LPCVD SiN 和 PECVD SiN 有什么区别？为您的设备选择合适的沉积方法

从核心来看，LPCVD 和 PECVD 沉积氮化硅 (SiN) 的主要区别在于驱动化学反应的能量来源。低压化学气相沉积 (LPCVD) 依赖于高热能（通常 >700°C），从而形成高质量、致密的薄膜。相比之下，等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 使用等离子体在低得多的温度（通常 200-400°C）下分解前驱体气体，使其适用于对温度敏感的基板。

LPCVD 和 PECVD 氮化硅的选择本质上是薄膜质量和热预算之间的权衡。LPCVD 以高温为代价提供卓越的薄膜，而 PECVD 则在足够低的温度下提供多功能、高质量的薄膜，以保护下层器件结构。

核心机制：热能与等离子体能量

LPCVD 和 PECVD 都是化学气相沉积 (CVD) 的形式，其中前驱体气体反应在基板上形成固体薄膜。关键区别在于它们如何提供分解这些气体化学键所需的能量。

LPCVD：高温方法

LPCVD 在低压炉中使用高温作为唯一的能量来源。

前驱体气体，通常是二氯硅烷 (SiH₂Cl₂) 和氨气 (NH₃)，被引入炉中。高温 (700-900°C) 提供启动形成氮化硅的表面化学反应所需的热能。

这个过程是表面反应限制的，这意味着薄膜生长速率由晶圆表面的反应速度控制，而不是由气体到达的速度控制。

PECVD：低温替代方案

PECVD 使用电场在反应室内部产生等离子体。

这种等离子体是一种高能电离气体，轰击前驱体分子（通常是硅烷 (SiH₄) 和氨气 (NH₃)）。这种能量转移在不需要极端热量的情况下高效地分解化学键。

因此，沉积可以在低得多的温度（200-400°C）下进行，保护晶圆上已有的对温度敏感的材料，如铝互连线。

比较关键的薄膜和工艺特性

能量来源的差异导致最终氮化硅薄膜和沉积工艺本身存在显著且可预测的变化。

薄膜化学计量和纯度

LPCVD 产生的薄膜几乎是完美的化学计量比 (Si₃N₄)。由于高温，来自氨气前驱体的氢被驱逐，从而形成非常纯净和稳定的薄膜。

PECVD 薄膜本质上是非化学计量比的，更准确地描述为 SiNₓ:H。它们含有大量的键合氢（通常为 10-30%），这会影响电性能和稳定性。

薄膜密度和应力

LPCVD 薄膜非常致密（通常约为 3.0 g/cm³），并具有高固有拉伸应力。这种高应力可能是厚膜的限制因素，因为厚膜可能会开裂。

PECVD 薄膜密度较低（约 2.5-2.8 g/cm³），而且关键的是，它们的应力可以工程化。通过调整射频功率和压力等工艺参数，薄膜应力可以从压缩应力调整到拉伸应力，这是器件制造的一个主要优势。

共形覆盖

LPCVD 提供出色的共形性。由于反应缓慢且受表面限制，薄膜在高度复杂的三维表面形貌上均匀沉积。

PECVD 的覆盖率明显较低，并且可能有些方向性。反应取决于等离子体中活性物质的到达，导致顶面上的薄膜比侧壁上的薄膜更厚。

理解权衡

在这两种方法之间进行选择需要清楚地了解它们的基本局限性和优势。

热预算限制

LPCVD 的高温是其最大的缺点。在低熔点材料（如铝）沉积到晶圆上之后，不能使用它。它的使用主要限于“前端”制造步骤。

PECVD 的低温是其主要优势。它使其成为“后端”工艺（如最终器件钝化）的默认选择，因为这些工艺的热预算非常有限。

沉积速率和吞吐量

LPCVD 是一种批处理工艺，数百个晶圆在炉管中同时进行处理。然而，每个晶圆上的沉积速率很慢。

PECVD 通常是单晶圆或小批量工艺，但其沉积速率远高于 LPCVD。对于许多应用，这会带来更好的整体工厂吞吐量。

质量与应用适用性

LPCVD SiN 是要求最高质量的应用的黄金标准，例如刻蚀掩模、氧化阻挡层和高性能电绝缘。

PECVD SiN 是一种多功能的主力，适用于不需要完美但低温至关重要的应用。它在作为最终钝化层（防止湿气和损坏）、抗反射涂层和层间电介质方面表现出色。

为您的应用做出正确选择

您的选择取决于您的工艺步骤和设备架构的具体要求。

• 如果您的主要关注点是最大薄膜质量和热稳定性：LPCVD 是其化学计量、致密和低氢薄膜的明确选择。
• 如果您的主要关注点是在对温度敏感的基板上沉积：PECVD 是唯一可行的选择，因为它采用低温等离子体驱动工艺。
• 如果您的主要关注点是可调薄膜应力或高吞吐量：PECVD 在控制薄膜应力方面具有显著优势，并提供更快的沉积速率。
• 如果您的主要关注点是在复杂形貌上进行完美共形涂层：LPCVD 提供远远优越的台阶覆盖，这对于沟槽隔离等应用至关重要。

最终，选择正确的氮化硅沉积方法取决于对您的设备热限制和最终性能要求的清晰理解。

总结表：

特性	LPCVD SiN	PECVD SiN
工艺温度	高 (700-900°C)	低 (200-400°C)
主要能量来源	热能	等离子体能量
薄膜化学计量	化学计量比 (Si₃N₄)	非化学计量比，富氢 (SiNₓ:H)
薄膜应力	高拉伸应力	可调（压缩至拉伸）
共形覆盖	优秀	中等至差
主要应用	刻蚀掩模，氧化阻挡层	最终钝化，层间电介质

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