薄膜沉积– CVD, VPE, MBE及MOCVD

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薄膜沉积– CVD, VPE, MBE及MOCVD
! g- x' v, U/ ]% z; C  U) ~摘要
虽然晶片中的主动元件是由掺杂区和N/P接合界面所构成,但为了完成完整的元件仍需使用其他层,如半导体层,介电层,及导体层.许多这些材料层是藉化学气相技术 (CVD),或物理气相沈积 (PVD) 法完成的.本文说明最常用的一些CVD技术及用以沈积在晶圆表面的材料.
引言
微影技术的进步使得极大型和超大型积体电路晶片得以被制造出,但随著晶片尺寸的缩小,其垂直方向的层数成长却也增加,这是藉著沈积层数的增加而完成.在1960年代的双载子 (bipolar) 元件利用化学气相沈积法生成两层沈积层,一层是磊晶 (epitaxial),一层是二氧化矽的保护层 (图1),而早期的MOS元件则仅有一层保护层 (图2).到了1990年代,进步的元件上有著4层的金属接线,由非常多的沈积层所构成.被加上去的层在晶片中各有其扮演的角色和目的,主要为:被称为磊晶层 (见本文中后节) 的有掺杂的矽沈积层,金属间的介电层 (IMD),金属间的导电栓塞,金属导电层,及最后加上的保护层.图3列出了常用的沈积系统 (原文中的文和图不一致).用以沈积的方法主要有二种:化学气相沈积 (CVD) 和物理气相沈积 (PVD),PVD技术主要的方法为蒸镀及溅镀.本文的主题为化学气相沈积,此方法应用於数种常压 (一大气压) 和低压状况下.
1.磊晶及集极
4 x, V0 K3 S2 G! m! N4.集极接点
; [, I: p( ^- B# d+ j7.金属化
2.绝缘隔离
/ T0 H2 L4 x2 I5.基极
& \# x+ C6 ?( F4 X$ ?# X8.保护层
/ i* o6 C& a8 @" |0 M* w  i: I3.表面氧化物
6.射极
& d) b( p8 r- E8 O6 w9.埋层
图1 双载子晶片的剖面图,展示出磊晶层及绝缘
图2 MOS层的演进
大气压
低压及超高度真空
& ]7 Y; R0 J0 q2 R3 ^/ U; R冷壁
热壁
) E$ r1 t# Z" ^# y) s水平式
/ l, S# X% p8 l2 G( k4 s电浆增强
+ w$ D. d! c4 i4 m6 k+ \( x" {垂直式
垂直等温
桶式
分子束磊晶
气相磊晶
7 k# o% \+ u( e) l1 A: z# X金属有机CVD
图3 沈积系统的种类
薄膜性质参数g
用以作为元件的沈积层必须能满足一些一般的及特定的参数需求.这些特定的参数在各节中所叙述的不同材料层中会分别说明,一般用以作为半导体目的的薄膜应满足的重要参数包括:
8 }7 L/ z* D9 f; ~1 v9 T厚度均匀度
表面平坦度粗糙度
  [% }  C; V0 L" u: \成分晶粒尺寸
+ m' Y% y" i# F8 p0 x不含应力
) `. p) P: i$ X' ^' z0 w纯度
0 \: m' |: c6 _( M# j+ z整体性
薄膜厚度必须均匀以满足电性和机械性质的要求规格.沈积膜必须材质连续并且不含针孔以防止污染物藉著途径而移动,并防止该层的上,下层 (譬如三明治的上,下层) 间会短路.对薄膜而言,此点十分重要.磊晶膜的厚度已由5微米的范围缩减至次微米.膜层的厚度是影响其电阻的因素之一,同时较薄的层也较易含有针孔,并且机械强度较弱.特别重要的是覆盖阶梯形状时,膜层的厚度维持不变的能力 (图4),在阶梯上的厚度若是太薄可能会引起电路短路,或使得元件中因感应而产生电荷.此种问题在深而窄的孔或沟槽中 (所谓的高外形比值的图案) 变得十分敏锐而重要.外形比 (aspect ratio) 是将深度除以宽度之值 (图4).沈积膜
5 t  X9 T$ r3 Y3 b! }(a)
(b)
; W7 G9 s: a! R0 s* g7 d图4 沈积层在 (b) 阶梯处变薄
在沟槽的唇部变薄是一项问题,另一项问题则是沟槽底部的膜变得太薄.在多种金属的结构制程中,将外形比值高的沟槽以沈积法将其填满是一项主要的困难.
表面平坦性和厚度均匀性是一样的重要.曾论述表面上的阶梯和粗糙性会对影像成形 (微影) 产生的不良效果.沈积膜应尽可能的平坦,而沈积技术应能使阶梯,裂缝及以下表面的反射减至最低.
沈积膜的成分必须满足所要求的均匀性.因为沈积时的某些反应十分复杂,故沈积的成分可能和所需求的不相同.化学成分守恒原则是用以决定反应物和生成物间彼此量的关系.除化学的成分外,晶粒 (grain) 的大小尺寸也很重要.在沈积过程中,被沈积的物质有聚集并成长为晶粒的倾向.成分和厚度均相同的薄膜中,若晶粒的尺寸大小不同会导致电性和机械性质不同,其原因在於电流在通过晶粒和晶粒间的界面时会受到影响.同理,机械性质也会随晶粒界面面积的大小而改变.
对於薄膜的另一项要求是必须不含应力.沈积膜若含有过量的应力,会以形成裂痕的方式来减轻其内部应力.而裂开的膜会造成粗糙的表面,并且使得污染物通过至膜下方的晶圆表面.在严重时,裂痕可造成电路的短路.
. i! f$ `# f. P: [- E) a纯度的要求是为了使薄膜能执行其预定的功能,也就是膜中不能含有不要的化学元素或分子.例如磊晶膜中的氧原子污染会改变膜的电性质.纯度也指膜中不可含有可移动的离子污染或粒子.
沈积膜的一项重要电性参数是电容特性.半导体的金属导电系统需要具有高的导电性,也就是低电阻及低电容性的材料.这类金属称为低k值的介电材料.而用於导电体层间作为绝缘目的的介电材料则需高的电容值,也被称为高k值的介电体.
% w6 G" _! Q# k3 J( t- r" D化学气相沈积的基本观念
因为沈积膜的种类和数量不断增加,因此而衍生出许多种不同的沈积技术也就不会令人惊讶了.在1960年代制程工程师只能使用常压 (一大气压) 的化学气相沈积 (CVD),而今天的工程师却有许多不同的方法可供其选用 (图3),这些技术将在后续各节加以介绍.
( F/ m3 K1 d1 L截至目前为止,我们尚未说明"沈积"(deposition) 和"化学气相沈积"(chemical vapor deposition, CVD) 的意义.在半导体制程中,沈积是指将一种材料实实在在的置於晶圆表面.另外一种薄膜生长法,称为"成长出的膜",如二氧化矽,则是由晶圆表面的材料所形成的.大部分的沈积膜是藉CVD技术所沈积出的.CVD的概念十分简单 (图5):将欲形成之膜的化学材料 (此乃"C"的由来) 原子或分子混合於沈积腔室中,形成蒸气 (此乃"V"的由来),然后这些原子或分子会沈积 (此乃"D"的由来) 在晶圆表面并形成一层薄膜.图5说明了四氯化矽 () 和氢气反应,在晶圆表面上沈积出一层矽的过程.一般而言,CVD的化学反应需由外部加入能量於系统中,例如将炉腔加热或将晶圆加热.
  Q: x0 I% m' ?5 c: f" U一般化学反应可分为四类:热解裂反应 (pyrolysis),还原反应 (reduction),氧化反应 (oxidation),以及氮化反应 (nitridation),如图6.热解裂反应是指仅藉著加热即可产生的化学反应.还原反应则指分子和氢产生的化学作用.氧化反应则是原子及分子和氧产生反应,氮化反应则是产生氮化矽的化学反应.
