硅的形态与沉积方式
文章来源：芯云知
原文作者：金末
优化硅的形态与沉积方式是半导体和mems工艺的关键，lpcvd和apcvd为常见的硅沉积技术。
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580°c至650°c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10e6~10e8ω·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）。
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