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器件仅有一层钝化层。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。

如下这些增加的层在器件或电路的结构中起着各种不同的作用:

• 淀积掺杂的硅层，称为外延层(epitaxiallayer)

• 金属间的绝缘介质层(IMD)

• 垂直(沟槽)电容器

• 金属间互连导电塞

• 金属导体层

• 最终的钝化层

MOS薄层的进化

一、 薄膜的参数

器件层必须满足一般参数和特殊参数的要求。特殊参数将在相关的单独层中给予注释在半导体中薄膜需要满足的一般标准包括:

• 厚度或均匀性
• 表面平整度或粗糙度
• 组成或核粒(grain)尺寸
• 无应力
• 纯净度
• 电容

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级缩小到亚微米级，由此想到，导体层的厚度成为阻抗来源的因素之一。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。问题之一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一个主要问题。

(b)为过薄的台阶部位沉积层

薄膜表面的平整性如同厚度一样重要。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最小的台阶、裂隙和表面反射。

淀积的薄膜必须具有所要求的均匀成分。许多反应是复杂的，且有可能淀积的薄膜含有的成分与所要求的成分不同。化学计量学(Stoichiometry)提供了对化学反应中的反应物和形成物的定量计算的方法。除化学的成分外，核粒(grain)尺寸具有同样的重要性。在淀积过程中，薄膜材料趋向于聚集或成核。在相同的成分和厚度的薄膜中，核粒尺寸上的变化也会产生电性能及机械性能上的差异，其原因在于流经核粒表面的电流会受到影响。机械特性也随着核粒界面大小而改变。

无应力是对淀积的薄膜的另一种特性上的要求。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。

纯净度，即在薄膜中不含有不需要的化学元素或分子,以保证薄膜执行预定的功能。例如外延层中含有氧的杂质将改变其电性能。纯度也包括可动离子沾污和微粒之外的其他物质。

电容是淀积薄膜的另一个重要参数。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)。

二、 化学气相淀积基础

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)，而今天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。第一阶段是成核过程(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,最后形成连续的薄膜。薄膜长成特定的几百埃的阶段就是这样一个传输过程。传输过程的薄膜与最终的较厚的薄膜“体”有着不同的物理和化学性质!

在传输膜形成之后，薄膜体开始生长。人们设计出了多种工艺，用以形成下面的3种结构:非晶体、多晶体和单晶体。对工艺的设置不当和控制不良,将导致薄膜结构上的错误。例如，在晶圆上生长单晶外延膜，但在晶圆上的氧化物未被去除于净的岛区，结果会在生长的薄膜当中生成多晶区域。

基本 CVD 系统构成

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系统则是一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。

实际的淀积发生在反应室内的晶圆上。加热用的能量可通过热传导、对流、射频、辐射等离子体或紫外线等来提供。能量释放在特定的相关部位。对于不同的反应，不同的薄膜厚度及制造参数，温度的变化范围可从空温到1250℃。系统的第四部分是晶圆托架。反应室配置及热源不同，托架的构造和材料也不同。大多数用于制造甚大规模集成电路(ULSI)的系统全部采用自动化的装载和卸载系统。完整的生产系统还包含了相应的清洗部分或清洗台和装卸片区。

三、CVD的工艺步骤

CVD的工艺有着与氧化或扩散等相同的步骤。回顾一下，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。首先，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。最后，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系统主要分为两种类型:常压(AP)和低压(LP)。除一些常压CVD系统(APCVD)外，大多数器件的薄膜是在低压系统中淀积的，也称为低压CVD或LPCVD。

CVD反应室设计

两种系统的另一个区别是热壁或冷壁。冷壁系统直接加热晶圆托架或晶圆，加热采用感应或热辐射方式，反应室壁保持冷的状态。热壁系统加热晶圆、晶圆托架和反应室壁。冷壁CVD系统的优点在于反应仅在加热的晶圆托架处进行。在热壁系统中，反应遍布整个反应室，反应物残留在反应室的内壁上，反应物的积聚需要经常清洗，以避免污染晶圆。

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。

用于淀积如砷化镓(CsAa)这样的化合物膜的特殊CVD系统称为气相外延(VPE)。其中用于淀积金属的较新型的技术是在VPE系统中采用有机金属(MOCVD)源。最后描述的一种淀积方法是非CVD分子束外延(MBE)法，该方法在低温下极易控制薄膜的淀积。

五、常压CVD 系统

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。

1）水平炉管-热感应式 APCVD

首先被广泛采用的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。基本上是一个水平炉管式的反应炉,但有些显著的差别。首先，炉管有一个方形的截面。然而，主要的区别还在于加热的方法和晶圆的托架结构。

晶圆被排放在一个扁平的石墨层板上,并放置在炉管内。炉管上缠绕着与射频发生器连接的铜线圈。线圈内传输的射频流经石英管和管内未被加热的流动气体传播，此为冷壁系统。当射频传播至石墨托架时，与石墨托架的分子耦合反应，引起石墨的温度升高。这种加热方法称为感应(imduction)式托架的热量以传导的方式输送给晶圆，薄膜淀积在晶圆的表面(托架表面也同时被淀积)。该系统存在的一个问题是,在横向流动的气流中伴随着气流的向下流动。系统需要的是层流气流，这样有利于减小涡流。但是，如果晶圆被平放在反应室内，接近晶圆表面的气流由于反应而被损耗，从而导致沿托架方向淀积的薄膜逐渐变薄。该问题可以通过调整石英晶圆托架的倾斜度得到改善。