沈积膜的成长是分成几个不同的阶段进行的 (图7).第一阶段为"核化"或"成核"(nucleation),极为重要且和底材的品质相关.成核是由首先沈积於晶圆表面的几个原子和分子开始,它们先形成一个小岛状,并成长至较大的岛状.在第三
6 v# V, g& x- w5 J4 v' G, {" @图5 使用四氯化矽作为化学气相沈积矽的原料
热解裂
. G, \/ \6 ]" j& _+ C还原
氧化
氮化
图6 化学气相沈积反应的范例
% J: K5 i( j1 g0 y4 L# \4 F成核
* c' e# w, ]  v3 i8 M2 h核成长
岛状结合 (膜)
图7 化学气相沈积膜的成长过程
1 ?2 b' s: |$ l: i, @+ N阶段这些岛持续扩大,终於彼此相接触并结合成整片连续的膜.此为厚度在数百埃 () 的薄膜之典型的过渡阶段成长过程.此种过渡区域的膜之化学和物理性质与最终要成长的"整体"(bulk) 较厚的膜是非常不同的.
# m. J4 L) v6 d4 E: c在过渡膜形成后,整体膜开始成长.所使用的制程被设计成产生三种不同的结构:非晶体 (amorphous),多晶 (polycrystalline),及单晶 (single crystal),如图8.这些名词在前面已被定义过.控制不良或设计不良的制程会产生结构错误的膜.例如:想要在晶圆上产生单晶的磊晶时,若有未被去除的岛状氧化物,就会使整体膜变成多晶矽.
0 _- h4 Q7 @8 }/ G( w化学气相沈积系统的基本设计
1 ?' d$ l/ [2 d' k化学气相沈积系统有多种不同的设计和选择,藉著对大部分CVD系统都具有的共通基本子系统 (图9) 做一了解,将有助於对其衍生出的不同类型之认识.大体
图8 膜结构的种类
图9 基本的化学气相沈积子系统
( X3 X' i) b- B' k+ U5 g* t. I而言,CVD系统和炉管的基本结构是相同的:原料柜,反应腔室,能源供应器,晶圆承载器 (晶舟),以及装填和卸载机构.在某些状况下,CVD系统和氧化或扩散用的炉管是完全相同的.化学原料被存放在原料区段:由加压的气体钢瓶或液态原料的气泡瓶中产生蒸气,再以压力调节器配合质量流量计及计时器来控制气体的流量.
$ r1 F& f* p5 K( m* U4 y" @6 ]* R沈积反应则发生在反应腔室中的晶圆上,大部分的反应需要藉著将腔室加热或将晶圆直接加热才能发生,故其能源可能为热 (藉传导或对流来造成) 或感应的高周波 (RF),辐射能,电浆,或紫外光.在后续各节介绍不同的系统时会解释各种不同的能源.所需的温度则介於室温至之间,由不同的反应,所需的膜厚,以及成长时的相关参数决定.
+ Q" B+ d5 C- o6 L系统的第4项基本部分为晶圆承载器,其形式和材质由反应腔室的形状和热源所决定.大部分用以量产极大型积体电路的系统,由装填晶圆到完成卸载是全自动的.完全用以量产的系统会配有清洗设备及装填设备.
4 E+ j7 X9 O" {& U  Q; ^化学气相沈积的制程步骤
化学气相沈积的制程和氧化或扩散制程的步骤相同,在此稍做复习:预先清洁 (如果有需要则加以蚀洗),沈积,检测.清洁过程是将颗粒和可移动的离子污染物除去.化学气相沈积和氧化制程相同,是以循环方式进行的.首先晶圆被装填入炉管中,通常炉管中被充以钝气,接著升高晶圆的温度,若需要沈积薄膜则引入含有化学物质的蒸气,沈积完成后将蒸气移除,再将晶圆由炉中取出.接著检查沈积膜的厚度,阶梯的覆盖情形,纯度,清洁度,成分.
' `+ d" S  _) Q& e3 Q) \化学气相沈积系统的种类
, D5 M* G7 {  [; V  }# D化学气相沈积系统 (图3) 主要可分为两类:大气压力类 (AP或"常压") 及低压类 (LP).大气压力 (常压) 类的化学气相沈积系统 (APCVD) 有数种,但大部分较进步的沈积膜是在较低压力下完成的,也就是所谓的低压化学气相沈积系统 (LPCVD).
/ c! O  Y! K8 {另外一种区分的方式是炉管为冷壁式或热壁式.冷壁式系统直接以感应的方式或以辐射的方式将晶圆或晶圆承座 (晶舟) 直接加热,但炉腔壁则保持在低温.热壁式系统则将晶圆,承座,及炉腔壁一并加热.冷壁式CVD的优点是化学沈积反应仅会发生在被加热的晶舟,晶圆上,而热壁式CVD中化学反应却会发生在整根炉管内壁,造成反应产物累积在炉壁上,故必须经常清洗炉壁以避免污染晶圆.
4 J" R' \) a3 w. aCVD系统的能量来源有两大类:热式及电浆式.热式的能量来源形式有:炉管,高温热平板,及高周波 (RF) 感应.电浆增强式化学气相沈积 (PECVD) 系统配合以低压具有以下的独特优点:能使反应在较低温度下进行,并得到较佳的沈积膜成分及覆盖效果.
能用以沈积如砷化镓 (GaAs) 类之化合物薄膜的特殊CVD系统为气相磊晶 (VPE),在VPE系统中,一种用以沈积金属的较新技术为利用金属有机原料的化学气相沈积 (MOCVD).本文最后描述的是一种在高度控制下,以低温产生薄膜沈积的非化学气相沈积方法:分子束磊晶 (MBE).
" i% }, I( E; C4 B' F. f常压化学气相沈积系统
如同其名称之暗示,常压式化学气相沈积系统中的化学反应和沈积是在大气压力 (常压) 下进行的,在此方法中有几种不同的设计 (图10).
) I6 i4 u* n5 i; X: E水平炉管配合感应加热常压化学气相沈积g
( ~8 w4 [" t. x; e6 k9 [% ^最早被广泛使用的CVD系统是用以在双载子元件上沈积矽的磊晶膜,其基本的设计概念仍被使用 (图11).基本上它是一个水平式炉管,但和一般炉管有些明显的不同:首先,其管的断面形状为正方形,但最主要的差异是其加热方式和晶圆承座 (holder).晶圆是被放在一平的石墨板上并置於炉管中,而炉管外则环绕以铜制线圈,线圈则和射频产生器 (RF generator) 相接.在线圈内前进的射频波会穿过石英炉管和炉管内部流动的气体,但却不会将炉管和气体加热,此为系统所具有的"冷壁"特徵.当此放射出的高周波进入石墨制的晶圆承座后,会使石墨分子耦合震动而产生加热的温度上升现象,此种加热方法称为"感应"(induction).
4 G1 u% Q5 ~9 x" o' }$ g图10 各种不同的化学气相沈积反应腔式设计法
5 |6 y9 T4 V5 r2 S- i图11 具有水平式承座的冷壁感应式常在化学气相沈积炉
高温的承座内的热量会藉著传导的方式进入晶圆,使得晶圆表面 (及承座表面) 产生沈积膜.然而此种系统会有一种问题:层流的气流在下游时其内含的反应原料会逐渐消耗殆尽.层流 (laminar flow) 是为了减少气流的乱流扰动 (turbulence),但若腔室内的晶圆被平放,则靠近晶圆的气流层中的原料会被消耗掉,使得晶圆上的沈积膜厚度会沿著晶圆承座的方向而逐渐变薄,因此将晶圆承座倾斜的放在炉管内可改善此种问题 (图12).
