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，在垂直方向上進行拓展。在20世紀60年代，雙極器件已經(jīng)采用了化學氣相淀積技術完成的雙層結(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90年代，先進的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滿足電性能和機械性能的要求。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械強度。其中，備受關注的是臺階部位的厚度維護。過薄的臺階部位的厚度可能導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??；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***個主要問題。

  

  薄膜表面的平整性如同厚度***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***小的臺階、裂隙和表面反射。

  無應力是對淀積的薄膜的另***種特性上的要求。淀積時附加額外應力的薄膜將通過裂隙的形成而釋放此應力。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)。嚴重時將導致短路。

  電容是淀積薄膜的另***個重要參數(shù)。半導體中的金屬傳導層需要高傳導、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了許多淀積技術的問世。20世紀60年代的工藝師只能選擇常壓化學氣相淀積(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

  淀積薄膜的生長需要幾個不同的階段。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。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，進而長成為較大的島。在第三階段，這些島向外擴散,***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***個傳輸過程。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性質(zhì)!

  

  CVD系統(tǒng)有著多種多樣的設計和配置。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，如管式反應爐(已在第7章中描述)、氣源柜、反應室、能源柜、晶圓托架(舟體),以及裝載和卸載機械裝置。在某些情況下，CVD系統(tǒng)則是***種專用的預氧化和擴散的管式反應爐?；瘜W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。

  

  CVD的工藝有著與氧化或擴散等相同的步驟?；仡?**下，這些步驟包括預清洗(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氣相淀積，如氧化是以循環(huán)的方式進行的。***先，將晶圓裝載到反應室內(nèi)，裝載過程通常是在惰性氣體環(huán)境下進行的。然后，晶圓被加熱到預定溫度，將反應氣體引入淀積薄膜的反應室內(nèi)進行反應。***后，將參與反應的化學氣體排出反應室，移出晶圓。薄膜的評估包括厚度、臺階覆蓋、純度、清潔度和化學成分。

  四、CVD系統(tǒng)分類

  CVD反應室設計

  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。與低壓相結(jié)合的增強型等離子體淀積(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。

  顧名思義，在常壓CVD系統(tǒng)中反應和淀積是在常壓下進行的。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?；鞠到y(tǒng)的設計仍在使用?；旧鲜?**個水平爐管式的反應爐,但有些顯著的差別。***先，爐管有***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)。

  具有水平基座的冷壁感應式APCVD

  

  2）桶式輻射感應加熱 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，當薄膜生長時，晶圓的表面有***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。

  3） 餅式熱感應 APCVD

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

  

  4）連續(xù)傳導加熱APCVD

  移動熱板APCVD

  

  5）水平熱傳導APCVD

  熱板APCVD

  六、低壓化學氣相淀積(LPCVD)

  。

  較低的化學反應溫度

• 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

• 氣相反應中微粒的形成時間較少

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

  ***種應用于生產(chǎn)的LPCVD系統(tǒng)中采用水平爐管式反應爐，具有三個特殊性:***先，反應管與真空泵連接，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償氣體的反應損耗;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)，氣流的均勻程度沿著爐管的方向變化。在晶圓的周圍設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時間。

  

  這類系統(tǒng)廣泛應用于多晶硅、氧化物和氮化物的淀積。典型的厚度均勾性達到主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***種淀積工藝，均需要仔細調(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，并且降低的熱預算反過來又將摻雜區(qū)域的橫向擴散降至***小。方法之***就是在極低的真空條件下，進行硅和硅-鍺(SiCe)的化學氣相淀積。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)反應在反應爐內(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***。

  氮化硅取代氧化硅作為鈍化層,促進了增強型等離子體(PECVD)技術的發(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***就是采用增強的等離子體,增加淀積能量增強的能量允許在***高450℃的條件下,在鋁層上進行淀積。從物理上講，增強的等離子系統(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設計通過由電極板或其他等離子體射頻，在反應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)，除了標準的LPCVD反應室中的參數(shù)外，還要對其他幾個重要參數(shù)進行控制。這些參數(shù)是射頻功率密度、射頻頻率和周期占空比?？傊∧さ矸e的速度提高了，但必須有效控制和防止薄膜應力和/或裂紋。

  

  由諾發(fā)(Novellus)公司開發(fā)的另***種設計讓晶圓固定在***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腔周圍按指針增加。

  (a)單腔平面式PECVD;(b)多腔室加工設備

  4）高密度等離子體 CVD

  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，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))