化学气相淀积在集成电路制造后段工艺中的应用

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化学气相淀积在集成电路制造后段工艺中的应用 [复制链接]

化学气相淀积在集成电路制造后段工艺中的应用

【来源:《半导体技术》】【作者:易万兵1,2,3，涂瑞能1 ，张炳一1，吴谨1，毛杜立 1，邹世昌1,2】【时间: 2006-2-6 9:23:45】【点击: 287】

摘要：介绍了CVD技术的原理和分类。对不同种类的CVD薄膜进行了比较和分析，并主要讨论了 CVD绝缘介质薄膜在后段工艺中的应用。 关键词：化学气相淀积；集成电路制造；后段工艺 中图分类号：TN304.052；TN405 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)11-0035-04 1 引言 CVD技术广泛应用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态薄膜材料[1]。同PVD 工艺相比，CVD的最大优势就是良好的阶梯覆盖性能，同时具有便于制备复合产物、不需高真空和淀积速率高等优点。CVD技术在19世纪60年代被引入半导体材料制备并快速发展 [2]。随PECVD，HDPCVD和MOCVD等技术的出现，CVD在集成电路制造中广泛应用于多晶硅、绝缘介质和金属薄膜的制备。 本文对CVD技术的基本原理和反应类型进行了简单介绍，并着重对CVD薄膜在集成电路制造技术后段工艺中的应用进行探讨和分析。 2 反应模型及生长速率的控制    考虑图1中二维模型，气流平行于基片表面。主气流与基片表面之间，气流速率从主气流速率递减到基片表面的零，此区域定义为边界层。边界层上界面和基片表面的反应物浓度分别为CG 和CS；经边界层扩散到基片表面的气流速率为 F1；基片表面被消耗掉的气流速率为F 2，可得到   式中，D为扩散系数；δ B为边界层厚度，可表达为[3]   式中，u是动力粘度；z是距气流进口的距离； VS是边界层上界面处气体的速率。硬球近似下扩散系数可表达为[4]   式中，k为玻耳兹曼常数；T 为绝对温度；P是气体压强；m和a分别是气体分子的质量和半径。令基片表面气体反应速率为kS，则有 F1=KsCs (4) 稳定时F1=F 2，得到淀积速率VR   式中N为生成单位厚度产物所需的反应气体分子数。考虑两个极端情况： （1）kS>>d B，此时VR=dB CG/N，产物淀积速率由气体在界面层的扩散决定，称为质量输运模式； （2）kS< 温度较高时表面反应速率一般较大，扩散到基片表面的气体分子得到充分消耗，此时为质量输运模式。 由公式（2）可知，淀积速率与主气流速率（即进气口气体流量）的平方根成正比，而温度变化由于幅度较小对淀积速率影响不大，产物生长速率主要由气体流量控制；温度较低时，表面反应速率较小，扩散到基片表面的气体分子得不到充分反应，此时淀积由表面反应速率所控制，与进气口气体流量无关而敏感于温度变化，产物生长速率主要由温度控制。 3 CVD在集成电路制造后段工艺中的应用 3.1 对后段工艺的要求 首先为防止金属连线在高温熔融或失效，第一层金属连线形成之后的制程都须控制在450℃以下；其次是间隙填充能力的要求。如图2薄膜平整度较小时，可能在间隙未充分淀积即闭合，留下空洞，这种情况会随深宽比变大而恶化。空洞一方面导致介质的绝缘性能劣化并产生过大的漏电流，另一方面制程气体残留在空洞可能引起后续制程的问题[5]。大部分CVD工艺都希望得到无空洞的间隙填充。   最后，为降低金属连线的阻容迟滞，希望绝缘介质的介电常数尽量低。 3.2 CVD工艺的分类和特点 CVD技术可分为APCVD，LPCVD，PECVD，HDPCVD，SACVD （sub atmosphere CVD）和MOCVD等。 APCVD生长速率快，但成膜均匀性不好，容易产生影响薄膜质量的微粒，基本不应用于集成电路制造。LPCVD反应系统一般要求温度在650℃以上，不能应用到后段。 后段工艺中薄膜生长的反应温度较低，需引入额外的非热能能量或降低反应所需激活能以得到足够反应能量。前者代表是PECVD和HDPCVD，等离子体提供的能量大大降低反应所需热能，从而降低反应温度到400℃以下；后者代表是采用TEOS 与O3反应系统的SACVD，由于O3在较低温度下就可以提供氧自由基，反应所需激活能小于TEOS与O2 系统，因此较低温度下也可以提供足够的淀积速率。