9 r* B1 Q* k2 O3 s' ~# f; u' E/ q2 N圆管式辐射或感应加热常压化学气相沈积g
在水平式系统中的承座上所能放置的大直径晶圆数量很少,并且大的晶圆承座也会造成系统的均匀度问题.圆管式辐射加热系统 (图13) 的研发解决了这些问题.反应炉腔为不锈钢制的圆管,其内部表面装以许多高强度的石英加热器.晶圆被放在圆管内的石墨承座上,并绕著圆管中心轴线转动,旋转的晶圆所产生的膜厚度较水平式系统来得均匀.加热用的灯管所放出的辐射热将晶圆表面加热,使得沈
图12 具有倾斜的晶圆承座之冷壁感应式常压化学气相沈积炉
. p1 L" X  C3 J0 W9 H3 t6 K& Y, X图13 圆柱形或圆管式系统
- ^) v* |" M$ s# w& T; |积反应发生.虽然炉腔壁也会被加热,但此种系统比较接近於冷壁式沈积.直接辐射式的加热造成沈积膜被良好控制而得以均匀的成长.在感应加热式系统中,晶圆被由底部加热,因此随著沈积膜变厚,膜表面的温度会比晶圆温度低,此温差虽小但却是可被量测出的.在圆管式系统中,晶圆表面直接面对加热灯管,故接受到较为均匀的加热温度,因此沈积膜的成长速度会较为均匀.
在1987年,应用材料公司 (Applied Material) 发展出一种使用感应加热式的巨大圆管式系统供大直径的晶圆使用.圆管式主要的优点是每次可装入较多的晶圆,因此能将产量增加.此种系统广泛的用於沈积反应温度介於至之间的磊晶矽.
& C. d$ l, z% Y. \" P锅饼感应加热式常压化学气相沈积g
锅饼 (pancake) 式或垂直流式常压化学气相沈积系统,常被使用在小量生产线上和以研发为目的的实验室 (图14) 中.晶圆被放置在一旋转的石墨承座 (形状如同锅饼) 上,并由承座下方的高周波线圈以感应及传导的方式进行加热.反应气体
3 E- r- p! H' ]& @$ |, P/ s: d图14 可旋转的锅饼式常压化学气相沈积炉
则由晶圆上方的管路输入.垂直气流具有将新鲜的反应原料连续的供应给晶圆的优点,因而减少了下游的反应原料逐渐消耗的问题.气体受到承座的旋转,而产生旋流及垂直流动两种效果的混合后,造成沈积膜的均匀性优良.在小型的系统中其产能受到限制,原因如同水平炉管式一般,因为锅饼 (石墨承座) 上所能放置的晶圆数量有限.
双子星研究公司有制造一种量产级的锅饼式炉,其反应器具有辐射—电阻加热系统,并配合以能使用机械手臂自动装填的大容量石墨承座.
' X) u* a& d8 u7 C% n# O2 R连续传导加热式常压化学气相沈积g
7 Q" c6 x. G( |. A1 l( e8 Z有二种以传导方式加热的水平常压化学气相沈积系统,均在反应腔室外先将各种气体混合再喷洒至晶圆表面.在其中一种设计中,晶圆承座被加热并且不断的左右往复运动 (图15),其上方有许多喷嘴将所需的气体喷出.另一种设计 (图16) 中晶圆被放在输送带上运动,其上方有一大型贮气槽,用以将反应气体暂时贮存后喷洒出.
0 g, B7 L0 _) s! H! I; F图15 能往复移动的加热平板式常压化学气相沈积系统
图16 连续式加热平板常压化学气相沈积系统
9 ~. I7 B9 w+ Y+ D0 v水平传导加热式常压化学气相沈积g
一种早期设计的化学气相沈积系统为水平传导加热式常压化学气相沈积系统 (图17),用以沈积二氧化矽保护层.晶圆放在不锈钢造的腔室内之可移动热平板上,被热平板和腔室壁 (热壁式系统) 加热.反应所需的气体则被输入腔室中.
, Q: D: [0 @( m& ]& Z" X4 D9 Y* a, p! `低压化学气相沈积g
在常压化学气相沈积系统中,沈积膜的均匀性和制程控制,都依赖系统中的温度控制和反应气体的流动控制.影响沈积膜的均匀性和阶梯覆盖性的因素之一为:反应腔室内的分子的平均自由路径 (mean free path).平均自由路径是气体分子在移动时会和腔室中其他的分子或晶圆,晶圆承座相碰撞前所移动的平均距离.碰撞会改变分子前进的方向,而平均自由路径愈长,沈积膜的均匀性愈佳.决定平均自由路径的主要因素为系统中的压力,故将腔室中的压力降低会使平均自由路径升高,因而有助於沈积膜的均匀性.降低压力也使得所需的沈积温度下降.
图17 热平板常压化学气相沈积炉
/ @3 K' W( j. F这些低压的优点在1974年Unicorp公司授权予以摩托罗拉公司 (Motorola),推出一种在数百毫托耳 (millitorr) 下操作的低压化学气相沈积 (LPCVD) 系统时,工业界才得以运用.LPCVD的优点列出如下:
较低的化学反应温度.
较佳的阶梯覆盖性和均匀性.
垂直式的晶圆装填增加了产量,并减少暴露於污染粒子的可能.
较不受气体流动的形式影响.
% }. a( Z9 b# W, a7 K对气相反应颗粒形成沈积所需的时间较短.
可在标准的炉管中生产.
水平式传导-对流加热低压化学气相沈积 g
) c6 N9 }2 s7 ^2 Z: \一种利用水平式炉管的量产级的低压化学气相沈积系统 (图18),具有三项主要的改变.首先,炉管和真空帮浦系统相接,将管内压力抽至0.25至2托耳 (torr) 的低压范围,其次是将管中央部位的温度提升,以补偿管下游的反应原料降低的效应.最后一项改变则是在气体入口处加上特殊的喷嘴,以改善气体的混合及沈积均匀度.在某些系统中,喷嘴的位置是在晶圆上方.此种系统的缺点在於污染颗粒会形成於管壁内侧 (热壁反应),以及沿著管轴的均匀度的变化,必须使用笼 (cages) 罩住晶圆以减少颗粒污染,以及因为常需清洗炉管而造成的停机时间损失较高.
, ~. r/ r! y4 T- _: e$ u此种系统常用於生产多晶矽,二氧化矽,以及氮化矽膜,其典型的厚度均匀度在以内,主要影响沈积的变数为温度,压力,气流,气压分压,及晶圆和晶圆间的间距.对每种沈积反应而言,都需谨慎的调整这些参数.其沈积速率 (每分钟100至500埃) 较常压系统为低,但其产能却因可垂直放置晶圆每次达200片之多而有较高的产量.
图18 水平式热壁低压化学气相沈积系统
! r' ~) Q* z: w; {9 a8 P超高真空化学气相沈积g
较低温的沈积可减低结晶的损伤并降低热预算 (thermal budget),因而减少掺杂区域的横 (侧) 向扩散.其中的一种应用是在超高真空状态下沈积矽和锗化矽.降低压力能使所需的沈积温度下降.要产生超高真空化学气相沈积,必须将炉管内的压力先降至1到毫巴 (millibar,简写为mbar),沈积时的压力在毫巴范围.
) g- P. a# k" o$ w0 u) N$ g: c电浆增强化学气相沈积
; P: |3 S: K5 h  D电浆增强化学气相沈积 (PECVD) 技术的发展,是为了要以氧化矽来取代二氧化矽作为保护层.以热生成二氧化矽所需的沈积温度约为,但是此温度会造成铝和表面的矽结合成为合金,形成内部的接通,因此难被接受.解决此问题的方法之一是利用电浆来增强沈积所需的能量.因为能量被增加,所以要在铝层上沈积所需的温度,可比铝所能接受的最高温度 () 来得低.电浆增强的系统结构和电浆蚀刻系统是类似的.其形貌是一对平行板所形成的腔室,内部为低压.以射频 (RF) 感应产生炽热并释放电子,或用其他的电浆来源以在沈积用的气体中感应生成电浆场.此种合并低压和低温的结果是:能产出均匀性良好的沈积膜及产品.
