原创 第十二章 淀积

第十二章 淀积

1、虽然掺杂的区域和PN结形成电路中的有源元件，但是需要各种其它的半导体、绝缘介质和导电层完成器件/电路的电器性能，其中的一些是通过化学气相淀积CVD和物理气相淀积PVD的方式淀积在晶圆的表面；常规的淀积层有：掺杂的硅层（外延层）、金属间的绝缘介质层（IMD）、金属间的导电连线、金属导体层和最后的钝化层；半导体薄膜的参数：
■厚度/均匀性；（高纵横比模式）
■表面平整度/粗糙度；
■组成/核粒（grain）尺寸；
■自由应力；
■纯净度；
■完整性；
■电容；（金属传导层-高传导、低电阻低电容的低k介质；绝缘介质-高电容或高k值介质）
关于low-k值和high-k值可参看另一篇日志：什么是Low-K?什么是High-K?
2、化学气相淀积CVD基础：
a.淀积（deposition）指一种材料以物理的方式沉积在晶圆表面上的工艺过程，而生长膜是从晶圆表面的材料上生长形成的；
b.一般通过四种化学反应来形成薄膜：高温分解反应、还原反应、氧化反应和氮化反应；
c.淀积薄膜的生长过程：成核过程（nucleation）、核生长、岛结合；
d.基本CVD系统设计：气体箱、反应室、能源柜、晶圆托架（舟体）和装载、卸载机械装置；
e.CVD的工艺步骤：与氧化或扩散类似，包括预清洗、淀积和评估（阶梯覆盖、纯度等等）；
3、CVD系统分类：常压（AP）、低压（LP）、等离子体、气相外延、分子束外延…
a.常压化学气相淀积APCVD：
■水平管-热感应式APCVD；
■桶式-辐射感应加热APCVD；
■饼式热感应APCVD；
■连续传导加热APCVD；
■水平热传导APCVD；
b.低压化学气相淀积LPCVD:
■水平对流热传导LPCVD
■超高真空CVD(UHV/CVD)
■LPCVD主要优点如下：
较低的化学反应温度；
良好的阶梯覆盖和均匀性；
采用垂直方式的晶圆装卸，提高了生产率和降低了在微粒中的暴露；
对气体流动的动态变化依赖性低；
气相反应中微粒的形成时间较少；
反应可在标准的反应炉内完成；
c.增强型等离子体（PECVD）
■水平垂直流PECVD；
■桶式辐射加热PECVD；
■水平管PECVD；
■高密度等离子体CVD（HDPCVD）；
d.气相外延VPE
e.分子束外延MBE
f.金属有机物CVD（MOCVD）、MOVPE…
4、淀积膜：采用CVD技术淀积的薄膜，按电性能可分为半导体膜、绝缘体膜和导体膜；
5、淀积的半导体膜：制造高质量的器件和电路，批量晶圆的使用还存在着一些不足，晶圆的质量、掺杂范围和掺杂的控制等因素限制了批量晶圆的使用，同时也限制了高性能双极型晶体管的制造，解决的方法是硅淀积，称为外延层（epitaxial layer），其中包括同外延（hemoepitaxial）和异外延（heteroepitaxial）；
6、外延硅：外延（epitaxial）来源于希腊字意为“安排在上面”，在半导体技术中指薄膜的单晶结构：
■四氯化硅（SiCl4）化学源；
■硅（SiH4）化学源；
■SiH2Cl2化学源；
■外延薄膜掺杂；
■外延膜的质量；（尖刺spike  位错stacking faults 图案迁移pattern shift 自动掺杂autodoping 外溢扩散out-diffusion）
■CMOS外延；
■外延工艺；
■选择性外延硅；
7、多晶硅和非晶硅淀积：随着硅-栅MOS器件的出现，多晶硅才在器件结构中得以应用，硅-栅器件技术加速了淀积多晶硅薄膜的可靠工艺的需求。80年代后，多晶硅似乎成了先进器件材料的主力军，除MOS栅外，还用在SRAM器件的负载电阻、沟槽填充、EEPROM中的多层聚合物、接触阻隔层、双极型器件的发射极和硅化物金属配置中的一部分。大多数的多晶硅层是采用LPCVD系统进行淀积的。
8、SOS和SOI
SOS：Silicon on Sapphire（蓝宝石）、SOI：Silicon on Insulator（绝缘体硅）、SIMOX
9、绝缘体和绝缘介质：
a.二氧化硅： Vapox、Pyrox、Silox、TEOS（Tetraetheyl Orthosilicate）；
b.掺杂的二氧化硅；
c.氮化硅；
10、导体：
传统的铝和铝合金的金属导体采用蒸发或溅射的方法进行淀积、对硅-栅MOS晶体管，则采用多晶硅掺杂淀积。多层金属结构和新导电材料的出现，将CVD和PVD技术延伸到导电金属领域。