半導(dǎo)體工藝（七）薄膜生長(zhǎng)工藝1.0

在半導(dǎo)體制造工藝中薄膜的生長(zhǎng)這一步也是極為重要以及關(guān)鍵的一環(huán)。集成電路在制造過(guò)程中需要在晶圓片的表面上生長(zhǎng)數(shù)層材質(zhì)不同、厚度不同的膜層，其中有導(dǎo)電膜層以及絕緣膜層，這些膜層的制備對(duì)于集成電路的制造非常重要。薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，也可稱作制作膜層的方法，薄膜生長(zhǎng)技術(shù)有很多，不同作用，不同位置的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)不同，如化學(xué)氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積(PVD)、熱氧化、外延幾大類。

薄膜制備方法的分類

一、物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）

PVD是指采用物理方法：濺射鍍膜、離子體鍍膜、真空蒸發(fā)和分子束外延等等，在芯片或者晶圓表面形成薄膜。在集成電路的產(chǎn)業(yè)中，濺射鍍膜是使用較多的PVD技術(shù)，主要是用來(lái)做金屬電極和金屬互聯(lián)。濺射鍍膜是指在高度真空（1×10
-7～9×10 -9 Torr）的條件下，同時(shí)腔室內(nèi)通入稀有氣體，例如氬氣。氬氣在外加電場(chǎng)的作用下電離變成氬離子，并在高電壓的環(huán)境下去轟擊靶材，撞擊出靶材的分子或者原子，過(guò)程中經(jīng)過(guò)無(wú)碰撞到達(dá)晶圓表面，從而形成薄膜。這里的氬氣由于本身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，所以并不會(huì)和靶材以及晶圓發(fā)生反應(yīng)。

當(dāng)集成電路芯片進(jìn)入銅互連時(shí)代，銅的阻擋材料層采用了氮化鈦或者氮化鉭薄膜，產(chǎn)業(yè)技術(shù)的需求推動(dòng)了對(duì)化學(xué)反應(yīng)濺射技術(shù)的研發(fā)，即在濺射腔里，除了氬氣，還有反應(yīng)氣體氮?dú)?，這樣從靶材Ti或Ta轟擊出來(lái)的Ti或Ta與N2反應(yīng)，生成所需的TiN或TaN薄膜[1]。常用的濺射方式有3種，即直流濺射、射頻濺射和磁控濺射。由于集成電路的集成度不斷提高，多層金屬布線的層數(shù)越來(lái)越多，PVD工藝的應(yīng)用也更為廣泛。PVD材料包括Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu、Ti、Ta、Co、TiN、TaN、Ni、WSi2等等。原理如下圖：

在濺射工藝中主要考慮的是形成薄膜的電阻值、均勻性、應(yīng)力以及反射率厚度等等。

二、化學(xué)氣相沉積工藝（Chemical Vapor Deposition，CVD）

CVD是指不同分壓的多種氣相狀態(tài)反應(yīng)物在一定溫度和氣壓下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的固態(tài)物質(zhì)沉積在襯底材料表面，從而獲得所需薄膜的工藝技術(shù)。在一些傳統(tǒng)集成電路制造工藝中，所獲得的薄膜材料一般為氧化物、氮化物、碳化物等化合物或多晶硅、非晶硅等材料。在45nm節(jié)點(diǎn)后比較常用的選擇性外延技術(shù)，如源漏SiGe或Si選擇性外延生長(zhǎng)，也是一種CVD技術(shù)，這種技術(shù)可在硅或其他材料單晶襯底上順著原有晶格繼續(xù)形成同種類或與原有晶格相近的單晶材料。CVD廣泛用于絕緣介質(zhì)薄膜（如SiO2、Si3N4和SiON等）及金屬薄膜（如鎢等）的生長(zhǎng)。在一定溫度下，基本的化學(xué)反應(yīng)為