图19 垂直流等温低压化学气相沈积系统
电浆增强的化学气相沈积反应炉也可被用作晶圆的蚀刻,或在沈积前所需的晶圆清洁目的,此步骤和乾式蚀刻制程是相同的.此种现场清洁可使要被沈积的表面,在晶圆被装填时沾上的污染物能被去除.
9 w/ L3 q9 h9 e- j水平式垂直流电浆增强化学气相沈积 此种系统依循底部加热的锅饼式垂直流CVD的设计形式 (图20).电浆区是由腔室的顶部藉著将射频波 (RF) 送至电极或其他电浆源而产生.晶圆的加热则由装设在晶圆承座底部的辐射加热器提供,故系统为冷壁式沈积.因为此为电浆增强式的化学气相沈积系统,故除了要控制和一般低压化学气相沈积相关的参数外,还需控制一些额外的参数,如:射频波的功率密度,射频波的频率,及负载周期循环.一般而言,膜的沈积速率会增加,但要小心控制以避免形成膜内应力或发生破裂.
  Q) z% C& [* p0 M! ^- A1 x一种腔室内仅容单片晶圆的电浆增强化学气相沈积系统 (图21),因为腔室体积很小,且每片被连续送进入的晶圆都接受到相同的环境条件,故比较能够满足控制所需.但是单片晶圆的生产系统之生产速率,一般是比批量 (batch) 制程来得低.要能以此种系统去取代大腔室的批量系统在产量上的优势,就必须能有快速的装填取出晶圆的机构,并配合以能快速将腔室内抽成真空的帮浦.装填并闭锁的
* n8 v% }- }3 p. O* h图20 垂直流,锅饼式电浆增强化学气相沈积系统
图21 单片晶圆腔室平板电浆增强化学气相沈积炉
1 l- K, a8 Y9 j/ A5 s系统将晶圆先送至一等待室 (ante-chamber) 后,将其抽气至所需的低压状态,一旦沈积腔室空出时便将晶圆移入,因此可以提高产量.
6 `  }  u+ D# s( y9 j圆管形辐射加热式电浆增强化学气相沈积 此种系统为标准的圆管辐射加热式系统,具有低压和电浆的能力,常被用於沈积矽化钨.
5 b8 o8 Y& |0 [) M2 V: @8 i水平管式电浆增强化学气相沈积 此种系统依据标准的炉管式设计.电浆区是在特殊设计的晶舟中产生.晶舟是用石墨板组成,交替的和射频波电源供应器相接 (图22).每对石墨板如同一小型的平行板电浆产生器.晶圆被放在平板之间,接著沈积用的气流通过晶舟,而晶舟 (平行石墨板) 内产生的电浆可强化沈积的效果.
此种PECVD的优点是利用现有的炉管,故经费得以减省 (不需使用特制的电浆炉腔),同时产量高.缺点是膜的化学成分较难控制,另外晶舟 (石墨板组) 的体积大而重.
图22 用以产生电浆的石墨晶舟
程度
温度范围
方式
高温
9 W; P1 N, J" I2 I, R* y射频波感应 (冷壁)
( U3 K) j- ^$ }( F! C幅射加热 (冷壁)
电阻线圈 (热壁)
  M- o0 S9 b' p' s" g9 S中温
热平板
电浆增强式低压化学气相沈积
低温
2 e. _3 ^* m% I热平板
电浆增强CVD
- s( j( D  J( b: H/ D7 L% u$ K光电化学
图23 化学气相沈积法的总结表
4 T0 \8 M3 S9 E$ U  Y+ Q9 @高密度电浆化学气相沈积
: d' v3 x; F4 l( \9 q5 p; ?3 K介於金属间的介电 (IMD) 层对多金属结构是很重要的.它们同时也代表著,将高的外形比 (aspect ratio大於3比1) 的洞填满之高困难度.一种可用的方法是利用沈积及现场的蚀刻程序.首先,沈积可防止底部的变薄,接下来将肩部蚀去,再重新沈积一次,可产生厚度均匀且平坦的层.
能够完成此种制程的系统为高密度电浆化学气相沈积 (HDPCVD).在含有氧和四氢化矽 (矽烷silane) 的腔室中产生电浆场以沈积二氧化矽.同时被感应的是氩,藉著电浆使其能量升高,并被导向晶圆表面前进.此是利用"溅射"(sputtering) 原理的乾式蚀刻 ("dry etching"),可将表面及沟渠内的材料移除.高密度电浆CVD具有能将多种材料沈积的能力,可应用於金属间的介电 (IMD) 层,蚀刻停止器,以及最后加上的保护层之沈积.
气相磊晶
+ b8 a  g6 \" \% B1 ]* B& h气相磊晶 (VPE) 和一般化学气相沈积的不同在於:VPE可沈积化合物材料,如砷化镓.气相磊晶系统是由一个使用液体原料的标准炉管及一个两区段 (two-zone指高温的第一区和较低温的第二区) 扩散炉 (图24) 合并而成.图24是用以生产沈积的砷化镓磊晶的特殊装置.在主腔室内晶圆上砷化镓层的产生分为二个阶段进行.首先三氯化砷以气泡瓶吹气的方式进入反应炉管的第一区段,在该处和放置在舟 (容器) 中的镓原料相反应.三氯化砷先和氢气反应生成砷,其化学反应如下:
, P9 A, o  u% i接著砷沈积在镓上,形成一脆皮.氢气流过脆皮时产生反应,形成三种气体 (砷,氢,氯化镓),流入第二区段,也就是晶圆所在的区段.此时以下的化学反应会发生:
' I7 ]9 N* `+ |图24 砷化镓气相磊晶沈积系统
, d- M9 [) S: _+ E' S3 d3 g, n! N此区段 (第二区段) 的温度比较低,故反应是逆向 (由右向左) 发生,造成固态的砷化镓沈积在晶圆上.此种技术的优点是能产生清洁的沈积膜,因为可以取得十分清洁的镓和三氯化砷原料,同时产能又比分子束磊晶 (MBE) 来得高.但其缺点为:所产生的膜结构品质不如分子束磊晶法所产生的.
9 x8 U5 h( ^2 s  ~1 l" e分子束磊晶
对所有用以沈积膜的系统而言,沈积速率的控制,较低的沈积温度,膜化学成分的控制为共同的目标.随著这些目标的日益重要,分子束磊晶 (molecular beam epitaxy, MBE) 技术也由实验室中进入量产使用.分子束磊晶法是一种蒸发过程而非化学气相沈积.其系统包含一个沈积腔室 (图25),室内维持在10-10托耳的低压.在腔室中有一个或多个小格室 (称为"发射格":effusion cells),内含晶圆上所欲沈积的高纯度材料 (称为"靶材").发射格前有快门 (shutter) 以使晶圆能暴露於原料蒸气.将电子束导引至靶材中央,靶材被加热而熔化成液态,因为低压故部分表面的液态靶材会蒸发成气态,由发射格的开孔处离开,沈积到晶圆上.若靶材原料为气态,则称为气体原料的分子束磊晶,或简称GSMBE.对大部分的应用系
. c  a2 @' ^$ e' }6 M9 B图25 分子束磊晶沈积系统
1 J& u8 U: h# J# Q% u统而言,腔室中的晶圆会被加热,以给予来到的靶材原子额外的能量,此能量可使磊晶成长更为顺利,所得到的膜品质更佳.
! w2 R5 m/ h0 }- H5 m* F若晶圆表面是暴露在靶材原子下 (即快门被打开的状态),则靶材原子会以晶圆的结晶方向成长成磊晶层.分子束磊晶法提供了一种巧妙的现场掺杂法:将要掺入的掺杂原料放在腔室中.一般用於矽的掺杂物原料不会被用於分子束磊晶系统中.固态的镓被用作为P型的掺杂物,而N型则使用锑.至於磷则几乎不可能用分子束磊晶法来沈积.
