隨著電路尺寸的不斷縮小，也開始通過增加淀積層數(shù)的方法，在垂直方向上進(jìn)行拓展。在20世紀(jì)60年代，雙極器件已經(jīng)采用了化學(xué)氣相淀積技術(shù)完成的雙層結(jié)構(gòu)，即外延層和頂部的二氧化硅鈍化層。而早期的 MOS器件僅有一層鈍化層。到20世紀(jì)90年代，先進(jìn)的MOS器件具有4層金屬內(nèi)部連接,需要許多淀積層。這“堆疊"已經(jīng)伴隨更多金屬層、器件方案和絕緣層。

如下這些增加的層在器件或電路的結(jié)構(gòu)中起著各種不同的作用:

• 淀積摻雜的硅層，稱為外延層(epitaxiallayer)

• 金屬間的絕緣介質(zhì)層(IMD)

• 垂直(溝槽)電容器

• 金屬間互連導(dǎo)電塞

• 金屬導(dǎo)體層

• 最終的鈍化層

MOS薄層的進(jìn)化

一、 薄膜的參數(shù)

器件層必須滿足一般參數(shù)和特殊參數(shù)的要求。特殊參數(shù)將在相關(guān)的單獨層中給予注釋在半導(dǎo)體中薄膜需要滿足的一般標(biāo)準(zhǔn)包括:

• 厚度或均勻性
• 表面平整度或粗糙度
• 組成或核粒(grain)尺寸
• 無應(yīng)力
• 純凈度
• 電容

薄膜需要具有均勻的厚度以同時滿足電性能和機(jī)械性能的要求。淀積的薄膜必須是連續(xù)的，并且沒有針孔，以阻止雜質(zhì)的進(jìn)入和防止層間短路。外延膜的厚度已經(jīng)從5mm級縮小到亞微米級，由此想到，導(dǎo)體層的厚度成為阻抗來源的因素之一。此外，比較薄的層容易含有較多的針孔和比較弱的機(jī)械強(qiáng)度。其中，備受關(guān)注的是臺階部位的厚度維護(hù)。過薄的臺階部位的厚度可能導(dǎo)致器件中的電子短路和/或者引入并不需要的電荷。該問題在窄而深的孔和溝槽處顯得尤為突出。我們稱這種情形為高深寬比模式(high-aspect-ratiopattern)。深寬比為深度除以寬度。問題之一是淀積的薄膜在溝槽的邊緣變薄；其二是在溝槽的底部變薄。在多層金屬的結(jié)構(gòu)中,高深寬比的溝槽的填充是一個主要問題。

(b)為過薄的臺階部位沉積層

薄膜表面的平整性如同厚度一樣重要。臺階和表面的粗糙度對圖像形成的影響。淀積的薄膜必須平整、光滑，并且淀積的方法允許形成最小的臺階、裂隙和表面反射。

淀積的薄膜必須具有所要求的均勻成分。許多反應(yīng)是復(fù)雜的，且有可能淀積的薄膜含有的成分與所要求的成分不同。化學(xué)計量學(xué)(Stoichiometry)提供了對化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)物和形成物的定量計算的方法。除化學(xué)的成分外，核粒(grain)尺寸具有同樣的重要性。在淀積過程中，薄膜材料趨向于聚集或成核。在相同的成分和厚度的薄膜中，核粒尺寸上的變化也會產(chǎn)生電性能及機(jī)械性能上的差異，其原因在于流經(jīng)核粒表面的電流會受到影響。機(jī)械特性也隨著核粒界面大小而改變。

無應(yīng)力是對淀積的薄膜的另一種特性上的要求。淀積時附加額外應(yīng)力的薄膜將通過裂隙的形成而釋放此應(yīng)力。裂隙的薄膜使薄膜的表面變粗，而且雜質(zhì)也會滲透到晶圓內(nèi)。嚴(yán)重時將導(dǎo)致短路。

純凈度，即在薄膜中不含有不需要的化學(xué)元素或分子,以保證薄膜執(zhí)行預(yù)定的功能。例如外延層中含有氧的雜質(zhì)將改變其電性能。純度也包括可動離子沾污和微粒之外的其他物質(zhì)。

