半导体和绝缘材料

1、淀积集成电路被制造出来，但薄膜精确来讲分为导体，半导体和绝缘材料。通过显微镜，我们看到密集的线条、图案和这些材料建造的结构。在这张用扫描电子显微镜拍摄的照片中，我们看到了一下被制造在一层上的晶体管。这些晶体管和其他电子设备是基本器件，在电路中控制电流流动。大量的这种器件用于集成今天的电子产品，用于制造和集成电路的原料包含元素或元素组合。虽然这些元素中的大多数是作为气体被引入到制作工艺中的。 但是，一些本来是液体，一些是固体。选择这些材料，是由于它们能够生产出高质量的导电和绝缘薄膜。导电材料比如金属，硅化物和合金，它们对电流的阻碍比较小。低阻金属，比如铝、铜、钨,被用作连接集成电路各个组成部分的

2、导线。绝缘材料阻碍电流流动。这些被称为是电介质且不导电的材料，可以保持各区域电流彼此独立。它们也保护整个表面不受潮湿，污染和物理损伤。半导体材料像硅和多晶硅，当磷或硼之类杂质被掺入其中时，它们开始导通。薄膜被淀积到晶圆表面上进行化学和物理反应，这利用了四种技术。生长过程和化学气相淀积是化学反应过程。它们通过化学反应可以生成新物质。旋转涂覆和物理气相淀积是物理过程。它们通过物理变化实现状态的转化。无论是物理还是化学淀积，淀积层的质量都取决于晶圆环境的适度控制以及所用材料的纯度。在这个设备中，高纯度的液态氧、氮和氩被生产出来，以供半导体行业使用。这些商业用气被装载到拖车上，然后直接运送到工厂的储存

3、罐中。高纯度的液氧和液氩也可以通过高压密封被运送给使用者。而气态氮气大多数通过地下管道输送给半导体行业。从这些设备出发，这些管道延伸超过 75 公里，到达位于硅谷的用户。这些气体和液体是从空气中提取出来的， 空气环境中大 约 78%的氮气、21%氧气，不到 1%氩气。 二氧化 碳，氦，水蒸 气，和其它化合物作为微量元素而存在。空气被 放到这些大 型压缩机里，它压缩、膨胀 然后蒸馏 成为分 离的元素，液态的被储存到低气压罐，气态氮 则沿着 这些管道运送。这些管子连接到地下的运输管道，它们的表面是长达 千里的半导体设备。在这里氮气在使用 前被进一 步提纯。若要知 道原材料是如 何被淀积到晶圆表面成

4、为薄膜，让我们回到洁净室 ，近距离 的看一下在一个 简单 的 CMOS 晶体管内部硅的 “旅 程” 。从 宽泛多样的选择中选出 最好的原材料依赖于加工过程、设备和薄膜类 型。薄膜材料类 型可以不深加考虑 ，但相应的薄膜 性能必须考虑 。应力方向 的拉伸、层是否可以运用在晶圆上、膜对晶圆表面的 粘着 能力、膜的构成或化学组成、膜 与邻近 层的化学 兼容性 、所有后继的过程、膜平整淀积在晶圆上的能 力、以及哪种材料 更易于淀积。当这些晶片被 清洗之后, 它们 准备好开始淀积 第一层：一层薄绝缘层。在所有可用的绝缘材料中，最常用于 第一层的是二氧化硅。在这个 竖直的 熔炉里, 氧以纯氧气或者 水蒸

5、气的形式被引入。硅直接来 自于晶圆的表面, 这些晶圆被 放置在两个大型石英舟 下方。这些晶片被 缓慢 地移动到半 竖直的熔炉 里, 以使晶圆适应高 温 。在 850-1000 摄氏度时，纯氧或水蒸气也从 熔炉的顶端生成， 没反应的气体 会在熔炉的底部消耗完 。当氧气分子或 水分子到达硅晶片表面时，他们 会获得足 够的 热能打破 晶界的束缚 而分解。氧和表面硅分子结合产生 二氧化硅，而 副产物 氢 气则逸 出熔炉 。氧化 速率深受晶片 温度和氧化时 间的影响 。当氧气的 浓度较高时，硅的氧化层 增长只能和打破硅晶界的速度一样快。这 严重受温度影响，温度越高，氧化 速率越快 。为了保护晶圆表面一