在矽技术中,分子束磊晶法的主要优点是低温 (至),因此减少了自动掺杂 (autodoping),及掺杂区内的掺杂原子向外越界扩散 (out-diffusion) 的现象.但分子束磊晶法最大的优点可能是:在一个制程步骤 (抽一次真空) 内可在晶圆表面形成多层的能力.此项功能需要在腔室内装设数个发射格,并配置快门,以导引蒸发的分子束以正确的顺序,在正确的时间沈积在晶圆上.
分子束磊晶法的一项优点 (也是缺点) 为其沈积膜的厚度成长速度缓慢,每分钟仅为60至600埃 ().其优点是产出的膜可被良好的控制,膜可被以单层原子的方式成长 (并和不同原子混合),但大部分半导体的膜层并不需要用到如此良好的控制及品质,因此分子束磊晶法成为一种低产量,而设备本身又昂贵的奢侈品.
分子束磊晶法的可能附带优点之一是:可将用以成长膜的设备和品质分析仪器一同置於腔室中.藉著这些仪器,可使得每片晶圆都得到最佳的控制,以产生出质地均匀的沈积膜.分子束磊晶法已被用以生产特殊的微波元件及化合物的半导体,如砷化镓.
金属有机化学气相沈积g
金属有机化学气相沈积 (以下简称MOCVD) 是目前最新的化学沈积法,可使用化合物原料.VPE (气相磊晶) 法指的是一种化合物原料的沈积系统,而MOCVD则指VPE系统中使用的原料 (图26).所使用的化学品有二类:卤素的化合物 (halides) 及金属有机物.在气相磊晶 (VPE) 该节中所叙述的砷化镓沈积即为一种卤化反应 (halide process).第Ⅲ族的卤族化合物 (镓) 在高温区段 (第一区段) 形成,而所需的Ⅲ-Ⅳ族化合物则在低温区段沈积出.在金属有机制程中,若要产生砷化镓,则反应腔室内会被计量注入三甲基镓 (trimethylgallium) 及三氢化砷 (arsine),进行如下的化学反应产生出砷化镓.
( u" e! D. l% I* {$ i图26 金属有机化学气相沈积系统
' e, T1 m# M/ m6 @" @6 w2 Q( B分子束磊晶法虽可用於相同的目的,但却很慢,而MOCVD法则能满足量产所需并且可用於较大的底材 (晶圆) 上,本法也能用以生产材料成分突然变化的多层沈积.这种特性对生产化合物半导体结构极为重要.同时,不同於分子束磊晶法,MOCVD能够沈积磷,如同在一些铟镓砷化磷 (InGaAsP) 元件中的磷即是如此沈积出的.藉MOCVD法制造出的一般元件为光电类,如高亮度发光二极体 (LEDs),长波雷射,可见光雷射,橘色发光二极体等.
MOCVD是一涵义宽广的名词,指的是以金属有机原料的化学气相沈积法沈积出半导体膜.当使用气相磊晶系统配合以金属有机原料以产生磊晶层时,称为MOVPE (金属有机气相磊晶).
各种沈积膜
) M; ^4 L6 V% Z3 ~* [藉化学气相沈积技术沈积出的膜可依其电性为半导体,介电体,导体而分类.在以下各节将检视这些不同的沈积膜,每一种在半导体元件中的主要用途及其特殊应用性质都会有所说明,但主要的说明仍以一般用途为主.
沈积的半导体
截至目前为止我们所讨论的半导体元件和电路均是在晶圆上形成的,但利用晶圆本身去制造高品质的元件的电路会有数种缺点.对於结晶品质,掺杂区域,及掺杂的控制……等要求,都使得利用晶圆本体受到限制.这些因素使得制造高效能的双载子电晶体受到限制.一种解决的方法是使用一种称为 "磊晶层"(epitaxial layer) 的沈积矽.此种技术是半导体产业的一项重要进步,早在1950年磊晶技术就已存在,自此之后,沈积的矽层被用於许多地方,如:进步的双载子元件设计,高品质的互补式金氧半导体 (CMOS) 电路,并将矽磊晶层沈积於蓝宝石 (sapphire) 及其他基材上.砷化镓和其他Ⅲ-Ⅳ族及Ⅱ-Ⅵ族的化合物膜也被沈积为磊晶膜.和底材材料相同的磊晶膜 (如在矽晶圆上沈积矽磊晶) 称为"同质磊晶"(homoepitaxial),而和底材材料不同的磊晶膜 (如在矽晶圆上沈积砷化镓磊晶) 则称为"异质磊晶"(heteroepitaxial).
矽磊晶
0 K7 h; E# |. L磊晶这个字"epitaxial"源自希腊,意为"被安排在……上".在半导体技术中指的是膜的结晶结构为单晶.此结构发生於当矽原子被沈积在CVD反应炉内的矽晶圆表面 (图27) 时:当化学反应物被良好的控制,且系统参数被正确的设定时,到达晶圆表面的沈积物原子会具有足够的能量在晶圆表面移动,并将它们自己依照晶圆原子的结晶方向排列整齐.因此沈积在结晶方向为 的晶圆上的磊晶膜也会具有 的结晶方向.
但是相反的,若晶圆表面有一层无方向性的二氧化矽非晶结构薄层,或是有污染物,则沈积的原子就没有可遵循的排列方向.所造成的沈积膜结构就会成为多晶矽.此种情形在某些应用中十分有用,如在金氧半导体 (MOS) 的闸极时,但在需要造成单晶膜时则应避免.
% }0 z$ F) d* R. y+ q% D9 K以四氯化矽为原料的化学特性 有许多不同的原料可用以沈积磊晶矽 (图28),至於要选择哪一种原料则需考虑下列的因素:沈积温度,膜的品质,成长速率,以及和某特定系统的配合性.沈积温度是一项重要的制程参数,温度愈高则膜成长速率愈快,而较快的成长速率会造成较多的结晶缺陷及膜的破裂,以及应力.较高的温度也引起较高程度的自动掺杂 (autodoping) 及越界扩散 (out-diffusion).
5 t" e! l2 D/ \6 r5 R2 i图27 磊晶和多晶矽膜的成长
四氯化矽
四氢化矽 (矽烷)
) }. h. \9 o5 q9 z二氯二氢化矽
图28 磊晶矽的化学原料
+ v5 ~+ `$ t* A四氯化矽 () 是常用於在矽晶圆上沈积矽的原料,它允许较高的成形温度 (速率),并且其化学反应是可逆的 (reversible).在图28中,其化学反应式中是双向箭号,代表在向右方向是产生矽原子,但在另一方向 (向左) 则是移除 (蚀去) 矽,在反应腔室内此两种反应彼此相互竞争.
. [& j/ W' R% U! D1 j4 l一开始时,矽晶圆表面要加以蚀洗以准备进行沈积反应,在第二阶段中,矽沈积的速率比被蚀去的速率快,其净结果是造成沈积膜的形成.图29显示此两种反应的结果:在气流中四氯化矽的分子数目百分比增加时,沈积速率会开始上升,但当比例达到0.1时,蚀刻反应开始变强并主导情势,使得膜成长速率变得缓慢.事实上蚀刻反应是反应腔室中最先发生的状况之一,因为在准备沈积矽时腔室中就曾灌入计量的氯化氢 (HCl) 气体,以将矽晶圆表面蚀去薄薄的一层.
图29 四氯化矽造成的磊晶沈积的成长 / 蚀去特性
" w' e% B0 z# P. A# i5 q2 ?  F; B以四氢化矽 (矽烷) 为原料的化学特性 其次最常被用来沈积的含矽化学物为四氢化矽 (,矽烷silane),其优点是不需要外加另一种反应用气体.在四氢化矽受热时,它会分解,因而形成矽原子.同时其反应温度又比四氯化矽沈积的温度低了好几百度,因此就避免自动掺杂及晶圆弯翘的观点而言,四氢化矽是颇具优点的.四氢化矽也不会造成图案偏移 (见"磊晶膜的品质"该节).但不幸的是,四氢化矽的分解反应在反应腔室系统中各处都会发生,产生粉状的膜,造成晶圆被污染.因此,四氢化矽较常被用於沈积多晶矽和二氧化矽.
