半導(dǎo)體淀積工藝及其設(shè)備技術(shù)研究

蔡穎嵐，劉 峰，杜學(xué)寨，殷 瑋，杜 妍

（重慶聲光電有限公司，重慶 400060）

0 引言

半導(dǎo)體工藝就是在晶片上執(zhí)行一系列復(fù)雜的化學(xué)或者物理操作，制作能實現(xiàn)各種需要的器件，如半導(dǎo)體激光器、二極管、三極管、集成電路等。這些工藝可以分為4 大基本類：薄膜工藝、刻印工藝、刻蝕工藝和摻雜工藝。薄膜可以是導(dǎo)體、絕緣物質(zhì)或者半導(dǎo)體材料，根據(jù)不同的用途和要求，制作薄膜的方法也得到了發(fā)展和應(yīng)用，以薄膜制作，特別是PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）淀積的工藝及其設(shè)備技術(shù)做研究和討論。

1 薄膜制作方法

薄膜并不是平面膜，將半導(dǎo)體晶片放大后可以看見有很多的凹槽和突起。填充晶片表面上很小的間隙和孔的能力成為最重要的薄膜特性。隨著高密度集成電路特征尺寸的不斷減小，對于高寬深比的間隙薄膜制作顯得至關(guān)重要，半導(dǎo)體晶片表面薄膜臺階覆蓋圖如圖1 所示。

圖1 半導(dǎo)體晶片表面薄膜臺階覆蓋

式中 P——深寬比，mm

D——臺階深度，mm

W——臺階寬度，mm

薄膜工藝在一種半導(dǎo)體光探測器件的應(yīng)用如圖2 所示，在晶片基底上先后“生長”磷化銦、銦鎵砷、二氧化硅、金屬鋁和氮化硅等，在光刻和刻蝕等其它工藝的協(xié)助下構(gòu)建成需要的器件。圖2 中的二氧化硅用作絕緣膜，氮化硅用作光學(xué)增透膜，電極為電信號金屬膜，其余為各介質(zhì)膜。

目前半導(dǎo)體薄膜制作較廣泛的采用物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積方法。物理氣相沉積又稱PVD（Physical Vapor Deposition，物理氣相沉積），是利用物理過程在真空環(huán)境采用加熱或高能粒子束轟擊的方式，將靶材蒸發(fā)成氣態(tài)使之淀積在工件表面成膜的方式。PVD 技術(shù)有蒸發(fā)、濺射和離子束沉3 大方向，表1 為幾種PVD 的基本原理和性能特點。

圖2 半導(dǎo)體器件剖面

表1 主要的物理氣相沉積方法

化學(xué)氣相沉積又稱CVD（Chemical Vapor Deposition），是把含有薄膜元素的氣體通過氣體流量計輸送到反應(yīng)腔晶片表面，利用加熱、等離子體、紫外光或激光等能源，使其相互反應(yīng)沉積薄膜。CVD 分類方法較多，技術(shù)成熟又較為常用的有低壓化學(xué)氣相成積（Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD）、金屬有機化合物氣相沉積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）和等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD），表2為幾種CVD 的基本原理和性能特點。

半導(dǎo)體薄膜工藝根據(jù)可靠性、薄膜質(zhì)量、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率選擇相應(yīng)的制作方法，通常把PECVD 才直接稱為淀積工藝。

2 PECVD 淀積工藝

等離子體增強化學(xué)氣相淀積PECVD 是一種化學(xué)氣相沉積方法，這種技術(shù)是在電場下利用輝光放電使稀薄氣體電離，將反應(yīng)氣體離化，增強吸附在襯底材料上的氣體之間的化學(xué)反應(yīng)進而生成介質(zhì)薄膜，可以實現(xiàn)較低溫度下多種介質(zhì)薄膜的沉積。由電子、離子、原子、分子或者自由基團等粒子組成的電離氣體為等離子體。薄膜的生長過程見圖3。

表2 主要的化學(xué)氣相沉積方法

圖3 薄膜的生長過程

首先電子在電場作用下促使反應(yīng)氣體分解，形成含有離子和活性基團的混合物；然后向晶片表面擴散輸運，并伴隨次級反應(yīng)；最后各種反應(yīng)產(chǎn)物被表面吸附反應(yīng)成膜，同時也會再放出氣相分子物。以氮化硅薄膜為例，反應(yīng)過程如下。