電容是淀積薄膜的另一個重要參數(shù)。半導(dǎo)體中的金屬傳導(dǎo)層需要高傳導(dǎo)、低電阻和低電容的材料，也稱為低值絕緣介質(zhì)(low-k dielectrie)。傳導(dǎo)層之間使用的絕緣介質(zhì)層需要高電容或高上值的絕緣介質(zhì)(high-kdielectric)。

二、 化學(xué)氣相淀積基礎(chǔ)

毫無疑問，淀積薄膜的數(shù)量和種類的增加促進(jìn)了許多淀積技術(shù)的問世。20世紀(jì)60年代的工藝師只能選擇常壓化學(xué)氣相淀積(CVD)，而今天的工藝師則有更多的選擇。

四氯化硅在晶圓上形成硅沉積層

淀積薄膜的生長需要幾個不同的階段。第一階段是成核過程(nucleation)。該過程非常重要，并且與襯底的質(zhì)量密切相關(guān)。起初，晶核在淀積了幾個原子或分子的表面上形成。然后，這些原子或分子形成許多個小島，進(jìn)而長成為較大的島。在第三階段，這些島向外擴(kuò)散,最后形成連續(xù)的薄膜。薄膜長成特定的幾百埃的階段就是這樣一個傳輸過程。傳輸過程的薄膜與最終的較厚的薄膜“體”有著不同的物理和化學(xué)性質(zhì)!

在傳輸膜形成之后，薄膜體開始生長。人們設(shè)計出了多種工藝，用以形成下面的3種結(jié)構(gòu):非晶體、多晶體和單晶體。對工藝的設(shè)置不當(dāng)和控制不良,將導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)上的錯誤。例如，在晶圓上生長單晶外延膜，但在晶圓上的氧化物未被去除于凈的島區(qū)，結(jié)果會在生長的薄膜當(dāng)中生成多晶區(qū)域。

基本 CVD 系統(tǒng)構(gòu)成

CVD系統(tǒng)有著多種多樣的設(shè)計和配置。通過基本子系統(tǒng)的通用性分析，有助于對大部分CVD系統(tǒng)多樣化的理解。大部分CVD系統(tǒng)的基本部分是相同的，如管式反應(yīng)爐(已在第7章中描述)、氣源柜、反應(yīng)室、能源柜、晶圓托架(舟體),以及裝載和卸載機(jī)械裝置。在某些情況下，CVD系統(tǒng)則是一種專用的預(yù)氧化和擴(kuò)散的管式反應(yīng)爐。化學(xué)氣源被存儲在氣源柜內(nèi)。蒸氣從壓縮的氣體瓶或液體發(fā)泡源中產(chǎn)生。氣體流量通過調(diào)壓器、質(zhì)量流量計和計時器共同控制。

實際的淀積發(fā)生在反應(yīng)室內(nèi)的晶圓上。加熱用的能量可通過熱傳導(dǎo)、對流、射頻、輻射等離子體或紫外線等來提供。能量釋放在特定的相關(guān)部位。對于不同的反應(yīng)，不同的薄膜厚度及制造參數(shù)，溫度的變化范圍可從空溫到1250℃。系統(tǒng)的第四部分是晶圓托架。反應(yīng)室配置及熱源不同，托架的構(gòu)造和材料也不同。大多數(shù)用于制造甚大規(guī)模集成電路(ULSI)的系統(tǒng)全部采用自動化的裝載和卸載系統(tǒng)。完整的生產(chǎn)系統(tǒng)還包含了相應(yīng)的清洗部分或清洗臺和裝卸片區(qū)。

三、CVD的工藝步驟

CVD的工藝有著與氧化或擴(kuò)散等相同的步驟?；仡櫼幌?，這些步驟包括預(yù)清洗(工藝要求的刻蝕)、淀積和評估。我們已經(jīng)描述過清洗工藝，即用于去除微粒和可動的離子污染化學(xué)氣相淀積，如氧化是以循環(huán)的方式進(jìn)行的。首先，將晶圓裝載到反應(yīng)室內(nèi)，裝載過程通常是在惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行的。然后，晶圓被加熱到預(yù)定溫度，將反應(yīng)氣體引入淀積薄膜的反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。最后，將參與反應(yīng)的化學(xué)氣體排出反應(yīng)室，移出晶圓。薄膜的評估包括厚度、臺階覆蓋、純度、清潔度和化學(xué)成分。

