半導(dǎo)體絕緣介質(zhì)的填充-HDPOX

• 影響臺(tái)階覆蓋率的因素：

1、反應(yīng)體到達(dá)時(shí)，襯底的接收角度；

2、反映腔壓力（質(zhì)量運(yùn)輸控制或表面反應(yīng)控制）；

3、被吸附反應(yīng)體在襯底表面的遷移率

A能接收更多的先驅(qū)體，淀積生成物更多，形成的懸垂突起，懸垂突起會(huì)造成孔內(nèi)空洞的產(chǎn)生。

• HDPCVD作用機(jī)理：

為了形成高密度等離子體，需要有激發(fā)混合氣體的射頻（RF）源，并直接使高密度等離子體到達(dá)硅片表面。在HDP-CVD反應(yīng)腔中，主要是由電感耦合等離子體反應(yīng)器（ICP）來(lái)產(chǎn)生并維持高密度的等離子體。當(dāng)射頻電流通過(guò)線圈（coil）時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交流磁場(chǎng)，這個(gè)交流磁場(chǎng)經(jīng)由感應(yīng)耦合即產(chǎn)生隨時(shí)間變化的電場(chǎng)，如圖所示。電感耦合型電場(chǎng)能加速電子并能形成離子化碰撞，由于感應(yīng)電場(chǎng)的方向是回旋型的，因此電子也就往回旋方向加速，使得電子因回旋而能夠運(yùn)動(dòng)很長(zhǎng)的距離而不會(huì)碰到反應(yīng)腔內(nèi)壁或電極，這樣就能在低壓狀態(tài)（幾個(gè)mT）下制造出高密度的等離子體。

應(yīng)用材料HDP-CVD反應(yīng)腔

電感耦合等離子體反應(yīng)器（ICP）工作原理示意圖

為了實(shí)現(xiàn)HDP-CVD的bottom up生長(zhǎng)，首先要給反應(yīng)腔中的高能離子定方向，所以沉積過(guò)程中在硅片上施加RF偏壓，推動(dòng)高能離子脫離等離子體而直接接觸到硅片表面，同時(shí)偏壓也用來(lái)控制離子的轟擊能量，即通過(guò)控制物理轟擊控制CVD沉積中溝槽開口的大小。在HDPCVD反應(yīng)腔中，等離子體離子密度可達(dá)10^11 ～10^12/cm3（2～10mT）。由于如此高的等離子體密度加上硅片偏壓產(chǎn)生的方向，使HDPCVD可以填充深寬比為4:1甚至更高的間隙。

HDPCVD可用于金屬形成前或形成后。某些金屬如NiSix或Al會(huì)對(duì)形成后的工藝溫度有一定限制，而在HDPCVD反應(yīng)腔中高密度等離子體轟擊硅片表面會(huì)導(dǎo)致很高的硅片溫度，另外，高的熱負(fù)荷會(huì)引起硅片的熱應(yīng)力。對(duì)硅片溫度的限制要求對(duì)硅片進(jìn)行降溫，在HDPCVD反應(yīng)腔中是由背面氦氣冷卻系統(tǒng)和靜電卡盤（electrostatic chuck）共同在硅片和卡盤之間形成一個(gè)熱傳導(dǎo)通路，從而來(lái)降低硅片和卡盤的溫度。

Centura Ultima HDP CVD應(yīng)用材料公司的HDPCVD設(shè)備 https://www.appliedmaterials.com/cn/zh_cn/product-library/centura-ultima-hdp-cvd.html

（1）非摻雜硅（酸鹽）玻璃（un-doped silicate glass，USG）

SiH4 +O2 —→USG+揮發(fā)物

（2）氟硅（酸鹽）玻璃（fluorosilicate glass，F(xiàn)SG）

SiH4 +SiF4 +O2 —→FSG+揮發(fā)物

（3）磷硅（酸鹽）玻璃（phosphosilicate glass，PSG）

SiH4 +PH3 +O2 —→PSG+揮發(fā)物

• HDP-CVD工藝重要參數(shù)-沉積刻蝕比： 在半導(dǎo)體業(yè)界，普遍采用沉積刻蝕比（DS ratio）作為衡量HDP-CVD工藝填孔能力的指標(biāo)，沉積刻蝕比的定義是：

