文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述半導體制造中的回流技術。

玻璃回流（reflow）技術是通過升溫加熱雜氧化硅，使其產生流動特性的工藝，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）這類玻璃體材料實施平坦化處理是切實可行的方案。在大規模集成電路（large scale integration, LSI）發展階段，磷硅玻璃被廣泛應用于金屬前介質層、多層金屬布線的層間介質層、回流介質層以及表面鈍化保護層等場景。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 在高溫環境下進行回流處理時，能夠形成局部平坦的表面，進而提升后續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構變得圓滑，具體效果如圖 1 所示。回流過程中，溫度的升高與高溫保持時間的延長，都會進一步增強 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行，持續時間為 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：當磷的質量分數低于 6% 時，PSG 的流動性會顯著變差；但如果磷的濃度過高，PSG 則會表現出強烈的吸潮特性。PSG 吸水后，其中的五氧化二磷（P?O?）會發生水解反應生成偏磷酸（HPO?），而偏磷酸會對金屬鋁膜產生鉆蝕作用，最終導致半導體器件失效。基于此，氧化硅中磷的質量分數適宜控制在 6%~8% 這一區間，通過該比例設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險。

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

硼磷硅玻璃（BPSG）回流

伴隨半導體器件尺寸的持續縮小，金屬前介質層（PMD）需要填充的孔洞結構日益微小，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。硼磷硅玻璃（BPSG）是摻雜了硼和磷元素的二氧化硅材料，作為金屬前介質層在集成電路制造領域得到了廣泛應用。二氧化硅原本規整的網絡結構，會因硼磷雜質（三氧化二硼 B?O?、五氧化二磷 P?O?）的摻入而變得疏松，在高溫環境下，BPSG 會呈現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：等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）和亞常壓化學氣相沉積（SACVD）。PECVD 工藝的工作壓強通?？刂圃?10Torr 以下，而 SACVD 工藝的壓強范圍可達到 200~600Torr。由于 SACVD 工藝環境中分子的平均自由程更短，填隙能力更優，因此 BPSG 薄膜的制備主要采用 SACVD 方法。

采用 SACVD 技術制備 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 進入反應腔后，在 480℃左右的高溫下發生熱分解，同時與氧氣分解產生的氧自由基在特定壓強下發生化學反應；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。反應腔內新生成的 BPSG 薄膜內部呈多孔狀，結構十分疏松，器件上的孔洞并未被完全填充，因此必須經過退火回流工序。在 750~1000℃的高溫條件下，BPSG 薄膜會呈現液體般的流動狀態。相較于 PSG，BPSG 的回流溫度更低，這一優勢有效減少了雜質再擴散現象的發生。例如，將 BPSG 置于氮氣環境的高溫爐中，在 850℃條件下退火 30 分鐘，即可促使其發生流動，利用這一流動性能夠實現臺階覆蓋處的平坦化處理或孔隙填充，進而在圖形結構周圍形成局部平坦化效果。回流工藝不僅能夠實現表面平坦化，還能提高薄膜的密度，使薄膜結構更加致密。

隨著半導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下調。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量。因此，在實際生產中需要綜合權衡各方面因素，確定適宜的回流溫度參數。

BPSG 回流的流動性能取決于薄膜的組分構成、工藝溫度、保溫時間以及環境氣氛等多重因素。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%。當磷的濃度達到 5% 以后，即便進一步提高磷的摻雜比例，也無法繼續降低 BPSG 回流所需的溫度；此外，磷含量過高同樣會像 PSG 那樣導致薄膜吸潮性能增強，進而引發鋁金屬層的腐蝕問題。同理，硼的摻雜濃度過高也會對 BPSG 薄膜的性能產生負面影響：當硼的含量超過 5% 時，薄膜會發生結晶現象，形成三氧化二硼（B?O?）和五氧化二磷（P?O?）的晶粒沉淀，導致 BPSG 薄膜易吸潮且結構不穩定，生成的酸根晶粒還會使 BPSG 玻璃產生凹陷結構，最終影響其回流特性。