半导体 | 薄膜工艺（上）

随着电路尺寸的不断缩小，也开始通过增加淀积层数的方法，在垂直方向上进行拓展。在20世纪60年代，双极器件已经采用了化学气相淀积技术完成的双层结构，即外延层和顶部的二氧化硅钝化层。而早期的 MOS器件仅有***层钝化层。到20世纪90年代，先进的MOS器件具有4层金属内部连接,需要许多淀积层。这“堆叠"已经伴随更多金属层、器件方案和绝缘层。

• 组成或核粒(grain)尺寸
• 纯净度
• 薄膜需要具有均匀的厚度以同时满足电性能和机械性能的要求。淀积的薄膜必须是连续的，并且没有针孔，以阻止杂质的进入和防止层间短路。外延膜的厚度已经从5mm***缩小到亚微米***，由此想到，导体层的厚度成为阻抗来源的因素之***。此外，比较薄的层容易含有较多的针孔和比较弱的机械强度。其中，备受关注的是台阶部位的厚度维护。过薄的台阶部位的厚度可能导致器件中的电子短路和/或者引入并不需要的电荷。该问题在窄而深的孔和沟槽处显得尤为突出。我们称这种情形为高深宽比模式(high-aspect-ratiopattern)。深宽比为深度除以宽度。问题之***是淀积的薄膜在沟槽的边缘变薄；其二是在沟槽的底部变薄。在多层金属的结构中,高深宽比的沟槽的填充是***个主要问题。

  

  薄膜表面的平整性如同厚度***样重要。台阶和表面的粗糙度对图像形成的影响。淀积的薄膜必须平整、光滑，并且淀积的方法允许形成***小的台阶、裂隙和表面反射。

  无应力是对淀积的薄膜的另***种特性上的要求。淀积时附加额外应力的薄膜将通过裂隙的形成而释放此应力。裂隙的薄膜使薄膜的表面变粗，而且杂质也会渗透到晶圆内。严重时将导致短路。

  电容是淀积薄膜的另***个重要参数。半导体中的金属传导层需要高传导、低电阻和低电容的材料，也称为低值绝缘介质(low-k dielectrie)。传导层之间使用的绝缘介质层需要高电容或高上值的绝缘介质(high-kdielectric)。

  毫无疑问，淀积薄膜的数量和种类的增加促进了许多淀积技术的问世。20世纪60年代的工艺师只能选择常压化学气相淀积(CVD)，而***的工艺师则有更多的选择。

  

  四氯化硅在晶圆上形成硅沉积层

  淀积薄膜的生长需要几个不同的阶段。第***阶段是成核过程(nucleation)。该过程非常重要，并且与衬底的质量密切相关。起初，晶核在淀积了几个原子或分子的表面上形成。然后，这些原子或分子形成许多个小岛，进而长成为较大的岛。在第三阶段，这些岛向外扩散,***后形成连续的薄膜。薄膜长成特定的几百埃的阶段就是这样***个传输过程。传输过程的薄膜与***终的较厚的薄膜“体”有着不同的物理和化学性质!

  

  CVD系统有着多种多样的设计和配置。通过基本子系统的通用性分析，有助于对大部分CVD系统多样化的理解。大部分CVD系统的基本部分是相同的，如管式反应炉(已在第7章中描述)、气源柜、反应室、能源柜、晶圆托架(舟体),以及装载和卸载机械装置。在某些情况下，CVD系统则是***种专用的预氧化和扩散的管式反应炉。化学气源被存储在气源柜内。蒸气从压缩的气体瓶或液体发泡源中产生。气体流量通过调压器、质量流量计和计时器共同控制。

  

  CVD的工艺有着与氧化或扩散等相同的步骤。回顾***下，这些步骤包括预清洗(工艺要求的刻蚀)、淀积和评估。我们已经描述过清洗工艺，即用于去除微粒和可动的离子污染化学气相淀积，如氧化是以循环的方式进行的。***先，将晶圆装载到反应室内，装载过程通常是在惰性气体环境下进行的。然后，晶圆被加热到预定温度，将反应气体引入淀积薄膜的反应室内进行反应。***后，将参与反应的化学气体排出反应室，移出晶圆。薄膜的评估包括厚度、台阶覆盖、纯度、清洁度和化学成分。

  四、CVD系统分类

  CVD反应室设计

  在工作时，CVD系统使用两种能量供给源:热辐射和等离子体。热源是炉管、热板和频感应。与低压相结合的增强型等离子体淀积(PECVD)提供了特有的低温和优良的薄膜成分和台阶覆盖等优点。

  顾名思义，在常压CVD系统中反应和淀积是在常压下进行的。该系统有许多类别。

  ***先被广泛采用的CVD是在双极型器件中硅外延膜的淀积。基本系统的设计仍在使用。基本上是***个水平炉管式的反应炉,但有些显著的差别。***先，炉管有***个方形的截面。然而，主要的区别还在于加热的方法和晶圆的托架结构。

  具有水平基座的冷壁感应式APCVD

  

