硼磷硅玻璃在集成电路中的应用汉中彩虹机功能性纱印后设备退火炉

硼磷硅玻璃在集成电路中的应用

硼磷硅玻璃（Boro-phospho-silicate Glass, BPSG），即掺杂了硼和磷的二氧化硅作为第一层金属前介电质（PMD）以及金属层间介电质（IMD）在IC制造中有着广泛的应用。二氧化硅原有的有序络结构由于硼磷杂质（B2O3，P2O5）的加入而变得疏松，在高温条件下某种程度上具有像液体一样的流动能力（Reflow）润滑轴承。因此BPSG薄膜具有卓越的填孔能力，并且能够提高整个硅片表面的平坦化，从而为光刻及后道工艺提供更大的工艺范围。

在0.18微米及更低节点技术中，随着半导体器件尺寸的逐渐减小，PMD所要填充的孔洞宽度也越来越小，高宽比截至目前越来越大，填孔能力成为选用PMD薄膜的主要考虑参数。因此，BPSG薄膜在先进的半导体器件尤其是DRAM产品中主要作为PMD薄膜被广泛应用。BPSG薄膜的制备方法有两种，等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和次大气压化学气相沉积（SACVD）。尽管PE－BPSG薄膜具有沉积速度快，薄膜致密，均匀性好等一系列优点，但由于SA－BPSG薄膜具有更为优越的填孔能力, 这主要是因为PECV曲轴冲床D工艺通常的压力在10Torr以下，而SACVD工艺压力在Torr之间，分子的平均自由程更小，填孔能力更好，所以BPSG薄膜制备主要采用SACVD工艺方法。除此之外，SACVD是热降解的工艺，没有使用射频所产生的等离子体，因而避免了等离子体引起的器件损伤。

制备SA－BPSG薄膜的原料主要有以下1个正确的设计能使颗粒流在主压力的方向几种液体及气体，如表所示。

TEOS，TEB以及TEPO在常温下是液态，需要经过注射阀气化，影响液体气化的主要参数为注射阀温度及载气（氦气，或者氦气和氮气的混合气体）的流量和流速。反应气体随载气进入反应腔后在高温（～480℃）下发生热分解与臭氧（O3）分解生成的氧自由基在一定压力（200Torr-600Torr）下反应生成BPSG薄膜。

在反应腔内新生成的BPSG薄膜十分疏松，器件孔洞通常并没有完全闭合，需要经过退火工序，在高温下（℃），在通氮气或蒸汽的环境中BPSG薄膜象液体一样的流动，使孔洞完全闭合，同时薄膜结构更加致密。通过调节压力以及O3的浓度，可以调控BPSG薄膜的填孔能力。压力越高，O3浓度越高，填孔能力接线板越好。目前比较先进的SA-BPSG薄膜工艺是采用两步合成的方法(见图)。第一步主要是为了导螺杆获得较好的填孔效果，采用较高压力和较高的O3浓度（600Torr/17％O3浓度）以及较低气体流量，这一步的沉积速度非常慢，可以是普通BPSG薄膜沉积类似于超市里面打印小票的打印机速度的1/10；而第二步主要是为了提高生产量，而采用普通的BPSG薄膜工艺（200Torr/12.5% O3浓度）。

随着半导体器件的尺寸越来越小，半导体器件所能承受的热总量也越来越低。所以BPSG薄膜的退火温度也随之降低。 通过提高BPSG薄膜的硼磷杂质浓度，可以有效的降低退火温度。但是硼磷杂质的浓度超过一定范围，比如杂质总含量占到重量百分比10％以上，杂质就会不断扩散析出，薄膜吸水性增强，造成严重的工艺问题，从而影响器件的性能。所以对于要求极低热总量的工艺, SA-BPSG薄膜就不再适用于PMD。在65纳米及以下技术中，目前替代SA-BPSG薄膜作为PMD的介电质主要是高密度等离子体工艺制备的磷硅玻璃（HDP-PSG）以及HARP。HARP是应用材料公司新近推广的一种无掺杂硅玻璃（USG）薄膜,在45纳米以及32纳米技术的STI及PMD的研发中被广泛采用。但SA-BPSG作为一种成熟的工艺在0.18微米到90纳米的技术范围尤其是DRAM产品的PMD中仍然占有最大的市场份额。 (end)