+ g0 \: N% y, ?; _: m1 `以二氯二氢化矽为原料的化学特性 二氯二氢化矽 (dichlorosilane,) 也是一种能在较低温度下反应的含矽原料,用於生产薄的磊晶膜.因为其较低的反应温度可减少自动掺杂,以及由前次扩散的埋层中引起的固态扩散,并且使晶体结构较为均匀.
磊晶膜的掺杂 磊晶膜的优点之一是:其制程能提供正常的掺杂量,以及范围较宽广的掺杂量.矽晶圆内的掺杂浓度范围约介於至(原子每立方公分),而磊晶膜则为1012至之间,其上限值几乎是磷在矽中的最大固态溶解度.
  M- O; j# Z% d# V$ o4 C; E* B. u在膜中掺杂的方法是将含掺杂物的气流加入沈积反应物原料中.掺杂物气体原料则和沈积式掺杂炉中所使用的原料化学成分完全相同.事实上,化学气相沈积 (CVD) 用的沈积腔室被改装成为掺杂用的系统,掺杂物在腔室中被混入成长中的膜中,形成所需的阻抗值.要在N型或P型的晶圆上长出N型或P型的膜是都可以的.在早期的双载子元件技术中是将N型的磊晶膜成形在P型的晶圆上.
磊晶膜的品质 制程的主要关切重点之一是磊晶膜的品质.除了一般对污染的考量外,对磊晶成长中产生的许多问题尤其需要重视.污染的系统可能造成所谓的"薄雾 (haze)"问题:薄雾是一种表面的问题,轻微时仅是在显微镜下的裂痕,严重时则变成目视可观察到的表面阴暗粗糙.其造成原因是反应气体中残余的氧或系统中的漏泄.
在开始沈积时表面的污染造成局部膜加速的成长,形成所谓的"尖凸 (spikes)",如图30.尖凸的高度可能会和膜厚相同,它们会使光阻层或其他的沈积层内形成孔洞或裂痕.
在膜成长时许多结晶问题可能发生,其中之一是"堆叠瑕疵 (stacking faults)",其原因是环绕著沈积成长平面的原子之差排引发的不同原子成长平面,此种瑕疵始於晶圆表面,然后会成长至磊晶膜的表面,其形状则由晶圆和磊晶膜的结晶方向所决定.在结晶方向为 的膜上之瑕疵为金字塔状 (图31),而在 方向上则为长方体形.此类瑕疵可用X光或蚀刻方式加以测出.
* N# _- D" o6 h! R* H在 方向的晶圆所具有的一种成长问题是"图案偏移 (pattern shift)".此问题发生在沈积速度太快,且磊晶膜平面成长时,和晶圆面呈一角度时.在需要藉磊晶膜表面的阶梯来定位下表面的图案时,图案偏移便会造成问题 (如图32).另一种膜成长时的主要问题是"滑移 (slip)",此种情形发生的原因是沈积时的相关参数控制不佳,造成平面界面之间的结晶滑动,如图33.
; |# _5 K1 H" ?* h) \5 p! `图30 磊晶成长成尖凸
图31 在 方向的矽上的堆叠瑕疵
  Z3 U8 q, s* s2 F) R图32 磊晶图案偏移
图33 结晶滑移
* J+ a, L" I( p' Y4 Q4 w和沈积温度相关的问题有两种:自动掺杂 (autodoping) 和越界扩散 (out-diffusion).成长中的磊晶膜会产生自动掺杂的原因是:晶圆内的掺杂物由晶圆背面扩散出,混入含沈积物的原料气流中,和沈积物一起进入成长的膜中,造成膜的阻抗改变,或是导电程度 (某种深度的导电性) 的改变.例如:当N型晶圆上要沈积P型的膜时,因为自动掺杂会使得N型杂质进入P型的膜内,中和一部分P型的原子,使得膜的P型电性减少.越界扩散则引发类似的效应,但发生的位置是在磊晶层和晶圆的交界上.其原子的来源是在沈积前晶圆内的掺杂区域.在双载子元件中,此种区域称为"埋层 (buried layers)"或"下收集区 (subcollectors)".通常的形式是:在P型的晶圆上有N型的埋层.然后在其上为N型的磊晶层.在沈积时,掺杂区内N型的原子越界扩散至磊晶层的底部,改变其浓度.在严重的状况时,埋层内的所有N型原子均会上升至双载子元件结构内,而造成其电性功能丧失.
! o' s- Y# I5 J  j) v* R6 i用於互补式金氧半导体的磊晶 在1970年代末期之前,大部分的磊晶膜,用於双载子电晶体的集极 (collector) 区域.此技术提供了高品质的基底可供元件的运作,并且是一种优良的隔离邻近元件的方式.但较新的发展是:愈来愈多的磊晶矽被用在互补式金氧半导体 (CMOS) 的晶片上,此种对磊晶的需求源自於CMOS电路中被称为"闭锁"(latch-up) 的问题.
. N4 A2 C: `# U+ b# Z  U(a)
! e. a. H  H, J5 f7 Y(b)
9 T5 y/ @) ?; e1 }图34 (a) 磊晶的自动掺杂;(b) 越界扩散
* ]! D' H1 f( E* n8 `: \磊晶制程 典型的磊晶制程是由将晶圆送入反应腔室前的整套严格清洗开始的.在沈积炉内则需进行一连串的步骤以正确的沈积出磊晶膜.在图35中列出了原料为四氯化矽的磊晶制程步骤.首先的几项步骤,为气相清洁晶圆表面,接下来进行沈积,最后则冷却完成循环.在所有的步骤中,对温度和气流的控制为重要的关键.
( Q" V$ W( F! o. C  x' y$ [, ]4 b选择成长的磊晶矽 磊晶沈积系统的进步使得磊晶膜能够选择其成长的位置.在双载子和互补式金氧半导体之基底上的磊晶膜是被沈积在整片晶圆上的,然而在选择成长的状况下,磊晶却可由二氧化矽或氮化矽膜的孔洞中成长而出.晶圆被置於反应腔室中,磊晶膜则由孔洞的底部,也就是晶圆暴露矽的面直接长出 (如图36).膜在成长时其方向便会和底部晶圆的结晶方向相同.此种结构的优点是将来形成於
* c# d4 g' [2 e5 q# r5 k循环
温度
气体
目的
& o  l7 ^' L! q( `" U$ ?/ \6 z1 |1
1 v9 ^! E3 Y4 N* L! r. d& ]室温
将空气由系统中完全排除
2
, P1 ^* j  m) X9 D/ ~% g- Z% R" y室温
0 d: O4 J: @( u! b3 }将系统中的晶圆上的有机污染物以还原反应去除
3
" j" y) [$ k1 S" @; \(加热)
! r( B$ d% f* d6 ?1 D将系统温度升至沈积温度
4
% r2 k( ^9 y8 J* K& l; w( B沈积温度
5 t! c# R! X: N7 dHCl
5 A5 V7 [; U, X% h7 W将晶圆表面蚀净准备进行磊晶
2 P) f) V' f( y9 y* `/ M, K5
! y, R/ C! k. W# L1 y' c, x3 ?沈积温度
2 f% h  d6 U: n+ ?" }$ S: m6 v原料,掺杂物,载气
' p+ O  J- Z! a8 C7 f6 A磊晶膜成长
! b$ P- K1 j, r6 [6
(降温散热)
将系统中的反应气体排除
图35 利用沈积磊晶的典型过程
图36 选择性的磊晶成长各阶段
1 c! Y! C) k. z6 w. P( l1 ?  ~磊晶区域表面的元件,可藉著二氧化矽或氮化矽而彼此隔开.