  2）桶式辐射感应加热 APCVD

  

  柱状或式辐射加热系统来自灯泡的热能辐射到晶圆表面，淀积在晶圆表面发生。虽然反应室的壁被部分加热，但是该系统接近于冷壁系统。直接的热辐射产生控制良好和生长均匀的薄膜。在热传输系统中，晶圆的加热从底部开始，当薄膜生长时，晶圆的表面有***些微小但可测量的温度下降。在桶式系统中，晶圆的表面总是面对着光源，这样可获取均匀的温度和薄膜生长速率。

  3） 饼式热感应 APCVD

  双子星座(Gemini)研究公司提出了饼式设计的生产型的变种，反应室采用电阻式辐射加热和是否具有机械手自动装载功能的大容量托架。

  

  4）连续传导加热APCVD

  移动热板APCVD

  

  5）水平热传导APCVD

  热板APCVD

  六、低压化学气相淀积(LPCVD)

  。

  较低的化学反应温度

• 采用垂直方式的晶圆装载，提高了生产率并降低了在微粒中的暴露

• 气相反应中微粒的形成时间较少

• 但该系统必须使用真空泵，以降低反应室内的压力。用于LPCVD系统的真空泵的类型将在金属化进行讨论。

  ***种应用于生产的LPCVD系统中采用水平炉管式反应炉，具有三个特殊性:***先，反应管与真空泵连接，将系统的压力降至0.25~2.0托;其次，中心区域的温度沿炉管倾斜以补偿气体的反应损耗;第三，在气体注入端配置了特殊的气体注入口，以改善气体的混合和淀积的均匀性。在***些系统中，注入器直接安装在晶圆的上方。这类系统设计的不足之处在于微粒会在墙体的内表面形成(热壁反应)，气流的均匀程度沿着炉管的方向变化。在晶圆的周围设置栅形装置可降低微粒污染，但由于经常清洗将引起较长的停机时间。

  

  这类系统广泛应用于多晶硅、氧化物和氮化物的淀积。典型的厚度均勾性达到主5%。此类系统的主要淀积参数是温度、压力、气体流量、气相压力和品圆间距。对每***种淀积工艺，均需要仔细调整这些参数及参数间的平衡。该系统的淀积率与AP系统相比，低于100~500/min,但由于采用垂直装载密度，生产效率明显提高。每次淀积的晶圆数可接近200片。

  低温淀积可以将晶格的损伤降至***小，并且降低的热预算反过来又将掺杂区域的横向扩散降至***小。方法之***就是在极低的真空条件下，进行硅和硅-锗(SiCe)的化学气相淀积。降低压力能够允许保持淀积温度处于低水平。超高真空CVD(UHV-CVD)反应在反应炉内发生，起始时，其内部压力可降至1~5x10-毫巴(mbar),淀积压力在10毫巴的数量***。

  氮化硅取代氧化硅作为钝化层,促进了增强型等离子体(PECVD)技术的发展。二氧化硅的淀积温度接近于660℃。这样的温度可能会导致铝合金与硅表面的相互连接。这是人们所不能接受的。解决该问题的方法之***就是采用增强的等离子体,增加淀积能量增强的能量允许在***高450℃的条件下,在铝层上进行淀积。从物理上讲，增强的等离子系统类似于等离子体刻蚀。它们都具有在低压下工作的平行板反应室，由射频引入的辉光放电，或其他等离子体源,用于在淀积气体内产生等离子体。低压与低温的结合提供了良好的薄膜均匀性和生产能力。

  水平垂直流PECVD:该系统遵循了底部饼式加热，垂直流CVD设计通过由电极板或其他等离子体射频，在反应室顶部形成等离子体。安装在晶圆托架下面的辐射加热器加热晶圆，形成冷壁淀积系统，用PECVD系统，除了标准的LPCVD反应室中的参数外，还要对其他几个重要参数进行控制。这些参数是射频功率密度、射频频率和周期占空比。总之，薄膜淀积的速度提高了，但必须有效控制和防止薄膜应力和/或裂纹。

  

  由诺发(Novellus)公司开发的另***种设计让晶圆固定在***系列电阻丝加热的承片架上这些晶圆在具有薄膜建立的反应腔周围按指针增加。

  (a)单腔平面式PECVD;(b)多腔室加工设备

  4）高密度等离子体 CVD

  实现这种工艺的系统是高密度等离子体CVD(High-DensityPlasmaCVD,HDPCVD)。在CVD反应室的内部形成等离子体场。该等离子场含有氧气和硅烷(Silane)，用以淀积二氧化硅。此外，还含有由等离子体中提供能量的氩离子，直接撞击晶圆表面，该现象称为溅射反应，从晶圆表面和沟槽中去除材料。HDPCVD具有淀积多种材料的潜能，用于IMD层、刻蚀终止层和***后的钝化层。

  
  

(文章来源于仪器网)