掺杂二氧化硅的制造是在化学气相沉积（CVD）过程中进行的，通过在标准的硅和氧前体气体之外引入含掺杂剂的气体。例如，磷化氢（PH3）用于添加磷，而像乙硼烷（B2H6）这样的硼源则用于添加硼。这些掺杂原子在二氧化硅薄膜生长于晶圆上时被整合到其中，形成掺杂玻璃。
掺杂二氧化硅的核心目的不是改变其电学性能，而是从根本上改变其物理行为。通过添加磷和硼等杂质，可以显著降低玻璃的熔点，使其在可控温度下软化并“流动”，从而形成更光滑、更平坦的表面。
核心机制：CVD中的共沉积
掺杂氧化物的制造是对标准二氧化硅沉积工艺的修改。关键在于同时引入气相中所有必要的化学前体。
从标准二氧化硅工艺开始
在典型的CVD工艺中，硅源气体与氧源反应，在晶圆表面形成固体二氧化硅（SiO2）。常见的化学反应包括：
- 硅烷（SiH4）和氧气（O2），通常在较低温度（300-500°C）下进行。
- 四乙氧基硅烷（TEOS），它在较高温度（650-750°C）下热分解形成高质量的SiO2。
引入掺杂剂源
为了制造掺杂薄膜，将含有所需杂质的第三种气体添加到流入CVD腔体的气体混合物中。
- 为了制造磷掺杂玻璃（PSG），使用磷化氢（PH3）气体。
- 为了制造硼磷硅玻璃（BPSG），同时引入磷化氢和硼源，如乙硼烷（B2H6）。
掺杂剂融入生长薄膜
随着化学反应的进行和二氧化硅薄膜逐原子沉积，掺杂原子直接融入玻璃结构中。它们取代了一些硅或氧原子，破坏了纯二氧化硅网络并改变了其物理性能。
为什么要掺杂二氧化硅？平坦化的目标
在半导体制造中，掺杂氧化膜的主要驱动力是为了解决器件形貌的挑战。
问题：不均匀的表面
当晶体管和导线在晶圆上制造时，它们会形成一个具有明显“山谷”的表面。在此不均匀的形貌上沉积后续绝缘层会形成复制这些凸起的共形薄膜，这对随后的光刻和金属互连有害。
解决方案：玻璃回流
解决方案是沉积一层玻璃，然后加热晶圆，直到玻璃软化，就像蜂蜜一样。表面张力迫使半液态玻璃流动，填充凹陷并使尖锐的角落变得圆滑，从而形成更光滑、更平坦的表面。
掺杂剂的关键作用
纯SiO2的软化点极高（远高于1400°C），这个温度会破坏晶圆上已有的精密晶体管。掺杂剂充当助熔剂，破坏刚性的SiO2原子网络，并显著降低玻璃回流的温度。
- 磷硅酸盐玻璃（PSG），也称为P型玻璃，仅掺杂磷。它需要1000°C以上的温度才能有效流动。
- 硼磷硅玻璃（BPSG）掺杂了硼和磷。掺杂剂的组合将回流温度进一步降低到850°C左右。
理解权衡
虽然掺杂氧化物至关重要，但它引入了必须仔细管理的工艺复杂性。
优点：更低的热预算
BPSG相对于PSG的唯一最大优势是其较低的回流温度。这在现代制造中至关重要，因为它可以在不将底层敏感结构暴露于有害高温的情况下进行平坦化。
挑战：掺杂剂浓度控制
玻璃中掺杂剂的百分比是一个关键参数。掺杂剂过少，玻璃在目标温度下将无法充分流动。掺杂剂过多会使薄膜不稳定并具有吸湿性，这意味着它容易吸收空气中的水分，从而导致形成腐蚀金属布线的酸。
CVD化学的影响
基础SiO2化学（例如，硅烷与TEOS）的选择仍然很重要。基于TEOS的氧化物通常提供更好的共形性，这意味着薄膜在回流步骤之前在尖锐的台阶上具有更均匀的厚度。这会产生更均匀的最终平坦化表面。
为您的工艺做出正确选择
您的决定几乎完全取决于您的整体制造流程的热限制。
- 如果您的主要重点是简化且热预算高（>1000°C）：PSG是一个成熟且有效的平坦化选项，适用于可以承受高温的工艺。
- 如果您的主要重点是保护对温度敏感的器件（<900°C）：BPSG是必不可少的选择，可以在先进集成电路所需的较低温度下提供出色的平坦化。
- 如果您的主要重点是简单的电气隔离而无需平坦化：来自TEOS或硅烷源的未掺杂氧化物更简单，并避免了掺杂剂控制的复杂性。
了解掺杂剂如何改变玻璃流动对于实现可靠、高性能器件制造所需的精确表面形貌至关重要。
总结表：
| 掺杂剂类型 | 掺杂剂源 | 所得玻璃 | 回流温度 | 主要应用 |
|---|---|---|---|---|
| 磷 | 磷化氢（PH3） | 磷硅酸盐玻璃（PSG） | >1000°C | 高热预算工艺 |
| 硼和磷 | 乙硼烷（B2H6）和磷化氢（PH3） | 硼磷硅玻璃（BPSG） | ~850°C | 低热预算，先进集成电路 |
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