四、CVD系統(tǒng)分類

CVD系統(tǒng)主要分為兩種類型:常壓(AP)和低壓(LP)。除一些常壓CVD系統(tǒng)(APCVD)外，大多數(shù)器件的薄膜是在低壓系統(tǒng)中淀積的，也稱為低壓CVD或LPCVD。

CVD反應(yīng)室設(shè)計

兩種系統(tǒng)的另一個區(qū)別是熱壁或冷壁。冷壁系統(tǒng)直接加熱晶圓托架或晶圓，加熱采用感應(yīng)或熱輻射方式，反應(yīng)室壁保持冷的狀態(tài)。熱壁系統(tǒng)加熱晶圓、晶圓托架和反應(yīng)室壁。冷壁CVD系統(tǒng)的優(yōu)點在于反應(yīng)僅在加熱的晶圓托架處進(jìn)行。在熱壁系統(tǒng)中，反應(yīng)遍布整個反應(yīng)室，反應(yīng)物殘留在反應(yīng)室的內(nèi)壁上，反應(yīng)物的積聚需要經(jīng)常清洗，以避免污染晶圓。

在工作時，CVD系統(tǒng)使用兩種能量供給源:熱輻射和等離子體。熱源是爐管、熱板和頻感應(yīng)。與低壓相結(jié)合的增強(qiáng)型等離子體淀積(PECVD)提供了特有的低溫和優(yōu)良的薄膜成分和臺階覆蓋等優(yōu)點。

用于淀積如砷化鎵(CsAa)這樣的化合物膜的特殊CVD系統(tǒng)稱為氣相外延(VPE)。其中用于淀積金屬的較新型的技術(shù)是在VPE系統(tǒng)中采用有機(jī)金屬(MOCVD)源。最后描述的一種淀積方法是非CVD分子束外延(MBE)法，該方法在低溫下極易控制薄膜的淀積。

五、常壓CVD 系統(tǒng)

顧名思義，在常壓CVD系統(tǒng)中反應(yīng)和淀積是在常壓下進(jìn)行的。該系統(tǒng)有許多類別。

1）水平爐管-熱感應(yīng)式 APCVD

首先被廣泛采用的CVD是在雙極型器件中硅外延膜的淀積?；鞠到y(tǒng)的設(shè)計仍在使用?；旧鲜且粋€水平爐管式的反應(yīng)爐,但有些顯著的差別。首先，爐管有一個方形的截面。然而，主要的區(qū)別還在于加熱的方法和晶圓的托架結(jié)構(gòu)。

晶圓被排放在一個扁平的石墨層板上,并放置在爐管內(nèi)。爐管上纏繞著與射頻發(fā)生器連接的銅線圈。線圈內(nèi)傳輸?shù)纳漕l流經(jīng)石英管和管內(nèi)未被加熱的流動氣體傳播，此為冷壁系統(tǒng)。當(dāng)射頻傳播至石墨托架時，與石墨托架的分子耦合反應(yīng)，引起石墨的溫度升高。這種加熱方法稱為感應(yīng)(imduction)式托架的熱量以傳導(dǎo)的方式輸送給晶圓，薄膜淀積在晶圓的表面(托架表面也同時被淀積)。該系統(tǒng)存在的一個問題是,在橫向流動的氣流中伴隨著氣流的向下流動。系統(tǒng)需要的是層流氣流，這樣有利于減小渦流。但是，如果晶圓被平放在反應(yīng)室內(nèi)，接近晶圓表面的氣流由于反應(yīng)而被損耗，從而導(dǎo)致沿托架方向淀積的薄膜逐漸變薄。該問題可以通過調(diào)整石英晶圓托架的傾斜度得到改善。

