化學(xué)氣相沉積(CVD)
化學(xué)氣相沉積(CVD)是半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術(shù),包括大范圍的絕緣材料,大多數(shù)金屬材料和金屬合金材料。從理論上來說,它是很簡單的：兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個反應(yīng)室內(nèi),然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成一種新的材料,沉積到晶片表面上。淀積氮化硅膜(Si3N4)就是一個很好的例子,它是由硅烷和氮反應(yīng)形成的。
然而,實際上, 反應(yīng)室中的反應(yīng)是很復(fù)雜的,有很多必須考慮的因素,沉積參數(shù)的變化范圍是很寬的：反應(yīng)室內(nèi)的壓力、晶片的溫度、氣體的流動速率、氣體通過晶片的路程(如圖所示)、氣體的化學(xué)成份、一種氣體相對于另一種氣體的比率、反應(yīng)的中間產(chǎn)品起的作用、以及是否需要其它反應(yīng)室外的外部能量來源加速或誘發(fā)想得到的反應(yīng)等。額外能量來源諸如等離子體能量,當然會產(chǎn)生一整套新變數(shù),如離子與中性氣流的比率,離子能和晶片上的射頻偏壓等。
然后,考慮沉積薄膜中的變數(shù)：如在整個晶片內(nèi)厚度的均勻性和在圖形上的覆蓋特性(后者指跨圖形臺階的覆蓋),薄膜的化學(xué)配比(化學(xué)成份和分布狀態(tài)),結(jié)晶晶向和缺陷密度等。當然,沉積速率也是一個重要的因素,因為它決定著反應(yīng)室的產(chǎn)出量,高的沉積速率常常要和薄膜的高質(zhì)量折中考慮。反應(yīng)生成的膜不僅會沉積在晶片上,也會沉積在反應(yīng)室的其他部件上,對反應(yīng)室進行清洗的次數(shù)和徹底程度也是很重要的。
化學(xué)家和物理學(xué)家花了很多時間來考慮怎樣才能得到高質(zhì)量的沉積薄膜。他們已得到的結(jié)論認為：在晶片表面的化學(xué)反應(yīng)首先應(yīng)是形成“成核點”,然后從這些“成核點”處生長得到薄膜,這樣淀積出來的薄膜質(zhì)量較好。另一種結(jié)論認為,在反應(yīng)室內(nèi)的某處形成反應(yīng)的中間產(chǎn)物,這一中間產(chǎn)物滴落在晶片上后再從這一中間產(chǎn)物上淀積成薄膜,這種薄膜常常是一種劣質(zhì)薄膜。
CVD技術(shù)常常通過反應(yīng)類型或者壓力來分類,包括低壓CVD(LPCVD),常壓CVD(APCVD),亞常壓CVD(SACVD),超高真空CVD(UHCVD),等離子體增強CVD(PECVD),高密度等離子體CVD(HDPCVD)以及快熱CVD(RTCVD)。然后,還有金屬有機物CVD(MOCVD),根據(jù)金屬源的自特性來保證它的分類,這些金屬的典型狀態(tài)是液態(tài),在導(dǎo)入容器之前必須先將它氣化。不過,容易引起混淆的是,有些人會把MOCVD認為是有機金屬CVD(OMCVD)。
過去,對LPCVD和APCVD最常使用的反應(yīng)室是一個簡單的管式爐結(jié)構(gòu),即使在今天,管式爐也還被廣泛地應(yīng)用于沉積諸如Si3N4 和二氧化硅之類的基礎(chǔ)薄膜(氧氣中有硅元素存在將會最終形成為高質(zhì)量的SiO2,但這會大量消耗硅元素;通過硅烷和氧氣反應(yīng)也可能沉積出SiO2 -兩種方法均可以在管式爐中進行)。
而且,最近,單片淀積工藝推動并導(dǎo)致產(chǎn)生了新的CVD反應(yīng)室結(jié)構(gòu)。這些新的結(jié)構(gòu)中絕大多數(shù)都使用了等離子體,其中一部分是為了加快反應(yīng)過程,也有一些系統(tǒng)外加一個按鈕,以控制淀積膜的質(zhì)量。在PECVD和HDPCVD系統(tǒng)中有些方面還特別令人感興趣是通過調(diào)節(jié)能量,偏壓以及其它參數(shù),可以同時有沉積和蝕刻反應(yīng)的功能。通過調(diào)整淀積：蝕刻比率,有可能得到一個很好的縫隙填充工藝。
對許多金屬和金屬合金一個有趣的爭論就是,他們是通過物理氣相沉積(PVD)還是通過化學(xué)氣相沉積(CVD)能得到最好的沉積效果。盡管CVD比PVD有更好的臺階覆蓋特性,但目前諸如銅的子晶層和鉭氮擴散層薄膜都是通過PVD來沉積的,因為現(xiàn)有的大量裝置都是基于PVD系統(tǒng)的,工程技術(shù)人員對PVD方法也有較高的熟練程度。一些人建議,既然臺階覆蓋特性越來越重要(尤其是在通孔邊墻覆蓋),CVD方法將成為必不可少的技術(shù)。相似的爭論也存在于產(chǎn)生低k值介質(zhì)材料方面：是使用CVD方法好還是采用旋涂工藝好？