若沈积继续发生至独立表面上,则磊晶膜会成为多晶结构.磊晶延伸的另一种结果则是:覆盖上的沈积层之性质会全部变成磊晶特性 (亦即不是前述的孔内单晶,孔外多晶,而是全单晶).这些不同的结果使得此种方法应用在较进步的元件设计上增添了许多有用的结构可供选用.
5 G# k& B  y$ v沈积多晶矽和非晶矽
5 ?, z6 k- A/ U$ h9 a" L! s直到1970年代中期,金氧半导体元件的矽闸极出现之前,多晶矽 (polysilicon) 在元件结构中的用途极少.矽闸元件的技术促成了对沈积多晶矽薄层可靠制程的需求.到了1980年代中期,多晶矽已俨然成为进步的元件内可靠有效的材料.多晶矽除了用於金氧半导体的闸极外,也用於静态随机存取记忆体 (SRAM) 中的负载电阻
* {& N& e0 M2 E) V4 U图37 金氧半导体电晶体的矽闸剖面
中,沟槽填充,电子式可抹去的可程式唯读记忆体 (EEPROM) 中的多层材料,接触阻隔层,双载子元件的射极,以及矽化金属中的部分.
早期制程为将覆盖氧化层的晶圆置入水平式常压化学气相沈积炉中,让多晶矽沈积在氧化物上.早期的多晶矽沈积和磊晶沈积的主要不同在於使用四氢化矽的原料.虽然四氢化矽并非沈积磊晶膜的常用原料,却十分适合用以沈积多晶矽.
典型的多晶矽沈积制程的温度介於至之间.沈积可利用的四氢化矽,或使用含有氮或氢气的气流.前面已说明过,多晶矽的结构为完全未经任何规律安排的矽原子.然而在沈积出的多晶矽中,其结构却是有些不同.在温度低於时的沈积前期阶段,其结构为非晶矽 (amorphous silicon),完全没有任何结构可言.藉沈积技术生产出的多晶结构事实上是由许多小区域 (晶粒:grain) 的单晶矽构成,但这些小区块间被晶粒的边界所隔开,此种结构称为圆柱状多晶 (columnar poly).
晶粒的大小和晶粒的边界之重要性,在於其对膜内电流特性的影响.在电流要通过晶粒的边界时会产生电流的阻抗.晶粒边界愈大产生的阻抗愈高.故要能由元件至元件间以及在元件内部得到一致的电流,必须能良好控制多晶的结构.据说在气流中使用氢气的优点之一是:能减少表面的不纯物和潮湿,从而使晶粒变小.系统中的潮湿或氧的不纯物会使结构中生成二氧化矽的成长.氧化物会使膜的阻抗增加,并使后续的微影步骤中的蚀刻性增加.
系统一般的所有操作参数 (温度,四氢化矽的浓度,输气的速度,氮气流或其他气流),都会影响沈积速率及晶粒大小.通常晶圆会被施以沈积后的退火,温度约在的范围,以使膜进一步的结晶化.当晶圆受到任何的高温处理时,便会产生"再结晶"(recrystallization).在完成的元件或晶片上之多晶矽膜的晶粒尺寸和电性参数,会和当初沈积上的膜之性质完全不同.
+ Y+ I8 S: u6 Q4 i0 k8 V( n' V- J另一项会影响晶粒尺寸的是气流中出现的掺杂物,在许多元件或晶片中,常用条状的多晶矽作为导体使用,故需加以掺杂以减少其电阻.掺杂可藉著在沈积前进行扩散,或在沈积后进行离子植入来达成.在沈积同时进行掺杂的方法是在原料柜内加入气态掺杂原料,并将之量计后送入反应腔室中.若加入双硼 (硼的原料),则会大大的增加沈积速率.但若加入三氢化磷或三氢化砷作为掺杂气体,则会产生相反的效果.此种掺杂法也会产生一些副作用,如膜的均匀性,掺杂的均匀性,及对沈积速度的控制性都会丧失.
掺杂的多晶矽膜之阻抗性比等量掺杂的磊晶矽或整块的矽 (拉晶或长晶时等量掺杂) 来得低,原因是掺杂物会陷入晶粒的边界内.
# e. [( B/ H" z9 f大部分的多晶矽层是以低压化学气相沈积 (LPCVD) 法沈积出的,因此法有较佳的产能,同时沈积温度也较低.另外此法能提供较佳的阶梯覆盖性,此种性能十分重要,因为多晶矽常被用以沈积在一些表面几何状况有高低变化的表面上.单腔室的多晶矽之低压化学气相沈积法,具有不需升高温度就能得到较高沈积速率的优点.
在蓝宝石上沈积矽及在绝缘体上沈积矽
% s7 x8 X8 r+ w$ @5 R3 p9 XSOS为在蓝宝石 (sapphire) 上沈积矽的缩写代表,而SOI则为在绝缘体上沈积矽的缩写代表,两者均是指在非半导体材料上沈积矽.此种结构之被需要乃源於在某些MOS元件中所遭遇的限制:即在一些主动元件下有半导体基材.此类问题的解决是在绝缘材料上形成一层矽,最早被用作此种基材者为蓝宝石,故称为SOS.随著其他各种不同绝缘体基材被引入,此名词被扩充成更具一般性,即SOI.
图38 阶梯的覆盖:(a) 良好的阶梯覆盖;(b) 非保形的覆盖
( a8 q- h8 N; y其中一种方法是直接在基材上沈积矽后,接著进行再结晶 (雷射加热,导电条加热,氧离子植入) 以生成有用的膜.另一种方法则是在氧化层的孔洞内进行"选择成长"的沈积,并成长超过氧化层面以形成连续膜.
另一种SOI法为SIMOX,在此法中晶圆表面藉著进行高浓度的氧植入而被转化为氧化物,接著在氧化物上成长一层磊晶层,此法也被推展成为所谓的"相黏结的晶圆"(bonded wafer),其指将两片晶圆黏结在一起后,将其中一片研磨至较薄,约为元件层所需的厚度.
绝缘体和介电体g
, I) n, V: `5 e4 C, q5 @在沈积元件或晶片中,功能为绝缘体或介电体的膜时,较常用的方法为化学气相沈积法.最普遍的膜材料是二氧化矽和氮化矽;一般而言,此两种膜在元件及晶片设计内有多种用途.虽然它们的制程和品质不同於其他的膜,但都需满足一般对沈积膜的要求.
, W7 B+ @1 i4 n' ~8 r3 I+ i8 d二氧化矽 沈积的二氧化矽长久以来就被人们知道是用在晶圆完成后,最后被覆盖上作为保护的材料.此角色是因为二氧化矽能提供其下方的晶片及元件所需的物理和化学防护能力.被用作为顶层的保护用之沈积二氧化矽也称为"Vapox","Pyrox",或"Silox".
Vapox是指"以蒸气形式沈积出的氧化物",是由快捷 (Fairchild) 公司的工程师们命名的,Pyrox则指因热而造成的 (pyrolitic) 氧化物,Silox则是应用材料公司 (Applied Materials) 的注册商品名称.有时此层简称为"玻璃"层.沈积的二氧化矽其保护的角色目前被扩展用在:多种金属化技术中作为中间介电层,金属化层和多晶矽间的绝缘层,掺杂的阻隔障层,扩散来源,以及作为隔离区.二氧化矽已成为矽闸结构中的主要部分.在多种金属的栓塞设计中有闸堆叠,是由热生长法制成的氧化物二氧化矽或氮气二氧化矽 (以TEOS,"正矽酸乙酯"沈积的) 及多种二氧化矽填料所构成.