SiH4+O2→ SiO2+2H2

SiH4+2PH3+O2→SiO2+2P+5H2

SiH4+B2H6+O2→SiO2+2B+5H2

3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2

當(dāng)然用來(lái)作為反應(yīng)的氣體還有N2O、Si（C2H5O）4、SiCl2H2、WF6等。

按照壓力分類：常壓化學(xué)氣相沉積（Atmosphere Pressure CVD，APCVD）、亞常壓化學(xué)氣相沉積（Sub Atmosphere Pressure CVD，SAPCVD）和低壓化學(xué)氣相沉積（Low Pressure CVD，LPCVD）；

按照溫度分類：高溫/低溫氧化膜化學(xué)氣相沉積（HTO/ LTO CVD）和快速熱化學(xué)氣相沉積（Rapid Thermal CVD，RTCVD）

按照反應(yīng)源分類：硅烷基化學(xué)氣相沉積（Silane-based CVD）、聚酯基化學(xué)氣相沉積（TEOS-based CVD）和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）

按照能量分類：熱能化學(xué)氣相沉積（Thermal CVD）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced CVD，PECVD）和高密度等離子體化學(xué)氣相沉積（High Density Plasma CVD，HDPCVD）

目前還發(fā)展出縫隙填充能力極好的流動(dòng)性化學(xué)氣相沉積（Flowable CVD，F(xiàn)CVD）。不同的CVD生長(zhǎng)的膜的特性（如化學(xué)成分、介電常數(shù)、張力、應(yīng)力和擊穿電壓）都有差別，可根據(jù)不同的工藝要求（如溫度、臺(tái)階覆蓋率、填充要求等）而分別使用。CVD工藝示意圖如下圖所示。

三、原子層沉積工藝（Atomic Layer Deposition，ALD）

ALD是指通過(guò)單原子膜逐層生長(zhǎng)的方式，將原子逐層沉淀在襯底材料上。典型的ALD采用的是將氣相前驅(qū)物交替脈沖式地輸入反應(yīng)器內(nèi)的方式。例如，第一步將反應(yīng)前驅(qū)物1通入襯底表面，并經(jīng)過(guò)化學(xué)吸附，在襯底表面形成一層單原子層；第二步通過(guò)氣泵抽走殘留在襯底表面和反應(yīng)腔室內(nèi)的前驅(qū)物1；第三步通入反應(yīng)前驅(qū)物2到襯底表面，并與被吸附在襯底表面的前驅(qū)物1發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在襯底表面生成相應(yīng)的薄膜材料和相應(yīng)的副產(chǎn)物；當(dāng)前驅(qū)物1完全反應(yīng)后，反應(yīng)將自動(dòng)終止，這就是ALD的自限制特性，再抽離殘留的反應(yīng)物和副產(chǎn)物，準(zhǔn)備下一階段的生長(zhǎng)；通過(guò)不斷地重復(fù)上述過(guò)程，就可以實(shí)現(xiàn)沉積逐層單原子生長(zhǎng)的薄膜材料。ALD與CVD都是通入氣相化學(xué)反應(yīng)源在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的方式，不同點(diǎn)在于CVD的氣相反應(yīng)源不具有自限制生長(zhǎng)的特性。由此可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)ALD技術(shù)的關(guān)鍵是尋找具有反應(yīng)自限制特性的前驅(qū)物。

由于ALD逐層生長(zhǎng)薄膜的特點(diǎn)，所以ALD具備以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：極好的臺(tái)階覆蓋能力、 

極高的沉積均勻性和一致性、能較好地控制其制備薄膜的厚度、成分和結(jié)構(gòu)等等。

正是因?yàn)锳LD具有的極佳的臺(tái)階覆蓋能力和溝槽填充均勻性，十分適用于柵極側(cè)墻介質(zhì)的制備，以及在較大高寬比的通孔和溝槽中的薄膜制備。ALD技術(shù)在產(chǎn)業(yè)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)闁艠O側(cè)墻生長(zhǎng)、高k柵介質(zhì)和金屬柵、銅互連工藝中的阻擋層、MEMS、光電子材料和器件、有機(jī)發(fā)光二極管材料、DRAM及MRAM的介電層、嵌入式電容等各類薄膜。缺點(diǎn)當(dāng)然也很明顯，和優(yōu)點(diǎn)對(duì)立，生長(zhǎng)薄膜的速率慢。

文章來(lái)源：尕輝 Lightigo