LPCVD方法在多晶硅制备中的优势与挑战

文章来源：芯学知

原文作者：芯启未来

本文围绕单晶硅、多晶硅与非晶硅三种形态的结构特征、沉积技术及其工艺参数展开介绍，重点解析LPCVD方法在多晶硅制备中的优势与挑战，并结合不同工艺条件对材料性能的影响，帮助读者深入理解硅材料在先进微纳制造中的应用与工艺演进路径。

硅的形态

在半导体和MEMS工艺中，硅有三种形态，分别是单晶硅、多晶硅和非晶硅。区分这三者，主要看晶格结构：单晶硅晶格排列长程有序，短程有序；多晶硅晶格排列长程无序，短程有序；非晶硅长程无序，短程无序。通过XRD晶向分析即可快速区分硅的形态，一个尖峰的是单晶，多个尖峰的是多晶，馒头峰的是非晶。非晶硅和多晶硅可以在580°C实现转换，而单晶硅很难与多晶硅或者非晶硅相互转换。

图 硅的三种形态晶格示意图

硅的沉积方式

硅的沉积方式包括物理气相沉积和化学气相沉积，但在半导体和MEMS实际工艺流程中，几乎采用的都是化学气相沉积法。单晶硅薄膜主要通过MOCVD（金属氧化物化学气相沉积）制备外延层；非晶硅由于是低温工艺，常采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）；多晶硅则可以采用PECVD、APCVD（常压化学气相沉积）和LPCVD（低压化学气相沉积），若采用PECVD则需要一步退火，将非晶转多晶。

表 不同化学气相沉积的优缺点

LPCVD沉积多晶硅

工艺线上LPCVD炉管为大型卧式炉，其炉内温度从580C至650C且气压从100至400mTorr。最常用的气源是硅烷(SiH4)，硅烷在一定温度下实现热分解，生成硅。对于典型LPCVD工艺(例如200mTorr)，非晶到多晶的转变温度大约是580°C，一旦超过转变温度，淀积生成多晶硅薄膜。在625°C时，晶粒是大且柱状的，晶向主要是硅(110)；而在650°C至700°C之间，晶向(100)占主导地位。未掺杂的多晶硅电阻率很高，通常在在106~108Ω·cm。多晶硅降低电阻率的办法有2种，固态源扩散和离子注入，已了解的高剂量掺杂，多晶硅导电薄膜方阻低于10Ω/□。

图LPCVD炉示意图

采用LPCVD沉积多晶硅，主要的优势在于可以得到致密的、应力低的、台阶覆盖性好的和片内外均匀性好的高质量膜层。目前，产业上LPCVD多晶硅的材料特性为杨氏模量约150GPa，拉伸强度约1.2GPa，残余应力可以做到±50MPa。多晶硅膜层应力的情况与温度相关，不管淀积压强多大，在温度低于580°C时，应力是压应力。在600°C，应力是中等或较大张应力，但当淀积温度为620°C时，明显地转变为压应力。同时，LPCVD可以实现批量工艺，商用LPCVD炉可以一次容纳100片晶圆。

不足的是LPCVD沉积多晶硅，单次厚度最高2μm，高于则需要分次沉积，但是多次后也会造成膜层应力过大剥离脱落。如果要生长超过10μm多晶硅，如加速度计中的质量块，需要采用APCVD工艺，APCVD需要衬底温度＞1000°C及压强＞50Torr，沉积速率可达到1μm/min。由于APCVD的高温会使生成多晶硅与下层的SiO2层分离，一般也需要采用LPCVD沉积一层百纳米以下的多晶硅去作为缓冲层（种子层）。