具有水平基座的冷壁感應(yīng)式APCVD

具有傾斜基座的冷壁感應(yīng)式APCVD

2）桶式輻射感應(yīng)加熱 APCVD

在水平系統(tǒng)中，對更大直徑的晶圓水平式放置，其裝載密度低，并且更大的晶圓托架也會限制淀積的均勻性。桶式輻射加熱系統(tǒng)解決了這些問題。該系統(tǒng)的反應(yīng)室是一種柱狀的不銹鋼桶，在內(nèi)部表面放置了高密度的石英加熱器。晶圓被放置在石墨的支架上。該支架向桶的中心方向旋轉(zhuǎn)。與水平系統(tǒng)相比，旋轉(zhuǎn)后的晶圓可以有更均勻的薄膜厚度。

柱狀或式輻射加熱系統(tǒng)

來自燈泡的熱能輻射到晶圓表面，淀積在晶圓表面發(fā)生。雖然反應(yīng)室的壁被部分加熱，但是該系統(tǒng)接近于冷壁系統(tǒng)。直接的熱輻射產(chǎn)生控制良好和生長均勻的薄膜。在熱傳輸系統(tǒng)中，晶圓的加熱從底部開始，當(dāng)薄膜生長時，晶圓的表面有一些微小但可測量的溫度下降。在桶式系統(tǒng)中，晶圓的表面總是面對著光源，這樣可獲取均勻的溫度和薄膜生長速率。

1987年，應(yīng)用材料(Applied Material)公司引入了一種大的桶式系統(tǒng),應(yīng)用于更大直徑的晶圓，該系統(tǒng)具有熱感應(yīng)系統(tǒng)的特點。該桶式反應(yīng)室的主要優(yōu)勢在于通過每個周期增加晶圓數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在900℃~1250℃范圍內(nèi)的外延淀積。

3） 餅式熱感應(yīng) APCVD

餅式或垂直APCVD系統(tǒng)受到了小型生產(chǎn)線和R&D實驗室的鐘愛。在該系統(tǒng)中，晶圓被放置在旋轉(zhuǎn)的石墨托架上，并通過托架下面的射頻線圈，以傳導(dǎo)感應(yīng)的方式給晶圓加熱。反應(yīng)氣體通過管路流r入，在晶圓的上方流出。垂直氣流具有持續(xù)供應(yīng)新反應(yīng)氣體的優(yōu)點，從而將向下流動的氣體的損耗降到最小。旋轉(zhuǎn)和垂直氣流的結(jié)合產(chǎn)生良好的薄膜均勻性。類似于水平爐管式系統(tǒng)，餅式能夠容納的晶圓數(shù)量有限，在較小系統(tǒng)中的生產(chǎn)率受到限制。

雙子星座(Gemini)研究公司提出了餅式設(shè)計的生產(chǎn)型的變種，反應(yīng)室采用電阻式輻射加熱和是否具有機(jī)械手自動裝載功能的大容量托架。

旋轉(zhuǎn)餅式APCVD

4）連續(xù)傳導(dǎo)加熱APCVD

兩種水平熱傳導(dǎo)的APCVD系統(tǒng)的功能是將反應(yīng)室外的氣體混合在一起，并將氣體“噴灑”在晶圓上。其中一種設(shè)計是將被加熱的板式晶圓托架在一系列的氣體中前后移動;另一種系統(tǒng)將晶圓在傳送帶上運動,傳送帶處于高壓之下,噴灑反應(yīng)氣體。

移動熱板APCVD

連續(xù)熱板APCVD

5）水平熱傳導(dǎo)APCVD

最初的CVD設(shè)計之一即為水平熱傳導(dǎo)APCVD系統(tǒng),用于淀積二氧化硅鈍化膜。在該系統(tǒng)中，晶圓被裝載在不銹鋼反應(yīng)室內(nèi)可拆卸的熱板上，其中用熱板加熱晶圓和反應(yīng)室壁(熱壁系統(tǒng))，反應(yīng)室內(nèi)充滿了反應(yīng)氣體。

熱板APCVD

六、低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)