这两种方法都能增加表面反应速率，工作于质量输运模式。产物的生长速率由进气口气体流量决定，更有利于控制制程及薄膜均匀性。 不同的CVD技术和不同的前驱物系统都会导致产物的平整度和间隙填充能力的差异。以下是制备二氧化硅薄膜的主要CVD技术的简要总结。 （1）热壁硅烷/氧气：SiH4 +2O2→SiO2+2H2O，产物平整度比PVD稍好。 （2）热壁TEOS/氧气：Si(OC2 H5)4+O2→SiO2 +副产物，产物平整度很好，但反应温度一般大于600℃。 （3）热壁TEOS/臭氧：Si(OC2 H5)4+O3→SiO2 +副产物，用O3代替O2与TEOS反应可以大大降低反应温度。产物易吸水并产生应力变化，水分可能扩散到栅氧降低器件性能，应力变化会影响后段金属连线的可靠性。产物平整度同TEOS氧气系统一样。 （4）PE硅烷/氧化亚氮：SiH4 +N2O→SiO2+副产物，易于调节生产物中的化学成分比，常用以阻挡水气或氟离子，平整度和间隙填充能力一般。 （5）PE TEOS/氧气：同样存在热壁TEOS/臭氧碰到的问题，通过调整等离子体参数、压力和气流比率等可得到改善。产物平整度和间隙填充能力比PE硅烷/氧气系统产物要好，比热壁TEOS系统差。 （6）HDP硅烷/氧气：HDP系统中可在低压得到高密度的等离子体团，这些离子被设计成可以撞击淀积面。这样淀积与离子轰击产生的刻蚀在反应表面同时进行，能得到优异的间隙填充性能。图3为HPD CVD的示意图。   3.3 主要绝缘介质薄膜制备的选择 后段工艺所需薄膜主要有金属淀积前的绝缘介质（ILD）、金属连线、金属连线层间的绝缘介质（IMD）、金属连线与绝缘介质之间的黏附层以及最后的钝化层。 ILD的要求主要为低介电常数和阻挡金属钠离子。一般采用掺磷的二氧化硅PSG。为进一步降低二氧化硅回流温度，可掺入硼元素形成BPSG。为防止磷、硼向下扩散影响器件性能，在PSG，BPSG淀积之前需要一层氧化硅或氮化硅的阻挡层。作为阻挡层的氮化硅可由LPCVD制备，若希望更低的热预算，则可采用PECVD制备，但需要注意等离子体制程有可能引起带电并损伤器件。PSG，BPSG一般采用SACVD和TEOS/臭氧反应系统。 IMD的要求主要为低介电常数和足够的间隙填充能力。随器件尺寸的缩小，金属连线间隙的深宽比持续增加，一般选用具有更好间隙填充能力的 HDP硅烷/氧气系统。降低材料的介电常数主要有两种方法，降低材料自身的极性；降低材料的分子密度（即增加空隙密度）。在二氧化硅中掺杂氟形成FSG为第一种方法，氟具有强负电，可以降低二氧化硅中的电子与离子极化，从而使材料的介电常数从4.2降低到3.6左右；在二氧化硅中引入了碳以及采用旋涂方法（SOD）制备绝缘介质的方法则二者兼顾。在低介电常数材料制备上，CVD和 SOD这两种技术目前并存，各有优势。 钝化层一般选用PECVD制备的氮化硅薄膜，可以很好地阻挡钠离子和水气，并可以阻挡能在氧化硅中扩散的铝、镓、铟等杂质。 3.4 CVD技术的其他应用 除上述应用以外，后段工艺中的CVD技术还主要有SiON、钨和氮化钛。 SiON由PECVD淀积在金属表面之上形成抗反射层，可以在曝光的时候消除或减弱驻波效应。钨具有优异的孔洞填充能力，广泛应用于半导体工艺中的Via和Contact层作为各层金属连线以及器件层之间的连接，即所谓的"钨插塞"。TiN用来提供金属连线与四周的黏附，并能有效防止各层间的化学相互作用以及原子扩散。随器件关键尺寸的缩小，PVD无法提供足够阶梯覆盖能力，逐步被CVD 方法所替代。现在业界主流为利用烷基化合物TDMAT（Ti[N(CH 3)2]4，四二甲基胺钛）热解体系，是MOCVD方法的一种。此方法制备的TiN薄膜含有相当浓度的C，O和H元素杂质，导致其电阻偏高，必须在薄膜淀积后采用N2/H2 处理，降低杂质浓度，促使晶体生长而变得更加致密，从而降低阻值。 4 结语 对CVD技术的基本原理和薄膜的基本性质进行了介绍，对集体电路制造后段工艺中的不同CVD技术及其应用进行了总结。薄膜的不同性质决定了它们的应用。对绝缘介质来说，驱动CVD技术发展的动力主要来自反应温度、介电常数和间隙填充能力。大部分后段绝缘介质的制备工作在更易于控制的质量输运模式。