文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述半導(dǎo)體制造中的回流技術(shù)。

玻璃回流（reflow）技術(shù)是通過升溫加熱雜氧化硅，使其產(chǎn)生流動特性的工藝，常見的回流處理對象包含硼磷硅玻璃（boro-phospho-silicate glass, BPSG）與磷硅玻璃（phospho-silicate glass, PSG）兩類材料。

磷硅玻璃（PSG）回流

針對襯底表面陡峭臺階的良好覆蓋需求，采用磷硅玻璃（PSG）這類玻璃體材料實(shí)施平坦化處理是切實(shí)可行的方案。在大規(guī)模集成電路（large scale integration, LSI）發(fā)展階段，磷硅玻璃被廣泛應(yīng)用于金屬前介質(zhì)層、多層金屬布線的層間介質(zhì)層、回流介質(zhì)層以及表面鈍化保護(hù)層等場景。由于鈉（Na）等可動離子污染物在 PSG 中的溶解度，相較于在二氧化硅（SiO?）中高出三個數(shù)量級，因此 PSG 具備吸收并固定鈉離子等可動離子污染物的功能。

PSG 在高溫環(huán)境下進(jìn)行回流處理時，能夠形成局部平坦的表面，進(jìn)而提升后續(xù)沉積薄膜的臺階覆蓋能力。借助 PSG 玻璃的軟化特性，可使襯底表面的尖角結(jié)構(gòu)變得圓滑，具體效果如圖 1 所示?；亓鬟^程中，溫度的升高與高溫保持時間的延長，都會進(jìn)一步增強(qiáng) PSG 薄膜的流動性能。通常情況下，PSG 回流工藝需在 1000℃左右的溫度條件下進(jìn)行，持續(xù)時間為 15 至 30 分鐘。

PSG 回流時的流動性能還與磷的摻雜含量密切相關(guān)：當(dāng)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 6% 時，PSG 的流動性會顯著變差；但如果磷的濃度過高，PSG 則會表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸潮特性。PSG 吸水后，其中的五氧化二磷（P?O?）會發(fā)生水解反應(yīng)生成偏磷酸（HPO?），而偏磷酸會對金屬鋁膜產(chǎn)生鉆蝕作用，最終導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效?；诖?，氧化硅中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)適宜控制在 6%~8% 這一區(qū)間，通過該比例設(shè)置可有效減少偏磷酸的生成，從而降低對下方鋁金屬層的腐蝕風(fēng)險。

隨著半導(dǎo)體集成度邁向更高密度、更快速度的超大規(guī)模集成電路（very large scale integration circuit, VLSI）階段，PSG 回流所需的高溫條件，以及由此引發(fā)的雜質(zhì)再擴(kuò)散、各類缺陷問題，加之 PSG 本身易吸水的固有特性，促使行業(yè)開始尋找新型薄膜材料替代 PSG，最終硼磷硅玻璃（BPSG）成為了優(yōu)選方案。

硼磷硅玻璃（BPSG）回流

伴隨半導(dǎo)體器件尺寸的持續(xù)縮小，金屬前介質(zhì)層（PMD）需要填充的孔洞結(jié)構(gòu)日益微小，深寬比不斷增大，因此填孔能力成為選擇 PMD 材料的核心參考指標(biāo)。硼磷硅玻璃（BPSG）是摻雜了硼和磷元素的二氧化硅材料，作為金屬前介質(zhì)層在集成電路制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。二氧化硅原本規(guī)整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，會因硼磷雜質(zhì)（三氧化二硼 B?O?、五氧化二磷 P?O?）的摻入而變得疏松，在高溫環(huán)境下，BPSG 會呈現(xiàn)出類似液體的流動能力。正是憑借這一特性，BPSG 薄膜具備卓越的填孔性能，并且能夠提升整個硅片表面的平坦化程度，為后續(xù)的光刻工藝提供更寬泛的工藝窗口。圖 2 展示了 CMOS 晶體管制備過程中，BPSG 的沉積與回流工藝示意圖。

