氮化硅在芯片制造中的核心作用

来源：国芯制造

一、氮化硅(SiNx)基础认知

在芯片制造这一复杂且精妙的领域中，氮化硅（SiNx）占据着极为重要的地位，绝大多数芯片的生产都离不开它的参与。从其构成来看，氮化硅属于无机化合物，由硅元素与氮元素共同组成。这种看似普通的元素组合，却蕴含着诸多独特的性质，在芯片制造流程里发挥着不可替代的作用 。

二、氮化硅（SiNx）化学式深度剖析

（一）氮元素价态的多样性

氮元素因其特殊的电子结构，拥有丰富多样的价态表现。其原子核外具备 5 个价电子，这使得氮原子在与其他元素相互作用时，能够通过不同方式共享电子，进而展现出多种价态。在常见的化合物中，氮元素最稳定的价态呈现为 -3 价，像我们熟知的氨（NH?）以及氮化镓（GaN）等物质便是如此。然而，氮元素并非局限于此，在特定条件下，它能够失去电子，从而呈现出正价态，例如在硝酸（HNO?）中，氮元素便呈现出 +5 价态。此外，氮元素还能形成处于 -3 价与 +5 价之间的其他价态，诸如亚硝酸（HNO?）中的 +3 价态，在部分有机化合物里出现的 +1 价和 +2 价态。

（二）氮化硅材料的独特性质

氮化硅通常以 SiNx 来表示。它属于一种非晶态材料，其各项性质紧密依赖于氮和硅之间的比例关系，也就是 x 的值。只要 x 的值发生改变，氮化硅的物理性质以及化学性质也会随之产生相应的变化。实际上，氮化硅存在着多种不同的形式，包括但不限于 Si?N?、Si?N?以及 SiN 等。其中，Si?N?属于晶态材料，这意味着在该物质中硅和氮的比例是固定不变的。当 x 的值恰好等于 4/3 时，SiNx 就等同于 Si?N?。但回归到实际的生产应用中，SiNx 大多呈现出非定比的状态，其硅和氮的比例可以通过化学气相沉积（CVD）过程中的相关参数进行调控来实现灵活改变 。Si?N?有高的介电常数(即k值为6.9,CVD淀积的SiO?,k值为 3.9)，因而不能作为ILD and IMD绝缘介质，它会导致导体之间大的电容。

三、SiNx 在芯片制造中的核心作用

（一）卓越的绝缘与隔离性能

氮化硅（SiNx）展现出极为出色的绝缘性能，其电阻率能够高达 10?? Ω?cm，相较于一些常见的绝缘材料，例如氧化硅（SiO?），有着显著的优势。在芯片内部，氮化硅层还承担着关键的杂质扩散阻挡任务，它能够有效地阻止硼、磷等掺杂物质通过扩散的方式改变器件原本的特性，同时也能够防止金属离子等的扩散，从而避免出现短路等严重影响芯片性能的故障问题 。

（二）优异的热稳定性

氮化硅拥有极佳的热稳定性，这一特性主要源于其特殊的化学性质以及晶体结构。在氮化硅的晶体结构当中，每一个硅原子都会与四个氮原子以四面体的形式紧密结合在一起，同样地，每一个氮原子也会与四个硅原子以四面体的形式相互连接。这样独特的结构设计，使得氮化硅的晶体格架具备极高的稳定性，在面临温度变化时，不易发生形变。基于此，在制造高电子迁移率晶体管的过程中，氮化硅常常被选作栅极绝缘层，以确保晶体管在复杂的工作环境下能够稳定运行 。

四、SiNx 相对 SiO?的显著优势

与传统的氧化硅（SiO?）相比，氮化硅（SiNx）在多个方面展现出明显的优势。首先，在热稳定性方面，SiNx 表现更为出色，能够在更为严苛的温度条件下保持自身性能的稳定。其次，从硬度层面来看，SiNx 更硬，这使得其在应对外界物理冲击时具备更强的抵抗能力。此外，在刻蚀工艺中，SiNx 相较于 SiO?更难被刻蚀，这种特性在一些对芯片结构精度要求极高的制造环节中，具有重要的应用价值 。

五、氮化硅薄膜的制备方法及用途解析

（一）制备方法

LPCVD 氮化硅工艺：低压化学气相沉积（LPCVD）工艺在进行氮化硅薄膜制备时，需要处于高温环境之中，一般温度范围设定在 700 - 800°C 之间。通过这种工艺制备出来的氮化硅薄膜，具有结构致密的特点，相应地，其具备较高的耐腐蚀性以及硬度，在掩膜性能方面表现尤为优异，特别适用于作为在碱性溶液刻蚀硅材料过程中的掩膜层 。

PECVD 氮化硅工艺：与 LPCVD 工艺相比，等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺具有显著的温度优势，它能够在相对较低的温度条件下，也就是低于 400°C 时进行氮化硅薄膜的沉积工作。这一特性使得 PECVD 工艺能够在与底层器件结构相兼容的工作温度区间内完成氮化硅薄膜的沉积操作。虽然 PECVD 制备的氮化硅薄膜在致密程度上相对 LPCVD 薄膜稍显逊色，但其具备更高的工艺灵活性，并且制备成本也更低 。PECVD Si?N?膜不同于化学计量配比,有时候写或SixNyHz。这个分子式点明了它的组成是非化学计量配比的，其中H的含量一般为9%~30%。下表比较了LPCVD和PECVD 氮化硅的性质

通常情况下PECVD 氮化硅会增加膜的压应力，原因是淀积过程中的离子轰击会破坏 Si-N 或 Si-H键。这个就涉及主流的应变硅技术啦！

（二）用途

掩蔽膜用途：在实际应用中，掩蔽膜通常会采用 LPCVD 工艺进行沉积。这主要是因为通过 LPCVD 制备的氮化硅薄膜具有极为优异的阻水性能。在热氧化过程中，氮化硅掩蔽展现出了独特的适用性，由于氧气很难透过氮化硅进行扩散，从而能够对被保护区域起到良好的遮蔽作用 。同时还可以作为离子注入的阻挡层，因为氮化硅薄膜非常致密，可以阻挡离子的扩散，从而应用在MOS的侧墙工艺当中。

钝化层用途：当氮化硅薄膜作为钝化层来使用时，展现出了众多令人满意的特性。PECVD 方法允许在与底层器件结构工作温度相兼容的条件下进行薄膜沉积。该薄膜对于水分以及钠离子等关键的环境污染物具有很强的抵御能力，几乎不会受到它们的影响。而且，通过对 PECVD 工艺条件进行合理调整，还能够灵活地调控薄膜内部的固有应力，以此来有效消除薄膜可能出现的分层或者开裂风险 。