沉積刻蝕比=總沉積速率/刻蝕速率=（凈沉積速率+刻蝕速率）/刻蝕速率

實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙的無(wú)孔填充的理想條件是在整個(gè)沉積過(guò)程中始終保持間隙的頂部開放，以使反應(yīng)物能進(jìn)入間隙從底部開始填充，也就是說(shuō)，我們希望在間隙的拐角處沉積刻蝕比為1，即凈沉積速率為零。對(duì)于給定的間隙來(lái)說(shuō)，由于HDP-CVD工藝通常以SiH4 作為絕緣介質(zhì)中Si的來(lái)源，而SiH4 解離產(chǎn)生的等離子體對(duì)硅片表面具有很強(qiáng)的化學(xué)吸附性，導(dǎo)致總沉積速率在間隙的各個(gè)部位各向異性，在間隙拐角處的總沉積速率總是大于在間隙底部和頂部的總沉積速率；另外，刻蝕速率隨著濺射離子對(duì)于間隙表面入射角的不同而改變，最大的刻蝕速率產(chǎn)生于45°～70°之間，正好也是處于間隙拐角處，因此需要優(yōu)化沉積刻蝕比來(lái)得到最好的填充效果。

下圖即是HDP-CVD工藝在不同沉積刻蝕比下對(duì)間隙填充情況的示意圖。要得到優(yōu)化的沉積刻蝕比，最主要的影響因素包括反應(yīng)氣體流量、射頻（包括電感耦合和偏壓）的功率、硅片溫度、反應(yīng)腔壓力等。

• HDP-CVD中的再沉積問(wèn)題：在HDP-CVD中的物理轟擊遵循碰撞中的動(dòng)量守恒原理，因此被濺射出的物質(zhì)存在一定角度。隨著溝槽開口尺寸變小，當(dāng)轟擊離子質(zhì)量較大時(shí)，被轟擊掉的部分會(huì)有足夠的能量重新沉積到溝槽側(cè)壁另一側(cè)某一角度處，使得這些地方薄膜堆積，過(guò)多的堆積將會(huì)造成溝槽頂部在沒(méi)有完全填充前過(guò)快封口。隨著器件尺寸減小，填充能力的挑戰(zhàn)越來(lái)越大。為了減少物理轟擊造成的再沉積，HDP中的轟擊氣體主要經(jīng)歷了Ar→O2 →He→H2的變化，通過(guò)降低轟擊原子的質(zhì)量來(lái)改善再沉積引起的填充問(wèn)題。但是僅僅通過(guò)轟擊物質(zhì)的改變，溝槽填充能力的改善是有限的。

所以在90nm以后，為改善物理轟擊所造成的問(wèn)題，引入同位化學(xué)刻蝕對(duì)填充結(jié)構(gòu)輪廓進(jìn)行調(diào)整，即在溝槽頂部封口前將其重新打開而不造成再沉積，使得薄膜可以bottom-up填滿整個(gè)溝槽。其中NF3的干法刻蝕被認(rèn)為是一種非常有效的方法。NF3 在等離子體中離解形成含氟的活性基團(tuán)，它可以打斷已沉積薄膜中的Si-O鍵，形成揮發(fā)性的SiF4 隨著多余的O2 一起被抽走，從而打開溝槽頂部。但是這種單步沉積-刻蝕-沉積對(duì)填充能力的改善是有限的。

通過(guò)多步循環(huán)沉積-刻蝕-沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所填充結(jié)構(gòu)輪廓的調(diào)整，來(lái)降低溝槽填充的難度。這樣可以在保持HDP本身填充能力的同時(shí)，通過(guò)NF3 的刻蝕來(lái)重新調(diào)整溝槽的形狀，使得更多的材料可以填充進(jìn)去，保證溝槽不封口形成孔洞。