BPSG 薄膜的制備方法主要有兩種：等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）和亞常壓化學(xué)氣相沉積（SACVD）。PECVD 工藝的工作壓強(qiáng)通?？刂圃?10Torr 以下，而 SACVD 工藝的壓強(qiáng)范圍可達(dá)到 200~600Torr。由于 SACVD 工藝環(huán)境中分子的平均自由程更短，填隙能力更優(yōu)，因此 BPSG 薄膜的制備主要采用 SACVD 方法。

采用 SACVD 技術(shù)制備 BPSG 時，二氧化硅的原料可選用 TEOS（四乙氧基硅烷）與氧氣（O?）的組合。TEOS 進(jìn)入反應(yīng)腔后，在 480℃左右的高溫下發(fā)生熱分解，同時與氧氣分解產(chǎn)生的氧自由基在特定壓強(qiáng)下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；摻雜源氣體可采用磷化氫（PH?）與乙硼烷（B?H?），最終生成 BPSG 薄膜。反應(yīng)腔內(nèi)新生成的 BPSG 薄膜內(nèi)部呈多孔狀，結(jié)構(gòu)十分疏松，器件上的孔洞并未被完全填充，因此必須經(jīng)過退火回流工序。在 750~1000℃的高溫條件下，BPSG 薄膜會呈現(xiàn)液體般的流動狀態(tài)。相較于 PSG，BPSG 的回流溫度更低，這一優(yōu)勢有效減少了雜質(zhì)再擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生。例如，將 BPSG 置于氮?dú)猸h(huán)境的高溫爐中，在 850℃條件下退火 30 分鐘，即可促使其發(fā)生流動，利用這一流動性能夠?qū)崿F(xiàn)臺階覆蓋處的平坦化處理或孔隙填充，進(jìn)而在圖形結(jié)構(gòu)周圍形成局部平坦化效果?；亓鞴に嚥粌H能夠?qū)崿F(xiàn)表面平坦化，還能提高薄膜的密度，使薄膜結(jié)構(gòu)更加致密。

隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸的不斷縮減，器件所能承受的總熱量也隨之降低，這就要求 BPSG 薄膜的退火溫度相應(yīng)下調(diào)。但如果退火溫度過低，會直接影響 BPSG 薄膜在退火過程中的致密化效果與孔洞填充質(zhì)量。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中需要綜合權(quán)衡各方面因素，確定適宜的回流溫度參數(shù)。

BPSG 回流的流動性能取決于薄膜的組分構(gòu)成、工藝溫度、保溫時間以及環(huán)境氣氛等多重因素。BPSG 薄膜中硼（B）和磷（P）的不同摻雜比例，會對玻璃的回流溫度產(chǎn)生顯著影響，并最終決定回流效果。其中，磷元素的作用與 PSG 中類似，能夠吸收并固定鈉離子等可動離子污染物；而硼元素的摻入則可有效降低回流溫度，通常情況下，BPSG 的回流溫度比 PSG 低 150~300℃。一般而言，BPSG 薄膜中硼和磷的含量均約為 4%。當(dāng)磷的濃度達(dá)到 5% 以后，即便進(jìn)一步提高磷的摻雜比例，也無法繼續(xù)降低 BPSG 回流所需的溫度；此外，磷含量過高同樣會像 PSG 那樣導(dǎo)致薄膜吸潮性能增強(qiáng)，進(jìn)而引發(fā)鋁金屬層的腐蝕問題。同理，硼的摻雜濃度過高也會對 BPSG 薄膜的性能產(chǎn)生負(fù)面影響：當(dāng)硼的含量超過 5% 時，薄膜會發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，形成三氧化二硼（B?O?）和五氧化二磷（P?O?）的晶粒沉淀，導(dǎo)致 BPSG 薄膜易吸潮且結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，生成的酸根晶粒還會使 BPSG 玻璃產(chǎn)生凹陷結(jié)構(gòu)，最終影響其回流特性。