6、致的氧化层，反应 室的温度要严格 控制。保 证所有晶圆持 续一致的厚度是 重要的，无论是对 单个，分 批甚至 对每一个过程来说。这个确保了一 致的表面电气 特性 ，包括所有过程中的所有晶圆。一些电气 性质需要良好 的绝缘膜，一个受控的介电常数决定了储存在导电层的电 荷数目。承载最高电压的能力以及对杂质的较低 吸引力也许可以储存 额外电荷。二氧化硅是高质量玻璃 状的绝缘体。在贯穿 整个过程的时间里，它被用来保护硅基片转化成电绝缘区域。在光刻 、离子注入和 扩散金属 N 阱之后，被 注入离子的二氧化硅薄层刻蚀完毕 ，一个新层 重新长出。为了阻止这个新生的层 继续生长， 同时为了保护 即将淀积晶体管

7、的区域，氮化硅绝缘层被淀积，利用化学气相淀积法（ 也称为 CVD）在这个过程中， 所有的反应物从外界来源获得。 含硅的气体如 SiH2CL2被挑选来和含氮的气体如 NH3反应生成 Si3N4。当只有一个反应物需要控制的时候,更容易成功淀积. 假设反应在充满 NH3的氛围下进行, 要确保有限的 Si2Cl2 完全反应。反应气体通常由诸如氮气和氢气的运载气体引入室内。 这些气体稀释了反应物来减缓反应从而更方便的控制反应。 运载气体不直接参与反应, 被废气流带出。N 型化学气相淀积发生在低压 CVD装置中。一旦后续物质装载, 室体便封闭, 形成真空。在正常大气压下, 周围的气体紧密地聚集并持续碰撞。

8、 当真空形成之后， 气氛中的大多数气体被挤出, 分子密度变低. 在氮化层被淀积时, 晶圆处于这种真空环境下有助于减少表面颗粒的形成。 在真空环境下， 分子在区域表层的任何地点发生反应， 甚至是较远的区域， 从而形成更加一致的淀积。 如果温度适宜， 反应粒子就会破碎分裂到达表面。被激发出能量的分子碎片就会需找稳定的新的氮化硅层。当气体进入容器开始反应。 浓度会沿着该环路一路递减， 接近排气口的位置温度略微升高， 增加了反应速率， 并确保所有晶圆具有统一的厚度，另外，作为一个好的绝缘体,氮化硅非常密集,抵抗其他材料的解离, 它是氧和水蒸气的极好屏障。晶圆表面利用光刻及掩膜进行图形转移后，未被阻挡物

9、覆盖的氮化物被刻蚀。晶体管将会在仍被氮化硅保护的区域制备出来。在氧化器中, 一个被称为填充二氧化物的 伪绝缘层将和 已被刻蚀的氮化物一 起生成。再次，氧结合氢生成水在晶片 上形成污点，在 最初的氧化 阶段 . 氧化层的厚度与氧化时 间直接相 关。随着氧化层的变化， 伪氧化层增 长。氧气变得 很难迁 移到日益增长的氧化层中， 去接触更多基板上 的硅原子晶界。这样减少了界面上的氧化物浓度，减 慢了反应过程。虽然氧无 法通过氮化硅 迁移 ，但是 有一些可以 缓慢的渗入到原始组 织氮中去。这 样在原始薄氧化层 与大片 厚的氧化层区域 间形 成一个过 渡区，并且为剩余 的淀积物提供一个 缓和的 斜坡 。