常壓CVD系統(tǒng)的均勻性和工藝控制依賴于溫度控制和系統(tǒng)中氣流的動態(tài)特性。影響薄膜淀積的均勻性和階梯覆蓋性的因素之一是反應(yīng)室內(nèi)分子的平均自由程。分子自由程是一個分子在反應(yīng)室內(nèi)與另一種物體或分子,或與晶圓支架碰撞前移動的平均距離(路程)。碰撞改變了粒子的運動方向。自由程越長，薄膜淀積的均勻性越高。決定平均自由程大小的主要因素是系統(tǒng)內(nèi)的壓力。降低反應(yīng)室內(nèi)的壓力可以增加平均自由程和薄膜的均勻性，也降低了淀積的溫度。

1974年，業(yè)界得益于此的是Unicorp公司。在摩托羅拉(Motorola)公司的許可下，該公司引進(jìn)了低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)系統(tǒng)。此系統(tǒng)工作壓力低于幾百毫托。LPCVD的主要優(yōu)點包括:

• 較低的化學(xué)反應(yīng)溫度

• 良好的臺階覆蓋和均勻性

• 采用垂直方式的晶圓裝載，提高了生產(chǎn)率并降低了在微粒中的暴露

• 對氣體流動的動態(tài)變化依賴性低

• 氣相反應(yīng)中微粒的形成時間較少

• 反應(yīng)可在標(biāo)準(zhǔn)的管式反應(yīng)爐內(nèi)完成

但該系統(tǒng)必須使用真空泵，以降低反應(yīng)室內(nèi)的壓力。用于LPCVD系統(tǒng)的真空泵的類型將在金屬化進(jìn)行討論。

1） 水平對流熱傳導(dǎo)LPCVD

一種應(yīng)用于生產(chǎn)的LPCVD系統(tǒng)中采用水平爐管式反應(yīng)爐，具有三個特殊性:首先，反應(yīng)管與真空泵連接，將系統(tǒng)的壓力降至0.25~2.0托;其次，中心區(qū)域的溫度沿爐管傾斜以補(bǔ)償氣體的反應(yīng)損耗;第三，在氣體注入端配置了特殊的氣體注入口，以改善氣體的混合和淀積的均勻性。在一些系統(tǒng)中，注入器直接安裝在晶圓的上方。這類系統(tǒng)設(shè)計的不足之處在于微粒會在墻體的內(nèi)表面形成(熱壁反應(yīng))，氣流的均勻程度沿著爐管的方向變化。在晶圓的周圍設(shè)置柵形裝置可降低微粒污染，但由于經(jīng)常清洗將引起較長的停機(jī)時間。

水平式熱壁LPCVD系統(tǒng)

這類系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于多晶硅、氧化物和氮化物的淀積。典型的厚度均勾性達(dá)到主5%。此類系統(tǒng)的主要淀積參數(shù)是溫度、壓力、氣體流量、氣相壓力和品圓間距。對每一種淀積工藝，均需要仔細(xì)調(diào)整這些參數(shù)及參數(shù)間的平衡。該系統(tǒng)的淀積率與AP系統(tǒng)相比，低于100~500/min,但由于采用垂直裝載密度，生產(chǎn)效率明顯提高。每次淀積的晶圓數(shù)可接近200片。

2）超高真空 CVD

低溫淀積可以將晶格的損傷降至最小，并且降低的熱預(yù)算反過來又將摻雜區(qū)域的橫向擴(kuò)散降至最小。方法之一就是在極低的真空條件下，進(jìn)行硅和硅-鍺(SiCe)的化學(xué)氣相淀積。降低壓力能夠允許保持淀積溫度處于低水平。超高真空CVD(UHV-CVD)反應(yīng)在反應(yīng)爐內(nèi)發(fā)生，起始時，其內(nèi)部壓力可降至1~5x10-毫巴(mbar),淀積壓力在10毫巴的數(shù)量級。