PECVD 工藝受多方面因素影響，如腔室壓力、射頻功率、氣體流量比例和襯底溫度等。隨著淀積壓力的增大，等離子體的密度越大，淀積速率和薄膜折射率會因此增加；提高射頻電源功率可以為反應(yīng)提供更多的基團或離子，促進反應(yīng)速度，提高了薄膜的沉積速率；薄膜的折射率是薄膜的成分及致密程度的綜合反映，是檢測薄膜質(zhì)量的一個重要指標，研究表明，影響薄膜折射率的主要因素是氣體流量比；隨著基板溫度的提升，基板表面的化學(xué)反應(yīng)會急速上升，所以薄膜的淀積速率會增加。

3 設(shè)備技術(shù)

PECVD 設(shè)備在計算機控制下主要由真空和壓力控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、傳送片系統(tǒng)和淀積系統(tǒng)等部分組成。設(shè)備結(jié)構(gòu)，如圖4。

真空和壓力控制系統(tǒng)由抽氣泵組、閥門和壓力控制傳感器等系統(tǒng)組成，主要功能為工藝反應(yīng)提供所需真空。一般采用干泵和分子泵進行抽氣，可以避免油泵中的油氣進入真空室污染基片。氣路系統(tǒng)主要由氣源箱、反應(yīng)氣路、凈化與回填氣路組成，主要功能為工藝提供反應(yīng)氣體、凈化氮氣和回填氮氣，通常采用質(zhì)量流量計來實現(xiàn)精確控制。傳送片系統(tǒng)是晶片由外部進出反應(yīng)腔的中轉(zhuǎn)腔。工藝反應(yīng)之前由機械手將晶片從中轉(zhuǎn)腔室放入反應(yīng)腔，反應(yīng)結(jié)束再取回，中轉(zhuǎn)腔室也是反應(yīng)腔抽真空的前級準備腔。

圖4 PECVD 設(shè)備結(jié)構(gòu)框

設(shè)備的核心是淀積系統(tǒng)，淀積系統(tǒng)也稱為反應(yīng)腔。反應(yīng)腔由混氣室、噴淋頭、基板加熱器、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和射頻匹配等組成。工藝氣體要在被真空抽走前充分反應(yīng)，噴淋的結(jié)構(gòu)和其與晶片的位置都很重要。旋轉(zhuǎn)運動是為了提高膜的均勻性及傳送片的需要。射頻匹配形成等離子體輝光放電。反應(yīng)腔在真空狀態(tài)下加入反應(yīng)氣體，激勵電壓加在上下兩極板之間，就會產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象，形成放電電流。電子在電場作用下被加速獲得了足夠的能量，當它們與氣體分子相互作用時，就會激發(fā)氣體分子而發(fā)光。同時有些電子會繼續(xù)加速，電子的能量繼續(xù)增大，超過了分子激發(fā)所需能量的最大值，與氣體分子再發(fā)生作用時，就會使其分解、電離，形成大量高速電子和離子。PECVD 淀積通常用于絕緣膜制作，只能用射頻信號才能形成電流回路。對于射頻激勵電源，輝光放電過程中跟得上電場的變化的只有那些質(zhì)量非常小的電子。遠大于電子質(zhì)量的離子基本上動不了，在電場中，它們得到的能量非常少。由于正離子積累，在電極上出現(xiàn)一個負的自偏壓，進一步減小轟擊薄膜表面的離子能量，從而控制薄膜中的內(nèi)應(yīng)力，使膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，也有利于正離子擴散和反應(yīng)堆積成膜。對負偏壓的監(jiān)控能掌握入射功率的大小及淀積質(zhì)量情況。

PECVD 淀積是一種薄膜制作設(shè)備，制作過程中會在腔室內(nèi)部沉積不需要的廢料。這些廢料對設(shè)備造成影響，如加熱溫度漂移、降低設(shè)備真空、磨損移動部件、堵塞氣體噴淋頭和電場控制不穩(wěn)定等。反應(yīng)腔室需要定期清理，清理過程中對移動件不能加潤滑油，所以需要視損耗情況定期更換備件。

4 結(jié)束語

在半導(dǎo)體工藝中，PECVD 被直接稱為淀積工藝，制作二氧化硅和氮化硅等薄膜，作為光刻掩膜、光學(xué)增透、阻擋層、保護層或絕緣層。通過工藝和設(shè)備技術(shù)的研究，在實際生產(chǎn)過程中可保證工藝生產(chǎn)質(zhì)量，提高工藝可靠性和減少設(shè)備故障。