來源：國芯制造

一、氮化硅(SiNx)基礎認知

在芯片制造這一復雜且精妙的領域中，氮化硅（SiNx）占據(jù)著極為重要的地位，絕大多數(shù)芯片的生產(chǎn)都離不開它的參與。從其構成來看，氮化硅屬于無機化合物，由硅元素與氮元素共同組成。這種看似普通的元素組合，卻蘊含著諸多獨特的性質，在芯片制造流程里發(fā)揮著不可替代的作用 。

二、氮化硅（SiNx）化學式深度剖析

（一）氮元素價態(tài)的多樣性

氮元素因其特殊的電子結構，擁有豐富多樣的價態(tài)表現(xiàn)。其原子核外具備 5 個價電子，這使得氮原子在與其他元素相互作用時，能夠通過不同方式共享電子，進而展現(xiàn)出多種價態(tài)。在常見的化合物中，氮元素最穩(wěn)定的價態(tài)呈現(xiàn)為 -3 價，像我們熟知的氨（NH?）以及氮化鎵（GaN）等物質便是如此。然而，氮元素并非局限于此，在特定條件下，它能夠失去電子，從而呈現(xiàn)出正價態(tài)，例如在硝酸（HNO?）中，氮元素便呈現(xiàn)出 +5 價態(tài)。此外，氮元素還能形成處于 -3 價與 +5 價之間的其他價態(tài)，諸如亞硝酸（HNO?）中的 +3 價態(tài)，在部分有機化合物里出現(xiàn)的 +1 價和 +2 價態(tài)。

（二）氮化硅材料的獨特性質

氮化硅通常以 SiNx 來表示。它屬于一種非晶態(tài)材料，其各項性質緊密依賴于氮和硅之間的比例關系，也就是 x 的值。只要 x 的值發(fā)生改變，氮化硅的物理性質以及化學性質也會隨之產(chǎn)生相應的變化。實際上，氮化硅存在著多種不同的形式，包括但不限于 Si?N?、Si?N?以及 SiN 等。其中，Si?N?屬于晶態(tài)材料，這意味著在該物質中硅和氮的比例是固定不變的。當 x 的值恰好等于 4/3 時，SiNx 就等同于 Si?N?。但回歸到實際的生產(chǎn)應用中，SiNx 大多呈現(xiàn)出非定比的狀態(tài)，其硅和氮的比例可以通過化學氣相沉積（CVD）過程中的相關參數(shù)進行調控來實現(xiàn)靈活改變 。Si?N?有高的介電常數(shù)(即k值為6.9,CVD淀積的SiO?,k值為 3.9)，因而不能作為ILD and IMD絕緣介質，它會導致導體之間大的電容。

三、SiNx 在芯片制造中的核心作用

（一）卓越的絕緣與隔離性能

氮化硅（SiNx）展現(xiàn)出極為出色的絕緣性能，其電阻率能夠高達 101? Ω?cm，相較于一些常見的絕緣材料，例如氧化硅（SiO?），有著顯著的優(yōu)勢。在芯片內部，氮化硅層還承擔著關鍵的雜質擴散阻擋任務，它能夠有效地阻止硼、磷等摻雜物質通過擴散的方式改變器件原本的特性，同時也能夠防止金屬離子等的擴散，從而避免出現(xiàn)短路等嚴重影響芯片性能的故障問題 。

（二）優(yōu)異的熱穩(wěn)定性

氮化硅擁有極佳的熱穩(wěn)定性，這一特性主要源于其特殊的化學性質以及晶體結構。在氮化硅的晶體結構當中，每一個硅原子都會與四個氮原子以四面體的形式緊密結合在一起，同樣地，每一個氮原子也會與四個硅原子以四面體的形式相互連接。這樣獨特的結構設計，使得氮化硅的晶體格架具備極高的穩(wěn)定性，在面臨溫度變化時，不易發(fā)生形變。基于此，在制造高電子遷移率晶體管的過程中，氮化硅常常被選作柵極絕緣層，以確保晶體管在復雜的工作環(huán)境下能夠穩(wěn)定運行 。

四、SiNx 相對 SiO?的顯著優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的氧化硅（SiO?）相比，氮化硅（SiNx）在多個方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。首先，在熱穩(wěn)定性方面，SiNx 表現(xiàn)更為出色，能夠在更為嚴苛的溫度條件下保持自身性能的穩(wěn)定。其次，從硬度層面來看，SiNx 更硬，這使得其在應對外界物理沖擊時具備更強的抵抗能力。此外，在刻蝕工藝中，SiNx 相較于 SiO?更難被刻蝕，這種特性在一些對芯片結構精度要求極高的制造環(huán)節(jié)中，具有重要的應用價值 。

五、氮化硅薄膜的制備方法及用途解析

（一）制備方法

LPCVD 氮化硅工藝：低壓化學氣相沉積（LPCVD）工藝在進行氮化硅薄膜制備時，需要處于高溫環(huán)境之中，一般溫度范圍設定在 700 - 800°C 之間。通過這種工藝制備出來的氮化硅薄膜，具有結構致密的特點，相應地，其具備較高的耐腐蝕性以及硬度，在掩膜性能方面表現(xiàn)尤為優(yōu)異，特別適用于作為在堿性溶液刻蝕硅材料過程中的掩膜層 。

PECVD 氮化硅工藝：與 LPCVD 工藝相比，等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝具有顯著的溫度優(yōu)勢，它能夠在相對較低的溫度條件下，也就是低于 400°C 時進行氮化硅薄膜的沉積工作。這一特性使得 PECVD 工藝能夠在與底層器件結構相兼容的工作溫度區(qū)間內完成氮化硅薄膜的沉積操作。雖然 PECVD 制備的氮化硅薄膜在致密程度上相對 LPCVD 薄膜稍顯遜色，但其具備更高的工藝靈活性，并且制備成本也更低 。PECVD Si?N?膜不同于化學計量配比,有時候寫或SixNyHz。這個分子式點明了它的組成是非化學計量配比的，其中H的含量一般為9%~30%。下表比較了LPCVD和PECVD 氮化硅的性質

通常情況下PECVD 氮化硅會增加膜的壓應力，原因是淀積過程中的離子轟擊會破壞 Si-N 或 Si-H鍵。這個就涉及主流的應變硅技術啦！

（二）用途

掩蔽膜用途：在實際應用中，掩蔽膜通常會采用 LPCVD 工藝進行沉積。這主要是因為通過 LPCVD 制備的氮化硅薄膜具有極為優(yōu)異的阻水性能。在熱氧化過程中，氮化硅掩蔽展現(xiàn)出了獨特的適用性，由于氧氣很難透過氮化硅進行擴散，從而能夠對被保護區(qū)域起到良好的遮蔽作用 。同時還可以作為離子注入的阻擋層，因為氮化硅薄膜非常致密，可以阻擋離子的擴散，從而應用在MOS的側墻工藝當中。

鈍化層用途：當?shù)璞∧ぷ鳛殁g化層來使用時，展現(xiàn)出了眾多令人滿意的特性。PECVD 方法允許在與底層器件結構工作溫度相兼容的條件下進行薄膜沉積。該薄膜對于水分以及鈉離子等關鍵的環(huán)境污染物具有很強的抵御能力，幾乎不會受到它們的影響。而且，通過對 PECVD 工藝條件進行合理調整，還能夠靈活地調控薄膜內部的固有應力，以此來有效消除薄膜可能出現(xiàn)的分層或者開裂風險 。