10、 . 这些 厚的氧化层区 减少 了硅表面和 底下区域之间充满着 的电子， 并且为可以阻 止一些不 必要的电流 泄露 。剩余 的氮化层 去除之后，晶圆被 植入硼 离子。被 注入离子破坏的氧化层 去除之后，新的一层 二氧化硅在 栅区生成。 第一层淀积硅掺杂 形成的多晶硅， 将充当 CMOS晶体管的 栅电极 。某些电子 性质对于 形成一个 良好 的导电膜是 非常重要 的。它们包 括对电流的阻 挡，同时对导电层也 有小的阻 抗。所以接触孔 可以很小但对电子 迁移有很 高的阻 挡。这些 最终显示了电子 迁移所造成的空 隙和山丘 。并且当电子的 迁移 时会导致从电流。多晶硅是用低压化学气相淀积法淀积的。所

11、 采用的硅的高斯分布源 通常是硅 烷 。用氮气作为载体，在大 约620 的低压 熔炉中，硅被淀积在氧化物表面。多晶硅包含了 许多单个晶体的 很多晶向。为了 让多晶硅的导电 性更好 ，它被进行重掺杂，无论是在 熔炉内形 成还是 采用磷或 砷进行 离子注入。 N 型掺杂沿边界 被俘获 ，然后被掺入硅晶体中, 这使 得多晶硅成为 良好 的导体。它们可以 承受很高的温度和 并且可以耐化学腐蚀 ，通常用于 清洗作业之中。当多晶硅层被 刻蚀 后成为 栅电极，用它们 打开和关闭 晶体管。由于导电材料的电迁移 ，大部分绝缘材料所面 临的挑战都是 围绕它们进行的，比如 角落难 以填补。高而 垂直的 侧壁可能引

12、起更 薄的淀积和尖锐 的边缘，它们可能出现氧化而导 致短 路。在 栅极自 对准过程中， 栅极 的边缘地区成为 离子注入过程中 漏极 和源极 区的掩蔽 区。 . 在今天各种各 样复 杂的的 芯片中，晶体管之 间的通道连接被 缩短了，以此提高了晶体管的开 启和关闭的速度。这导致了电场变得很大，尤其是漏极区周围，进而引 起可靠性问题 。解决这个 问题的一个 方法是: 在接口旁边的漏极区做一些 轻微的修复。首先 ，在离子注入过程中进行一 致的掺杂 恢复，然后， 再做一个合适的上层薄膜淀积。 先前的氧化物 已经 在高温下实现了淀积。然而现在，为 避免硅中 已注入物质的 扩散，适 宜温度的低压化学淀积是

13、首选。为了确保薄膜在不 平整的表面 有一个 均匀分布。正硅酸乙酯 被选中当做硅源，这个 系统 的背后，我们看到一 套由四个分 离反应器组成的化学气相 沉积组合设备，在 每个反应器中 有一个seceptor ，这些晶圆 将在这里 加热到约四百摄氏度的温度。冷压的气体 沿存储通道流下到高纯度的电 抛光高纯度 钢梁管道。TEO，或者 正硅酸乙酯 ， 是一种 具有良好 的保 形性能的有机 液体， 正硅酸乙酯 很难被气化， 要想将它像气体 那样去运输， 就要把它转换成雾状，之后由一个精密液体 注入系统喷入管道。这种液体的质量流量控制器 定期测定有 多少气体流进压 力室 里。低压 室将 TEOS和热量拉近

14、 载流气体，氧气也通过设 计的强保形能力孔洞与之一起提取进来。TEOS和氧反应生成硅氧化层， 二氧化硅 均匀 的长在表面， 并在垂直界面氧化层 沿着栅极侧壁 生长。这是显 示在照片的 周围侧壁的顶视图。当晶圆 再次进行 离子注入，其结 果是轻掺杂区 与重掺杂区由隔离区保护 起来，这通过 把漏极附近电压扩散 到整个空间范围从而 降低电场强度。这是在 自对准工艺上的 改进和 消除重掺杂区 边界聚集的电 场。当 扩散结被制造 好之后，它们通过一个 热过程高 温退火。在这里， 与高温钨灯在几秒钟 内加热，这最大限度的 降低了扩散并 使退火 快速发生。 加热室里面，我们可以看到 14 个钨 丝灯泡 ，每

