化硅的折射率；

27、当所述折射率大于或等于2.05时，判定所述氮化硅为合格薄膜。

28、采用椭偏仪检测氮化硅折射率，并以折射率≥2.05作为合格判定标准，可实现薄膜质量的快速无损检测，有利于量产过程中对薄膜性能的在线监控与质量控制。

29、本技术第二方面提供一种低应力lpcvd氮化硅沉积方法的应用，将第一方面所述的低应力lpcvd氮化硅沉积方法应用于mems压力传感器芯片的钝化层制备，在所述mems压力传感器芯片的衬底表面形成氮化硅钝化层。

30、将所述沉积方法应用于mems压力传感器芯片钝化层制备，可在芯片衬底表面形成氮化硅钝化层，有利于降低钝化层对感压膜片力学特性的干扰，改善传感器零点漂移性能与输出精度。

31、由以上技术方案可知，本技术提供一种低应力lpcvd氮化硅沉积方法及其应用，所述方法包括：选取双面抛光单晶硅片作为衬底，并对所述衬底执行清洗与烘干预处理；采用低压化学气相沉积工艺在所述衬底表面沉积氮化硅；在沉积氮化硅的过程中，通过调控二氯硅烷与氨气的流量比值，控制氮化硅的应力极性与残余应力值；通过调控二氯硅烷与氨气的流量总和，控制残余应力幅值以及氮化硅沉积速率；在lpcvd反应室构建轴向温度梯度场；并采用脉冲分层交替沉积方式，将目标厚度的氮化硅拆分为多个子层逐层沉积，每层沉积后执行吹扫弛豫，以形成致密度由内向外递增且应力由拉应力向压应力渐变过渡的微观结构，解决高精度mems压力传感器芯片的性能升级与规模化可靠制造被制约的技术问题。