集成电路制造工艺台阶覆盖问题(2)

体的比率、反应的中间产品起的作用、以及是否需要其它反应室外的外部能量来源加速或诱发想得到的反应等。额外能量来源诸如等离子体能量，当然会产生一整套新变数，如离子与中性气流的比率，离子能和晶片上的射频偏压等。然后，考虑沉积薄膜中的变数：如在整个晶片内厚度的均匀性和在图形上的覆盖特性(后者指跨图形台阶的覆盖)，薄膜的化学配比(化学成份和分布状态)，结晶晶向和缺陷密度等。当然，沉积速率也是一个重要的因素，因为它决定着反应室的产出量，高的沉积速率常常要和薄膜的高质量折中考虑。反应生成的膜不仅会沉积在晶片上，也会沉积在反应室的其他部件上，对反应室进行清洗的次数和彻底程度也是很重要的。

CVD技术常常通过反应类型或者压力来分类，包括低压CVD(LPCVD)，常压CVD(APCVD)，亚常压CVD(SACVD)，超高真空CVD(UHCVD)，等离子体增强CVD(PECVD)，高密度等离子体CVD(HDPCVD)以及快热CVD(RTCVD)。然后，还有金属有机物CVD(MOCVD)，根据金属源的自特性来保证它的分类，这些金属的典型状态是液态，在导入容器之前必须先将它气化。而且，最近，单片淀积工艺推动并导致产生了新的CVD反应室结构。这些新的结构中绝大多数都使用了等离子体，其中一部分是为了加快反应过程，也有一些系统外加一个按钮，以控制淀积膜的质量。在PECVD和HDPCVD系统中有些方面还特别令人感兴趣是通过调节能量，偏压以及其它参数，可以同时有沉积和蚀刻反应的功能。通过调整淀积：蚀刻比率，有可能得到一个很好的缝隙填充工艺。 ③.原子层淀积（ALD）

原子层淀积（ALD）是超越CVD的技术，迅速被认可是需要精确控制厚度、台阶覆盖和保形性时应选用的新技术。ALD是一层一层的生长工艺，每一周期

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有自约束，因此对于超薄层生长的控制要好得多。ALD是在低于350℃的温度下进行的，而CVD要求的温度高于600℃，这就减少了能集成更复杂材料系又不产生交叉污染或内扩散的热预

算工艺。ALD技术对化学前驱物的要求与适用于CVD的那些材料不同。ALD工艺与衬底表面前驱物的化学性质关系极大。特别是为了获得好的粘附性和形貌必须有较高的反应性，不过在淀积单原子层过程中要阻止再进入反应位置的真正自约束生长。对于化合物（如金属氧化物或金属氮化物）的淀积，要求金属源和氧化/氮化化合物的选择与工艺条件（主要是输运/生长温度）和所涉及的二个或二个以上的化学物间的相互作用特别匹配。控制这些规范就能开发提供最佳性能的真正有自约束状态的ALD工艺（图5）。

ALD的理想前驱物组合是由三甲基铝（Me3Al，TMA）和水的交替脉冲淀积Al2O3。羟基覆盖表面的TMA的高反应性保证了Al中心的完全覆盖和粘合，即使是对最短暂的暴露亦如此。但是，吸附物质进一步相互作用的稳定性和TMA保证的淀积热稳定性限于此一反应阶段，在所用的低温

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度下没有CVD发生。H2O附加物恢复了羟基化表面，可用于下一个淀积循环（图6）。DRAM制造在其65nm节点电容结构中采用Al2O3作为高k材料，理想的ALD工艺应足以满足其要求。如前所述，ALD技术完全能与所需的其它标准加工步骤集成。CVD工艺无法淀积纵横比大于10:1的结构，而ALD方法能满足纵横比为100:1的结构。对于结构几何图形挑战性并不大的逻辑器件来说，已经推迟使用Al2O3，当Si基氧化物最终完全被取代时，Al2O3确实可能被其它材料超越。

其它新型前驱物研究

采用替代材料激发了寻求最佳前驱物和工艺参数的研究。可惜的是，颇有潜力的材料系涉及不同的化学材料，所以采用与TMA类似的分子并不总是可能的。已用附于金属中心的二个或者三个不同组别探索重要的化合物，以影响反应性、稳定性和可挥发性。在这些判别准则中，气化稳定性趋向于排除一些

最有可能的源材料。虽然有许多金属有机化合物，但只有几种可以完全转变为浓缩的气相而没有任何分解。引入气相是实现均匀接触衬底所必须的，低挥发性材料严重地限制了工艺的可能性。一般说来，有用的重要化合物包括卤化物（i）、醇盐（ii）、烷基酰胺（iii）、烷基（iv）和烯烃（v），见图7。

