隨著(zhù)電路尺寸的不斷縮小，也開(kāi)始通過(guò)增加淀積層數的方法，在垂直方向上進(jìn)行拓展。在20世紀60年代，雙極器件已經(jīng)采用了化學(xué)氣相淀積技術(shù)完成的雙層結構，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(jìn)的MOS器件具有4層金屬內部連接,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(mǎn)足電性能和機械性能的要求。淀積的薄膜必須是連續的，并且沒(méi)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，導體層的厚度成為阻抗來(lái)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(guān)注的是臺階部位的厚度維護。過(guò)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(wèn)題在窄而深的孔和溝槽處顯得尤為突出。我們稱(chēng)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(wèn)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。在多層金屬的結構中,高深寬比的溝槽的填充是***個(gè)主要問(wèn)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(wú)應力是對淀積的薄膜的另***種特性上的要求。淀積時(shí)附加額外應力的薄膜將通過(guò)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(huì )滲透到晶圓內。嚴重時(shí)將導致短路。

  電容是淀積薄膜的另***個(gè)重要參數。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(chēng)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(wú)疑問(wèn)，淀積薄膜的數量和種類(lèi)的增加促進(jìn)了許多淀積技術(shù)的問(wèn)世。20世紀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(cháng)需要幾個(gè)不同的階段。第***階段是成核過(guò)程(nucleation)。該過(guò)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(cháng)成為較大的島。在第三階段，這些島向外擴散,***后形成連續的薄膜。薄膜長(cháng)成特定的幾百埃的階段就是這樣***個(gè)傳輸過(guò)程。傳輸過(guò)程的薄膜與***終的較厚的薄膜“體”有著(zhù)不同的物理和化學(xué)性質(zhì)!

  

  CVD系統有著(zhù)多種多樣的設計和配置。通過(guò)基本子系統的通用性分析，有助于對大部分CVD系統多樣化的理解。大部分CVD系統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系統則是***種專(zhuān)用的預氧化和擴散的管式反應爐?；瘜W(xué)氣源被存儲在氣源柜內。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(guò)調壓器、質(zhì)量流量計和計時(shí)器共同控制。

  

  CVD的工藝有著(zhù)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(guò)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，將晶圓裝載到反應室內，裝載過(guò)程通常是在惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行的。然后，晶圓被加熱到預定溫度，將反應氣體引入淀積薄膜的反應室內進(jìn)行反應。***后，將參與反應的化學(xué)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(xué)成分。

  四、CVD系統分類(lèi)

  CVD反應室設計

  在工作時(shí)，CVD系統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(diǎn)。

  顧名思義，在常壓CVD系統中反應和淀積是在常壓下進(jìn)行的。該系統有許多類(lèi)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的設計仍在使用?；旧鲜?**個(gè)水平爐管式的反應爐,但有些顯著(zhù)的差別。***先，爐管有***個(gè)方形的截面。然而，主要的區別還在于加熱的方法和晶圓的托架結構。

  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來(lái)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，但是該系統接近于冷壁系統。直接的熱輻射產(chǎn)生控制良好和生長(cháng)均勻的薄膜。在熱傳輸系統中，晶圓的加熱從底部開(kāi)始，當薄膜生長(cháng)時(shí)，晶圓的表面有***些微小但可測量的溫度下降。在桶式系統中，晶圓的表面總是面對著(zhù)光源，這樣可獲取均勻的溫度和薄膜生長(cháng)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(dòng)裝載功能的大容量托架。

  

  4）連續傳導加熱APCVD

  移動(dòng)熱板APCVD

  

  5）水平熱傳導APCVD

  熱板APCVD

  六、低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)

  。

  較低的化學(xué)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(shí)間較少

• 但該系統必須使用真空泵，以降低反應室內的壓力。用于LPCVD系統的真空泵的類(lèi)型將在金屬化進(jìn)行討論。

  ***種應用于生產(chǎn)的LPCVD系統中采用水平爐管式反應爐，具有三個(gè)特殊性:***先，反應管與真空泵連接，將系統的壓力降至0.25~2.0托;其次，中心區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***些系統中，注入器直接安裝在晶圓的上方。這類(lèi)系統設計的不足之處在于微粒會(huì )在墻體的內表面形成(熱壁反應)，氣流的均勻程度沿著(zhù)爐管的方向變化。在晶圓的周?chē)O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(cháng)的停機時(shí)間。

  

  這類(lèi)系統廣泛應用于多晶硅、氧化物和氮化物的淀積。典型的厚度均勾性達到主5%。此類(lèi)系統的主要淀積參數是溫度、壓力、氣體流量、氣相壓力和品圓間距。對每***種淀積工藝，均需要仔細調整這些參數及參數間的平衡。該系統的淀積率與AP系統相比，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(guò)來(lái)又將摻雜區域的橫向擴散降至***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)反應在反應爐內發(fā)生，起始時(shí)，其內部壓力可降至1~5x10-毫巴(mbar),淀積壓力在10毫巴的數量***。

  氮化硅取代氧化硅作為鈍化層,促進(jìn)了增強型等離子體(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(wèn)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(jìn)行淀積。從物理上講，增強的等離子系統類(lèi)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,用于在淀積氣體內產(chǎn)生等離子體。低壓與低溫的結合提供了良好的薄膜均勻性和生產(chǎn)能力。

  水平垂直流PECVD:該系統遵循了底部餅式加熱，垂直流CVD設計通過(guò)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，用PECVD系統，除了標準的LPCVD反應室中的參數外，還要對其他幾個(gè)重要參數進(jìn)行控制。這些參數是射頻功率密度、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力和/或裂紋。

  

  由諾發(fā)(Novellus)公司開(kāi)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?chē)粗羔樤黾印?/p>

  (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(shí)現這種工藝的系統是高密度等離子體CVD(High-DensityPlasmaCVD,HDPCVD)。在CVD反應室的內部形成等離子體場(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，該現象稱(chēng)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(lái)源于儀器網(wǎng))