3）增強(qiáng)型等離子體 CVD

氮化硅取代氧化硅作為鈍化層,促進(jìn)了增強(qiáng)型等離子體(PECVD)技術(shù)的發(fā)展。二氧化硅的淀積溫度接近于660℃。這樣的溫度可能會導(dǎo)致鋁合金與硅表面的相互連接。這是人們所不能接受的。解決該問題的方法之一就是采用增強(qiáng)的等離子體,增加淀積能量增強(qiáng)的能量允許在最高450℃的條件下,在鋁層上進(jìn)行淀積。從物理上講，增強(qiáng)的等離子系統(tǒng)類似于等離子體刻蝕。它們都具有在低壓下工作的平行板反應(yīng)室，由射頻引入的輝光放電，或其他等離子體源,用于在淀積氣體內(nèi)產(chǎn)生等離子體。低壓與低溫的結(jié)合提供了良好的薄膜均勻性和生產(chǎn)能力。

PECVD反應(yīng)室還具有在淀積前利用等離子體對品圓進(jìn)行刻蝕和清洗的功能。該過程與在光刻工藝描述的干法刻蝕相類似。這種原位置處的清洗預(yù)備出淀積前的晶圓表面，清除了在裝載過程中產(chǎn)生的污染。

水平垂直流PECVD:該系統(tǒng)遵循了底部餅式加熱，垂直流CVD設(shè)計通過由電極板或其他等離子體射頻，在反應(yīng)室頂部形成等離子體。安裝在晶圓托架下面的輻射加熱器加熱晶圓，形成冷壁淀積系統(tǒng)，用PECVD系統(tǒng)，除了標(biāo)準(zhǔn)的LPCVD反應(yīng)室中的參數(shù)外，還要對其他幾個重要參數(shù)進(jìn)行控制。這些參數(shù)是射頻功率密度、射頻頻率和周期占空比?？傊?，薄膜淀積的速度提高了，但必須有效控制和防止薄膜應(yīng)力和/或裂紋。

垂直流餅式PECVD

由諾發(fā)(Novellus)公司開發(fā)的另一種設(shè)計讓晶圓固定在一系列電阻絲加熱的承片架上這些晶圓在具有薄膜建立的反應(yīng)腔周圍按指針增加。

單片反應(yīng)室PECVD系統(tǒng)的反應(yīng)室較小，并且其余的晶圓暴露在特定的條件下，所以更需要有效的控制。通常，單片系統(tǒng)處理速度慢于批處理系統(tǒng)。與大反應(yīng)室批處理設(shè)備相比，單片反應(yīng)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率的差異來源于晶圓快速進(jìn)ru入反應(yīng)室的方法和如何對真空的快速提升和釋放。裝載系統(tǒng)采用將晶圓放入預(yù)反應(yīng)室，抽真空到預(yù)定的壓力，然后將晶圓移送到淀積反應(yīng)室的方式，增加生產(chǎn)效率。

(a)單腔平面式PECVD;(b)多腔室加工設(shè)備

桶式輻射加熱PECVD:該系統(tǒng)是帶有低壓和等離子體能力的標(biāo)準(zhǔn)桶式加熱系統(tǒng)。在特殊設(shè)計的晶圓舟上生成等離子體，是硅化鎢常用的淀積方式。

4）高密度等離子體 CVD

金屬層間介質(zhì)(IDL)層對多層金屬的結(jié)構(gòu)極為重要。其主要的難題在對高深寬比(大于3:1)孔的填充上。一種途徑是使淀積和原位(insitu)刻蝕有序進(jìn)行。初始淀積時，通常底部較薄。將肩部刻蝕掉，然后再淀積，從而形成均勻的淀積層和較為平坦的表面。

實現(xiàn)這種工藝的系統(tǒng)是高密度等離子體CVD(High-DensityPlasmaCVD,HDPCVD)。在CVD反應(yīng)室的內(nèi)部形成等離子體場。該等離子場含有氧氣和硅烷(Silane)，用以淀積二氧化硅。此外，還含有由等離子體中提供能量的氬離子，直接撞擊晶圓表面，該現(xiàn)象稱為濺射反應(yīng)，從晶圓表面和溝槽中去除材料。HDPCVD具有淀積多種材料的潛能，用于IMD層、刻蝕終止層和最后的鈍化層。

未完待續(xù)......

參考文獻(xiàn)：

(客服電話4001021226)

銷售 | 租賃 | 定制

愛蛙幫您找到最合適的光傳感解決方案