研究铪和锌时，证明用甲基环戊二烯基、甲基和甲氧基化物组合能非常有效地提供适用于ALD的分子。混合配合基前驱物的另一优点是，组分的稍许改变可以用来产生对HVM较合适的液态化合物。正如上面提到的，半导体器件制

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造商未来趋向于采用k值愈来愈高的高k材料和能与它们相集成的阻挡层/接触层。根据ITRS，未来5-10年这些新型阻挡层/接触层会广泛采用。为Al2O3开发的技术已经向HfO2前进，并直指ZnO2等等。但是这些新材料的寿命不会像过去的常规产品那么长。研究人员已经在研究超高k系材料，要求新化学材料和工艺能制造包含氧化钛、稀土氧化物和钡锶钛酸盐的电容器和晶体管。中国国内大多数工艺还没有超越Al2O3。但新工艺进入像SMIC这样的芯片代工厂只是时间问题。一旦做出决定就会迅速实行，而整个供应链的密切合作将是达到生产设备的完善过渡和重新达到满负荷产能的关键因素。工艺中广泛将ALD用于高k、新电极材料、金属前介质和其它介质层（如氧化硅等），这要求正确的化学材料组合。器件越来越小而提供的性能和功能则更强，化学材料仍在电子学革命中起着中坚作用，势头不减。随着各个公司期望分担R&D中的开发成本和推进创新解决方案，整个供应链合作程度将会持续提高。此外，对COO的关注将在电子工业中的作用越来越重要，未来只会强化。在新的方式中存在大量机会，愈来愈受关注的多学科合作及化学材料是持续推动创新的关键。

4.讨论

对许多金属和金属合金一个有趣的争论就是，他们是通过物理气相沉积(PVD)还是通过化学气相沉积(CVD)能得到最好的沉积效果。尽管CVD比PVD有更好的台阶覆盖特性，但目前诸如铜的子晶层和钽氮扩散层薄膜都是通过PVD来沉积的，因为现有的大量装置都是基于PVD系统的，工程技术人员对PVD方法也有较高的熟练程度。一些人建议，既然台阶覆盖特性越来越重要(尤其是在通孔边墙覆盖)，CVD方法将成为必不可少的技术。相似的争论也存在于产生低k值介质材料方面：是使用CVD方法好还是采用旋涂工艺好？

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5.结论

当关键尺寸不断减小时,微电子的应用对于生产工艺的需求也在不断增加。为了满足这个要求,已经开发了带有物理校准仪、离子化IMP和自离子化设备的溅射系统。不过,还是需要进一步的系统淀积研究和理论建模来确定最佳晶粒尺寸的准确标准。需要强调的是,所有的淀积产出率研究都必须使用老化程度相同的靶,因为靶腐蚀形成的凹槽中的再淀积使得淀积产出率对于腐蚀凹槽的深度非常敏感。

PVD虽然挑战巨大但颇有老当益壮的风范，其自身技术上的创新为延伸至更小节点创造了极为有利的条件。节点减小意味着沟槽更难填充，所以保证获得良好的填充效果是当务之急。采用淀积、刻蚀溅射相结合的方法将铜从沟槽底部通过溅射转移至侧壁，同时将顶部的突悬部分去除，由此得到覆盖性良好的铜籽晶层，可满足3Xnm技术节点的薄阻挡层淀积。PVD工艺在淀积阻挡层和铜籽晶层时虽然存在一些问题。但PVD工艺已经发展的较为成熟，无论是铝线还是铜线均被广泛使用，其在产能、耗材成本等方面的优势是ALD工艺无法比拟的。尽管使用ALD技术能够在高深宽比结构薄膜沉积时具有100%台阶覆盖率，对所淀积薄膜的成份和厚度具有出色的控制能力，能获得纯度很高、质量很好的薄膜。但ALD硬件成本高、淀积速度慢、生产效率低等缺点仍大大限制了其在32nm节点与PVD一争高下。CVD和PVD工艺这些迥别于过往的变化与面目，无不显示出其延伸至更小节点的潜质。“发展才是硬道理”，这句话对CVD和PVD也许同样适用。 参考文献：

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[1]Gary S May(著) 代永平（译）.半导体制造技术 人民邮电出版社 2007年11月第1版

[2]Stephen A.Campbell(著) 曾莹 严利人等（译）.微电子制造科学原理与工程技术 机械工业出版社 2004年2月

[3]严利人 周卫 刘道广.微电子制造技术概论 清华大学出版社 2010年3月第1版

[4] 史小波 曹艳. 集成电路制造工艺 电子工业出版社 2007年 [5]林明祥.集成电路制造工艺 机械工业出版社 2005年9月

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