15、个灯里的金属 灯丝整齐紧密地从一 端缠绕延伸到 另一端，晶圆以上， 另有 14 灯提供均匀 分布的热量。多晶硅 栅可以 承受热量，而像铝金属这样的金属 则会融化。然而，多晶硅 具有非常 高的电阻， 对于一些 特殊的芯片，它们 要求高速。一层 很薄的硅化物被淀积在 栅极 ，用来 减小电阻。这通 常通过一个 把硅烷气体与钨钛蒸气结合 起来的化学气相淀积过程完成。在组合反应器中, 反应物之一被平和地送入整个 步骤。淀积 完成后， 把晶圆转 移到蒸汽热反应器中长时 间退火 。现在绝缘层材料被淀积， 快速地把多晶硅 栅极区和金属层 隔离开来。 正硅酸乙酯 在这个过程中作为硅的原材料来 降低所需要 的能量

16、，在液态的 三甲基硼掺杂 剂中，加入了磷 酸三甲酯 。在这个体 系中，杂质被 蒸发，一 起形 成蒸汽。氦气和 正硅酸乙酯 一起变成液体。作为气 泡的表面，它们 将正硅酸乙酯 作为湿气引入这个 系统 中 . 随着这些 蒸汽与氧气的结合， 快速 成型的硅化物 玻璃 上长出了一个层片，即被称为硼磷硅 玻璃 的物质被淀积出来。这个新的表面形貌反映出下面 未知的结构, 这对于今天广泛采 用的 光刻 手段 是一个 问题。虽然 掩膜图案可以精确地聚焦 在上表面，但它不能同时聚焦在更低的区域。这些步骤也可以创造又薄又bertal的金属层， 为了 消除这些 问题，这些晶圆的表面必须要平坦。为使多晶硅实现电气绝缘

17、和将表面处理平坦，可以利用一种 自旋玻璃技术。这里，一个微小的玻璃颗粒混 合物 悬浮在溶剂 中形成粘稠液体，当应用于旋转晶圆，液体填充 了表面低 洼的地方，并且圆滑尖锐形状，使 得表面近于平坦。晶圆 经过一系列低温烘烤使溶剂 蒸发。 退火时，后面的 玻璃 薄膜形成密集的高品质 曝晒层。今天的一些多层 芯片设计需要仅由化学 机械抛光形 成的完全弹性表面。表面接 触孔已蚀刻后，表面 再次 成为非平面，且 难以使金属线通过。金属 插头，通 常是钨， 创造了淀积 第一金属层所 需的水平 表面。但 首先，导体材料如钛钨或氮化 钛被沉积下来作为 胶层和阻 挡层。尽管化学气相淀积是用来淀积 某些金属，但是大

18、部分 仍然使用被称为 溅射的物理气相 沉积。在这个 隔离层系统中，被淀积的金属 靶材被放置在晶圆 附近。惰性气体，比如氩气，以极低的气压被 混在真空室中，我们应用大电 场将氩气电 离。带正 电的氩 离子被 吸引到 阴极，撞击阴 极靶的大原子。被 激发后，这些原子 沿着许许多多不同的方向离开阴极靶。结果就导致不平整的表面 拥有了一层 良好 的覆盖层。这些导电层对 二氧化硅和钨的作用都 很好。它确保了淀积时 难以到达的 角落被填充 上，因此一个 坚固的电气 互连得以建立。 同时，它还阻 止了硅和金属层之 间发生不 需要 的反应。然后，用化学气相淀积的方法 ，钨被淀积了。 随着接触孔 的填充 ，若上层物质比中层物质 更早填了进去，便有造成孔洞的危险 ,