• 輪廓修正（多步沉積-刻蝕）的HDP-CVD工藝：與一般的HDP相似，主要通過(guò)SiH4 和O2 反應(yīng)來(lái)形成SiO2 薄膜。但是沉積過(guò)程的要求與傳統(tǒng)的HDP不同，傳統(tǒng)的HDP-CVD要求側(cè)壁沉積盡可能薄以提供足夠的開口使反應(yīng)粒子可以到達(dá)溝槽底部，最大限度實(shí)現(xiàn)從底部到頂部的填充。但是多步DEP-ETCH的HDP-CVD主要是以SiO2 的刻蝕為主導(dǎo)的，因此輪廓結(jié)構(gòu)的控制更重要，最優(yōu)化的沉積應(yīng)該有足夠厚的側(cè)壁保護(hù)，對(duì)稱的沉積輪廓，較低的沉積溫度（230～600℃）能夠很大地改善側(cè)壁的保護(hù)但又不損傷填充能力，同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)沉積溫度將薄膜的應(yīng)力從180MPa調(diào)到100MPa。一旦沉積條件確定后，填充能力可以通過(guò)每個(gè)循環(huán)中沉積和刻蝕的量來(lái)優(yōu)化。降低每個(gè)沉積過(guò)程的沉積厚度可以實(shí)現(xiàn)更多次的輪廓調(diào)整，但是這樣會(huì)增加沉積時(shí)間也引入更多的F，有可能會(huì)對(duì)器件可靠性造成影響。而沉積過(guò)程中的物理轟擊氣體分子量越大，可以在溝槽頂部形成Cusping來(lái)以保護(hù)溝槽頂部在刻蝕過(guò)程中不被損傷。目前主要采用He為主的He/H2 混合，主要想通過(guò)保證填充能力的同時(shí)為溝槽頂部提供足夠的保護(hù)。

• 多步沉積-刻蝕HDP-CVD的工藝：刻蝕過(guò)程是多步dep-etch的關(guān)鍵步驟，刻蝕過(guò)程通過(guò)與NF3 的反應(yīng)去除掉SiO2，由于NF3 在溝槽不同部位的入射角不同，可以實(shí)現(xiàn)頂部刻蝕較多從而可以修整部分填充后的溝槽的形狀得到更容易填充的溝槽結(jié)構(gòu)。刻蝕過(guò)程所采用的載氣為H2，載氣的分子量越小，可以盡量減少物理轟擊的效果。另外刻蝕的對(duì)稱性對(duì)最后的完全填充非常重要，尤其在晶片邊緣，由于F radical的方向性，這種不對(duì)稱性就更加嚴(yán)重，可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓力、NF3 氣體流量、襯底偏壓大小以及刻蝕化學(xué)物質(zhì)來(lái)對(duì)對(duì)稱性進(jìn)行優(yōu)化?？涛g的量必須進(jìn)行非常好的控制。對(duì)于特定的溝槽結(jié)構(gòu)，要進(jìn)行沉積和刻蝕量的優(yōu)化，盡可能達(dá)到填充、沉積速率以及刻蝕Window的平衡。另外為了盡可能降低薄膜中由于NF3 刻蝕而引入的F?？涛g結(jié)束后，引入Ar/O2/He/H2 等離子體處理可以去除薄膜中所殘留的F，通過(guò)調(diào)整等離子體處理的時(shí)間和功率大小可以優(yōu)化等離子體處理工藝，將薄膜中的F含量降低到0.07at.%。

多步沉積-刻蝕填滿溝槽后，進(jìn)一步沉積一層高溫的SiO2 薄膜，進(jìn)一步去除薄膜中殘留的F以及提高薄膜的質(zhì)量。

HDPCVD的應(yīng)用：淺溝槽隔離層（STI）、金屬前介電質(zhì)層（PMD）、層間介電質(zhì)層（ILD）、金屬層間介電質(zhì)層（IMD）和鈍化保護(hù)層等。

審核編輯 ：李倩