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***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。

• 組成或核粒(grain)尺寸
• 純凈度
• 薄膜需要具有均勻的厚度以同時(shí)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***縮小到亞微米***，由此想到，導(dǎo)體層的厚度成為阻抗來源的因素之***。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(tái)階部位的厚度維護(hù)。過薄的臺(tái)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***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***個(gè)主要問題。

  

  薄膜表面的平整性如同厚度***樣重要。臺(tái)階和表面的粗糙度對(duì)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***小的臺(tái)階、裂隙和表面反射。

  無應(yīng)力是對(duì)淀積的薄膜的另***種特性上的要求。淀積時(shí)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(huì)滲透到晶圓內(nèi)。嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致短路。

  電容是淀積薄膜的另***個(gè)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)。

  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***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(zhǎng)需要幾個(gè)不同的階段。第***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(gè)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(gè)小島，進(jìn)而長(zhǎng)成為較大的島。在第三階段，這些島向外擴(kuò)散,***后形成連續(xù)的薄膜。薄膜長(zhǎng)成特定的幾百埃的階段就是這樣***個(gè)傳輸過程。傳輸過程的薄膜與***終的較厚的薄膜“體”有著不同的物理和化學(xué)性質(zhì)!

  

  CVD系統(tǒng)有著多種多樣的設(shè)計(jì)和配置。通過基本子系統(tǒng)的通用性分析，有助于對(duì)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***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(chǔ)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(jì)和計(jì)時(shí)器共同控制。

  

  CVD的工藝有著與氧化或擴(kuò)散等相同的步驟。回顧***下，這些步驟包括預(yù)清洗(工藝要求的刻蝕)、淀積和評(píng)估。我們已經(jīng)描述過清洗工藝，即用于去除微粒和可動(dòng)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。***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)。***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(píng)估包括厚度、臺(tái)階覆蓋、純度、清潔度和化學(xué)成分。

  四、CVD系統(tǒng)分類

  CVD反應(yīng)室設(shè)計(jì)

  在工作時(shí)，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(tái)階覆蓋等優(yōu)點(diǎn)。

  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。

  ***先被廣泛采用的CVD是在雙極型器件中硅外延膜的淀積。基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍在使用。基本上是***個(gè)水平爐管式的反應(yīng)爐,但有些顯著的差別。***先，爐管有***個(gè)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)。

  具有水平基座的冷壁感應(yīng)式APCVD

  

  2）桶式輻射感應(yīng)加熱 APCVD

  

  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(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)，晶圓的表面有***些微小但可測(cè)量的溫度下降。在桶式系統(tǒng)中，晶圓的表面總是面對(duì)著光源，這樣可獲取均勻的溫度和薄膜生長(zhǎng)速率。

  3） 餅式熱感應(yīng) APCVD

  雙子星座(Gemini)研究公司提出了餅式設(shè)計(jì)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(dòng)裝載功能的大容量托架。

  

  4）連續(xù)傳導(dǎo)加熱APCVD

  移動(dòng)熱板APCVD

  

  5）水平熱傳導(dǎo)APCVD

  熱板APCVD

  六、低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)

  。

  較低的化學(xué)反應(yīng)溫度

• 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

• 氣相反應(yīng)中微粒的形成時(shí)間較少

• 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。

  ***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(gè)特殊性:***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***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(jì)的不足之處在于微粒會(huì)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(zhǎng)的停機(jī)時(shí)間。

  

  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(duì)每***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。

  低溫淀積可以將晶格的損傷降至***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***小。方法之***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(shí)，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***。

  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(huì)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***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***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。

  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(jì)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(duì)其他幾個(gè)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。總之，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。

  

  由諾發(fā)(Novellus)公司開發(fā)的另***種設(shè)計(jì)讓晶圓固定在***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。

  (a)單腔平面式PECVD;(b)多腔室加工設(shè)備

  4）高密度等離子體 CVD

  實(shí)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(chǎng)。該等離子場(chǎng)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***后的鈍化層。

  
  

(文章來源于儀器網(wǎng))