详解半导体制造中的回流技术

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要讲述半导体制造中的回流技术。

玻璃回流（reflow）技术是通过升温加热杂氧化硅，使其产生流动特性的工艺，常见的回流处理对象包含硼磷硅玻璃（boro-phospho-silicate glass, BPSG）与磷硅玻璃（phospho-silicate glass, PSG）两类材料。

磷硅玻璃（PSG）回流

针对衬底表面陡峭台阶的良好覆盖需求，采用磷硅玻璃（PSG）这类玻璃体材料实施平坦化处理是切实可行的方案。在大规模集成电路（large scale integration, LSI）发展阶段，磷硅玻璃被广泛应用于金属前介质层、多层金属布线的层间介质层、回流介质层以及表面钝化保护层等场景。由于钠（Na）等可动离子污染物在 PSG 中的溶解度，相较于在二氧化硅（SiO₂）中高出三个数量级，因此 PSG 具备吸收并固定钠离子等可动离子污染物的功能。

PSG 在高温环境下进行回流处理时，能够形成局部平坦的表面，进而提升后续沉积薄膜的台阶覆盖能力。借助 PSG 玻璃的软化特性，可使衬底表面的尖角结构变得圆滑，具体效果如图 1 所示。回流过程中，温度的升高与高温保持时间的延长，都会进一步增强 PSG 薄膜的流动性能。通常情况下，PSG 回流工艺需在 1000℃左右的温度条件下进行，持续时间为 15 至 30 分钟。

PSG 回流时的流动性能还与磷的掺杂含量密切相关：当磷的质量分数低于 6% 时，PSG 的流动性会显著变差；但如果磷的浓度过高，PSG 则会表现出强烈的吸潮特性。PSG 吸水后，其中的五氧化二磷（P₂O₅）会发生水解反应生成偏磷酸（HPO₃），而偏磷酸会对金属铝膜产生钻蚀作用，最终导致半导体器件失效。基于此，氧化硅中磷的质量分数适宜控制在 6%~8% 这一区间，通过该比例设置可有效减少偏磷酸的生成，从而降低对下方铝金属层的腐蚀风险。

随着半导体集成度迈向更高密度、更快速度的超大规模集成电路（very large scale integration circuit, VLSI）阶段，PSG 回流所需的高温条件，以及由此引发的杂质再扩散、各类缺陷问题，加之 PSG 本身易吸水的固有特性，促使行业开始寻找新型薄膜材料替代 PSG，最终硼磷硅玻璃（BPSG）成为了优选方案。

硼磷硅玻璃（BPSG）回流

伴随半导体器件尺寸的持续缩小，金属前介质层（PMD）需要填充的孔洞结构日益微小，深宽比不断增大，因此填孔能力成为选择 PMD 材料的核心参考指标。硼磷硅玻璃（BPSG）是掺杂了硼和磷元素的二氧化硅材料，作为金属前介质层在集成电路制造领域得到了广泛应用。二氧化硅原本规整的网络结构，会因硼磷杂质（三氧化二硼 B₂O₃、五氧化二磷 P₂O₅）的掺入而变得疏松，在高温环境下，BPSG 会呈现出类似液体的流动能力。正是凭借这一特性，BPSG 薄膜具备卓越的填孔性能，并且能够提升整个硅片表面的平坦化程度，为后续的光刻工艺提供更宽泛的工艺窗口。图 2 展示了 CMOS 晶体管制备过程中，BPSG 的沉积与回流工艺示意图。

BPSG 薄膜的制备方法主要有两种：等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和亚常压化学气相沉积（SACVD）。PECVD 工艺的工作压强通常控制在 10Torr 以下，而 SACVD 工艺的压强范围可达到 200~600Torr。由于 SACVD 工艺环境中分子的平均自由程更短，填隙能力更优，因此 BPSG 薄膜的制备主要采用 SACVD 方法。

采用 SACVD 技术制备 BPSG 时，二氧化硅的原料可选用 TEOS（四乙氧基硅烷）与氧气（O₂）的组合。TEOS 进入反应腔后，在 480℃左右的高温下发生热分解，同时与氧气分解产生的氧自由基在特定压强下发生化学反应；掺杂源气体可采用磷化氢（PH₃）与乙硼烷（B₂H₆），最终生成 BPSG 薄膜。反应腔内新生成的 BPSG 薄膜内部呈多孔状，结构十分疏松，器件上的孔洞并未被完全填充，因此必须经过退火回流工序。在 750~1000℃的高温条件下，BPSG 薄膜会呈现液体般的流动状态。相较于 PSG，BPSG 的回流温度更低，这一优势有效减少了杂质再扩散现象的发生。例如，将 BPSG 置于氮气环境的高温炉中，在 850℃条件下退火 30 分钟，即可促使其发生流动，利用这一流动性能够实现台阶覆盖处的平坦化处理或孔隙填充，进而在图形结构周围形成局部平坦化效果。回流工艺不仅能够实现表面平坦化，还能提高薄膜的密度，使薄膜结构更加致密。

随着半导体器件特征尺寸的不断缩减，器件所能承受的总热量也随之降低，这就要求 BPSG 薄膜的退火温度相应下调。但如果退火温度过低，会直接影响 BPSG 薄膜在退火过程中的致密化效果与孔洞填充质量。因此，在实际生产中需要综合权衡各方面因素，确定适宜的回流温度参数。

BPSG 回流的流动性能取决于薄膜的组分构成、工艺温度、保温时间以及环境气氛等多重因素。BPSG 薄膜中硼（B）和磷（P）的不同掺杂比例，会对玻璃的回流温度产生显著影响，并最终决定回流效果。其中，磷元素的作用与 PSG 中类似，能够吸收并固定钠离子等可动离子污染物；而硼元素的掺入则可有效降低回流温度，通常情况下，BPSG 的回流温度比 PSG 低 150~300℃。一般而言，BPSG 薄膜中硼和磷的含量均约为 4%。当磷的浓度达到 5% 以后，即便进一步提高磷的掺杂比例，也无法继续降低 BPSG 回流所需的温度；此外，磷含量过高同样会像 PSG 那样导致薄膜吸潮性能增强，进而引发铝金属层的腐蚀问题。同理，硼的掺杂浓度过高也会对 BPSG 薄膜的性能产生负面影响：当硼的含量超过 5% 时，薄膜会发生结晶现象，形成三氧化二硼（B₂O₃）和五氧化二磷（P₂O₅）的晶粒沉淀，导致 BPSG 薄膜易吸潮且结构不稳定，生成的酸根晶粒还会使 BPSG 玻璃产生凹陷结构，最终影响其回流特性。