半導體淀積工藝及其設備技術研究

蔡穎嵐，劉 峰，杜學寨，殷 瑋，杜 妍

（重慶聲光電有限公司，重慶 400060）

0 引言

半導體工藝就是在晶片上執行一系列復雜的化學或者物理操作，制作能實現各種需要的器件，如半導體激光器、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。薄膜可以是導體、絕緣物質或者半導體材料，根據不同的用途和要求，制作薄膜的方法也得到了發展和應用，以薄膜制作，特別是PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）淀積的工藝及其設備技術做研究和討論。

1 薄膜制作方法

薄膜并不是平面膜，將半導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重要，半導體晶片表面薄膜臺階覆蓋圖如圖1 所示。

圖1 半導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體光探測器件的應用如圖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助下構建成需要的器件。圖2 中的二氧化硅用作絕緣膜，氮化硅用作光學增透膜，電極為電信號金屬膜，其余為各介質膜。

目前半導體薄膜制作較廣泛的采用物理氣相沉積和化學氣相沉積方法。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境采用加熱或高能粒子束轟擊的方式，將靶材蒸發成氣態使之淀積在工件表面成膜的方式。PVD 技術有蒸發、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 半導體器件剖面

表1 主要的物理氣相沉積方法

化學氣相沉積又稱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，使其相互反應沉積薄膜。CVD 分類方法較多，技術成熟又較為常用的有低壓化學氣相成積（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氣相沉積（PECVD），表2為幾種CVD 的基本原理和性能特點。

半導體薄膜工藝根據可靠性、薄膜質量、生產成本和生產效率選擇相應的制作方法，通常把PECVD 才直接稱為淀積工藝。

2 PECVD 淀積工藝

等離子體增強化學氣相淀積PECVD 是一種化學氣相沉積方法，這種技術是在電場下利用輝光放電使稀薄氣體電離，將反應氣體離化，增強吸附在襯底材料上的氣體之間的化學反應進而生成介質薄膜，可以實現較低溫度下多種介質薄膜的沉積。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；最后各種反應產物被表面吸附反應成膜，同時也會再放出氣相分子物。以氮化硅薄膜為例，反應過程如下。

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提供更多的基團或離子，促進反應速度，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，基板表面的化學反應會急速上升，所以薄膜的淀積速率會增加。

3 設備技術

PECVD 設備在計算機控制下主要由真空和壓力控制系統、氣路系統、傳送片系統和淀積系統等部分組成。設備結構，如圖4。

真空和壓力控制系統由抽氣泵組、閥門和壓力控制傳感器等系統組成，主要功能為工藝反應提供所需真空。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。氣路系統主要由氣源箱、反應氣路、凈化與回填氣路組成，主要功能為工藝提供反應氣體、凈化氮氣和回填氮氣，通常采用質量流量計來實現精確控制。傳送片系統是晶片由外部進出反應腔的中轉腔。工藝反應之前由機械手將晶片從中轉腔室放入反應腔，反應結束再取回，中轉腔室也是反應腔抽真空的前級準備腔。

圖4 PECVD 設備結構框

設備的核心是淀積系統，淀積系統也稱為反應腔。反應腔由混氣室、噴淋頭、基板加熱器、旋轉機構和射頻匹配等組成。工藝氣體要在被真空抽走前充分反應，噴淋的結構和其與晶片的位置都很重要。旋轉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。反應腔在真空狀態下加入反應氣體，激勵電壓加在上下兩極板之間，就會產生輝光放電現象，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，就會激發氣體分子而發光。同時有些電子會繼續加速，電子的能量繼續增大，超過了分子激發所需能量的最大值，與氣體分子再發生作用時，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量非常小的電子。遠大于電子質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應力，使膜的結構發生改變，也有利于正離子擴散和反應堆積成膜。對負偏壓的監控能掌握入射功率的大小及淀積質量情況。

PECVD 淀積是一種薄膜制作設備，制作過程中會在腔室內部沉積不需要的廢料。這些廢料對設備造成影響，如加熱溫度漂移、降低設備真空、磨損移動部件、堵塞氣體噴淋頭和電場控制不穩定等。反應腔室需要定期清理，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 結束語

在半導體工藝中，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、光學增透、阻擋層、保護層或絕緣層。通過工藝和設備技術的研究，在實際生產過程中可保證工藝生產質量，提高工藝可靠性和減少設備故障。