沟槽填充技术介绍

图2.2是现代CMOS 器件剖面的示意图。一般来说，水平方向的尺寸微缩幅度比垂直方向的幅度更大，这将导致沟槽（包含接触孔）的深宽比（aspect ratio）也随之提高，为避免沟槽填充过程中产生空穴（void），沟槽的填充工艺技术也不断发展。从图中可见，集成电路芯片的制造过程中包含很多种填充技术上的挑战，包括浅沟槽隔离、接触孔和沟槽。根据填充材料的不同，填充工艺主要分为绝缘介质的填充技术和导电材料的填充技术。

在大于0.8μm的间隙中填充绝缘介质时，普遍采用等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）；然而对于小于0.8μm 的间隙，用单步 PECVD 工艺填充间隙时会在其中部产生空穴。PECVD技术加上沉积-刻蚀-沉积工艺被用以填充0.5~0.8μm的间隙，也就是说，在初始沉积完成部分填孔尚未发生夹断时紧跟着进行刻蚀工艺以重新打开间隙入口，之后再次沉积以完成对整个间隙的填充。

高密度等离子（High Density Plasma, HDP）化学气相沉积技术工艺在同一个反应腔（chamber）中原位地进行沉积和刻蚀的工艺，通过控制间隙的拐角处沉积刻蚀比（depositionetch ratio），使得净沉积速率接近零，从而提高其填充能力。该技术能够适应深宽比在6：1左右的需求，并满足 90nm 技术节点的需求。

当集成电路发展到 65nm 技术节点时，HDP工艺技术已经不能满足小尺寸沟槽的填充需求，因而发展出一种新的填充工艺技术即商深宽比工艺（High Aspect Ratio Process，HARP）。HARP 工艺采用 O3和 TEOS 的热化学反应，没有等离子体的辅助，同时需要沟槽具有特定的形貌，如特定角度的V 字形沟槽。该技术能够适应深宽比在7：1以上的需求。2008年，应用材料公司又推出eHARP工艺技术以适应32nm 工艺的需求。该技术在原有工艺引入水蒸气，能够提供无孔薄膜，用于填充小于30nm、深宽比大于12：1的空隙，从而满足先进存储器件和逻辑器件的关键制造要求。

更进一步地，在2010年8月，同样是应用材料公司推出第4代填充技术，即流动式化学气相沉积（FCVD）技术。采用该技术，沉积层材料可以在液体形态下自由流动到需要填充的各种形状的结构中，填充形式为自底向上（bottom-up），而且填充结构中不会产生空隙，能够满足的深宽比可超过30:1。这种独特工艺能够以致密且无碳的介电薄膜从底部填充所有这些区域，并且其成本相对低廉，仅是综合旋转方式的一半左右，后者需要更多的设备和很多额外的工艺步骤。

对于导电材料的填充技术，早期的金属沉积工艺采用物理气相沉积（Physical VaporDeposition,PVD）工艺。但是，PVD技术的填充能力和台阶覆盖能力都比较弱。为解决上述问题，化学气相沉积（CVD）技术在接触孔钨栓填充上得到应用。在工艺优化后，CVD技术能够提供保型沉积，这意味着比 PVD技术更为优越的填充能力。当集成电路工业引入铜互连技术后，不论 PVD还是CVD技术都不能满足其填充能力的要求。研究发现，电化学沉积（ECD）技术能够提供更为优越的填充技术以满足铜互连技术中的挑战。ECD 技术因其工艺具备自下而上（bottom-up）的特点，因而具有更优越的填充能力，对于高深宽比的间隙来说，这是一种理想的填充方式。在最近发展的替代栅工艺中，金属沉积将面临一些新的技术挑战。

在接触孔钨栓填充、后端互连工艺铜填充以及后栅极工艺中的栅极填充中，一个共同的组成部分是阻挡层或晶籽层沉积或类阻挡层沉积，或可统一成为薄层金属沉积。薄层金属沉积需要良好的台阶覆盖性（step coverage），传统的 MOCVD或PVD工艺在阻挡层或晶籽层沉积上已经沿用多年，随着互连通孔尺寸的减小，台阶覆盖等问题已经成为限制其继续应用的瓶颈。原子层气相沉积（Atomic Layer Deposition,ALD）技术正在逐步成为主流。

ALD过程是在经过活性表面处理的衬底上进行，首先将第一种反应物引入反应室使之发生化学吸附，直至衬底表面达到饱和；过剩的反应物则被从系统中抽出清除，然后将第二种反应物放入反应室，使之和衬底上被吸附的物质发生反应；剩余的反应物和反应副产品将再次通过泵抽或惰性气体清除的方法清除干净，这样就可得到目标化合物的单层饱和表面。这种ALD的循环可实现一层接一层的生长从而可以实现对沉积厚度的精确控制。ALD 技术在台阶覆盖、侧壁及底部覆盖等方面都表现优异，但是ALD沉积速率较低的劣势也亟待改善。

ALD相比传统的MOCVD和 PVD等沉积工艺具有先天的优势。它充分利用表面饱和反应天生具备厚度控制能力及高度的稳定性，对温度和反应物通量的变化不太敏感。这样得到的薄膜既纯度高、密度高、平整，又具有高度的保型性，即使对于纵宽比高达100:1的结构也可实现良好的阶梯覆盖。ALD也顺应工业界向更低的热预算发展的趋势，多数工艺都可以在400°C以下进行。由于 ALD是基于在交互反应过程中的自约束性生长，此工艺必须经过精细的调节来达到最合适的结果。