半导体和绝缘材料

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。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。.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