具有水平基座的冷壁感应式APCVD

具有倾斜基座的冷壁感应式APCVD

2）桶式辐射感应加热 APCVD

在水平系统中，对更大直径的晶圆水平式放置，其装载密度低，并且更大的晶圆托架也会限制淀积的均匀性。桶式辐射加热系统解决了这些问题。该系统的反应室是一种柱状的不锈钢桶，在内部表面放置了高密度的石英加热器。晶圆被放置在石墨的支架上。该支架向桶的中心方向旋转。与水平系统相比，旋转后的晶圆可以有更均匀的薄膜厚度。

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，晶圆的表面有一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。

1987年，应用材料(Applied Material)公司引入了一种大的桶式系统,应用于更大直径的晶圆，该系统具有热感应系统的特点。该桶式反应室的主要优势在于通过每个周期增加晶圆数，提高了生产效率。该系统广泛应用在900℃~1250℃范围内的外延淀积。

3） 饼式热感应 APCVD

饼式或垂直APCVD系统受到了小型生产线和R&D实验室的钟爱。在该系统中，晶圆被放置在旋转的石墨托架上，并通过托架下面的射频线圈，以传导感应的方式给晶圆加热。反应气体通过管路流r入，在晶圆的上方流出。垂直气流具有持续供应新反应气体的优点，从而将向下流动的气体的损耗降到最小。旋转和垂直气流的结合产生良好的薄膜均匀性。类似于水平炉管式系统，饼式能够容纳的晶圆数量有限，在较小系统中的生产率受到限制。

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。

旋转饼式APCVD

4）连续传导加热APCVD

两种水平热传导的APCVD系统的功能是将反应室外的气体混合在一起，并将气体“喷洒”在晶圆上。其中一种设计是将被加热的板式晶圆托架在一系列的气体中前后移动;另一种系统将晶圆在传送带上运动,传送带处于高压之下,喷洒反应气体。

移动热板APCVD

连续热板APCVD

5）水平热传导APCVD

最初的CVD设计之一即为水平热传导APCVD系统,用于淀积二氧化硅钝化膜。在该系统中，晶圆被装载在不锈钢反应室内可拆卸的热板上，其中用热板加热晶圆和反应室壁(热壁系统)，反应室内充满了反应气体。

热板APCVD

六、低压化学气相淀积(LPCVD)

常压CVD系统的均匀性和工艺控制依赖于温度控制和系统中气流的动态特性。影响薄膜淀积的均匀性和阶梯覆盖性的因素之一是反应室内分子的平均自由程。分子自由程是一个分子在反应室内与另一种物体或分子,或与晶圆支架碰撞前移动的平均距离(路程)。碰撞改变了粒子的运动方向。自由程越长，薄膜淀积的均匀性越高。决定平均自由程大小的主要因素是系统内的压力。降低反应室内的压力可以增加平均自由程和薄膜的均匀性，也降低了淀积的温度。

1974年，业界得益于此的是Unicorp公司。在摩托罗拉(Motorola)公司的许可下，该公司引进了低压化学气相淀积(LPCVD)系统。此系统工作压力低于几百毫托。LPCVD的主要优点包括:

• 较低的化学反应温度

• 良好的台阶覆盖和均匀性

• 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

• 对气体流动的动态变化依赖性低

• 气相反应中微粒的形成时间较少

• 反应可在标准的管式反应炉内完成

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。

1） 水平对流热传导LPCVD

一种应用于生产的LPCVD系统中采用水平炉管式反应炉，具有三个特殊性:首先，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。在一些系统中，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。

水平式热壁LPCVD系统

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。对每一种淀积工艺，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。

2）超高真空 CVD

低温淀积可以将晶格的损伤降至最小，并且降低的热预算反过来又将掺杂区域的横向扩散降至最小。方法之一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毫巴的数量级。

3）增强型等离子体 CVD

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一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最高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。

PECVD反应室还具有在淀积前利用等离子体对品圆进行刻蚀和清洗的功能。该过程与在光刻工艺描述的干法刻蚀相类似。这种原位置处的清洗预备出淀积前的晶圆表面，清除了在装载过程中产生的污染。

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。

垂直流饼式PECVD

由诺发(Novellus)公司开发的另一种设计让晶圆固定在一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。

单片反应室PECVD系统的反应室较小，并且其余的晶圆暴露在特定的条件下，所以更需要有效的控制。通常，单片系统处理速度慢于批处理系统。与大反应室批处理设备相比，单片反应系统的生产效率的差异来源于晶圆快速进ru入反应室的方法和如何对真空的快速提升和释放。装载系统采用将晶圆放入预反应室，抽真空到预定的压力，然后将晶圆移送到淀积反应室的方式，增加生产效率。

(a)单腔平面式PECVD;(b)多腔室加工设备

桶式辐射加热PECVD:该系统是带有低压和等离子体能力的标准桶式加热系统。在特殊设计的晶圆舟上生成等离子体，是硅化钨常用的淀积方式。

4）高密度等离子体 CVD

金属层间介质(IDL)层对多层金属的结构极为重要。其主要的难题在对高深宽比(大于3:1)孔的填充上。一种途径是使淀积和原位(insitu)刻蚀有序进行。初始淀积时，通常底部较薄。将肩部刻蚀掉，然后再淀积，从而形成均匀的淀积层和较为平坦的表面。

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、刻蚀终止层和最后的钝化层。

未完待续......

参考文献：

(客服电话4001021226)

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