由化学气相沈积法制出的二氧化矽,和以热生长法制出的二氧化矽之结构和化学成分,形式均不相同.随著沈积温度的不同,所沈积出的氧化物会具有较低的密度以及不同的机械性质,例如:光的折射率,抗裂性,介电强度,及蚀刻速率.这些性质受到膜中所加入掺杂物的影响极大.在许多制程中,沈积膜会被加以一种称为"加密化"(densification) 的高温退火.在加密化之后,沈积出的二氧化矽在结构上和性质上都会接近於热氧化法的二氧化矽.
. Q9 y' K2 w, U, q8 J对於低温沈积二氧化矽的需求是因为,当温度高於时,矽和铝会形成合金,而此是不容许的.早期使用的沈积制程是使用水平式以传导法加热的常压化学气相沈积系统,利用四氢化矽和氧进行以下的反应:
此种方式造成的膜品质不能用在先进的元件中,也不能用於较大的晶圆中,因为其沈积温度在,造成了膜品质不良.
低压化学气相沈积系统的发展,使得高品质的膜得以被制出,尤其是能有优良的阶梯覆盖性和低的内应力.同时由品质和产能的观点来看,都显示低压化学气相沈积为较佳的沈积技术.高温 () 的低压化学气相沈积制造二氧化矽,是使用二氯化矽及二氧化氮,其化学反应如下:
) |1 C. v) `: r) b. ?2 f正矽酸乙酯 到目前为止,主要的二氧化矽是用原料沈积而成,该原料称为正矽酸乙酯 (tetraetheyl orthosilicate) 或简称为TEOS,其历史可追溯至1960年代.早期的系统仅藉著TEOS在形成的热解裂 (pyrolysis) 反应,目前的沈积法则为1970年代发展的热壁式低压化学气相沈积系统,温度约在(以上) 的范围.使用TEOS配合以电浆加强法 (PECVD或PETEOS),使得沈积温度能在(以下) 的范围内产生.此种方法在制作0.5微米元件内的高外形比图案时,有保形覆盖 (conformal coverage) 受到限制的问题.阶梯覆盖的问题可藉著在气流内加入臭氧 () 而改善.
: `6 k$ q9 l3 T' h" S2 M7 @9 l另一种方法是利用四氢化矽和氮氧化物在氩气电浆内进行如下的反应:
掺杂的二氧化矽 二氧化矽常被掺杂以改善其保护特性及流动性质,或作为提供掺杂物的原料.最早被置入沈积的二氧化矽之掺杂物为磷,磷的来源为三氢化磷 (phoshphine, ) 气体,被加入沈积用的原料气流中,所形成的"玻璃"称为磷矽酸玻璃,简称PSG.在此种玻璃中磷是以五氧化二磷 () 的形式出现,使玻璃成为双化合物,或正确的说法为复合玻璃 (binary glass).
磷有三种功能:首先,此掺杂物可增加玻璃抗潮的性质.其次,可移动的离子污染物会被吸附在磷上而不能移动进入晶圆表面,此种功能称为"聚杂"(gettering).第三种功能则是使玻璃在受到的高温加热后的流动性增加,因而改善玻璃表面的平坦性.含磷量一般在玻璃全重量的以内,若超过此量,玻璃会变得具有吸水性并易受潮湿,湿气会和磷反应形成磷酸,侵蚀表面下的金属线.
' Y+ H5 q7 @: O; }- o要在玻璃中加入硼通常利用六氢化二硼 () 作为原料,硼的目的也是用以改善流动特性 (图39).所形成的玻璃称为硼矽酸玻璃,简称BSG.硼和磷常常一起被加入玻璃中,称为硼磷矽酸玻璃 (BPSG).
; o+ J+ h. i) ]% \& M图39 藉使玻璃流动而达成表面平坦化
+ X5 h% n' W) q1 M& ?5 ^0 d氮化矽 氮化矽被用以取代二氧化矽,尤其常被用为晶片顶层的保护层.氮化矽硬度较高为较佳的抗刮伤材料,也较抗潮湿并为较佳的阻障钠之材料 (未掺杂),具有较高的介电强度并抗氧化.此抗氧化的性质使其被用於以隔离为目的的局部矽氧化 (LOCOS) 中.图40说明了此过程:岛状的氮化矽能够使岛下方的矽不被氮化.在热氧化后移除氮化物,此时被氧化物分开的晶圆表面区域 (上方原为氮化物) 就可供形成所需元件之用.氮化矽的缺点为:其流动性质不如二氧化矽,也比较难被蚀刻.但难被蚀刻的问题已被电浆蚀刻而克服了.
' O2 Q  c/ S  B0 t  ~早期应用氮化矽作保护膜的限制在於缺乏低温沈积的制程.在常压化学气相沈积 (APCVD) 系统中,使用四氢化矽或二氯二氢化矽作为原料来沈积氮化矽,需要至的温度 (图41),其结果是形成四氮化三矽 ().此种反应也可在低压化学气相沈积 (LPCVD) 的反应腔室中进行,但所需温度较低,故可在铝金属层上进行沈积.电浆增强化学气相沈积 (PECVD) 的出现,则开启了使用不同种类的化学原料之沈积方式,其中一种是利用氨 () 或氮气和四氢化矽在氩电浆的协助下进行反应.
图40 LOCOS制程
4 p6 y  d. m2 B矽烷
: L4 z8 A8 Z+ [9 }二氯二氢化矽
* A' |3 i* x& Q2 |% H7 ?" a图41 氮化矽沈积反应
! U$ ]( B8 c, C4 I& q- T! a导体
传统的金属导体如铝及铝合金是利用蒸镀 (evaporation) 或溅镀 (sputtering) 技术进行沈积.主要的沈积导体为金氧半导体 (MOS) 型的电晶体矽闸材料:有掺杂的多晶矽.随著多种金属结构和新的导电材料的出现,使得化学气相沈积 (CVD) 和物理气相沈积 (PVD) 技术被加速的应用於金属导体之中.
重要的观念及名词
非结晶结构分子束磊晶 (MBE)
8 e$ f2 q& j, o9 M: M常压化学气相沈积 (APCVD) 金属有机化学气相沈积 (MOCVD)
圆管式系统锅饼式系统
硼磷矽酸玻璃 (BPSG) 电浆增强式化学气相沈积 (PECVD)
硼矽酸玻璃 (BSG) 多晶矽
9 N; G4 C9 X, s0 R' i7 ~化学气相沈积 (CVD) 磷矽酸玻璃 (PSG)
沈积的四氮化三矽选择成长的磊晶
6 U* j3 {% J; k6 H7 ?沈积的二氧化矽在绝缘体上沈积矽 (SOI)
3 }, ?7 U( n& Q) P磊晶在蓝宝石上沈积矽 (SOS)
高密度电浆化学气相沈积 (HDPCVD) 气相磊晶 (VPE)
感应式加热
低压化学气相沈积 (LPCVD)
复习问题
1.绘出并指明一个基本的化学气相沈积系统的主要子系统.
: b! W' Q- o* q2 N4 |0 H2.说明APCVD,LPCVD,及PECVD的主要差异.
1 A$ ]( x* \: P: Z3 }; M3.定义磊晶膜.
' C) r. ^) C2 @: T3 b; I" e, {* y5 R4.为何沈积二氧化矽保护层的温度被限制在(以下)
5.列出水平式垂直流的化学气相沈积炉的腔室优点.
$ I' t$ Y6 q8 I+ Z  R! k8 d6.写出利用四氯化矽来沈积矽的化学反应.
2 S9 c. s1 n9 r% w4 K7.说明MBE,VPE和MOCVD系统的主要差异.
* V/ d0 i  g! K/ T+ s8.要沈积多晶矽需要何种条件的晶圆表面
: s" L4 ?4 c$ X8 V% E9.描述以电浆协助沈积的方法优於常压化学气相沈积之处.
10.沈积的二氧化矽为何需要掺杂 而掺杂时使用的原料为何
9 C' \5 y: r( P参考文献

yupo54

够详细，谢谢

deepsky

繁体转的吧，不好看啊，呵呵

yshengu

图片有啊。原文地址提供下呢。呵呵！