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半导体 | 成膜设备

来源:北京爱蛙科技有限公司 更新时间:2024-10-11 09:12:19 阅读量:277
导读:硅基板上形成布线和绝缘膜的成膜设备


本部分将介绍在硅基板上形成布线和绝缘膜的成膜设备。成膜方法有很多,所以将解释每种成膜设备。还将讨论高k栅堆叠技术中使用的ALD设备和应变硅技术中使用的外延设备。

一、什么是成膜设备?

LSI(大规模集成电路)工艺基本上由在晶圆上形成杂质区、布线(包括插头)和绝缘膜组成。其中,成膜设备的作用是形成布线膜和绝缘膜。

什么是半导体工艺的成膜?

基本上,LSI膜由半导体膜(包括晶圆的扩散层)、用于传递电流(信号)的布线膜和绝缘膜组成。半导体膜(实际上是扩散层)作为半导体器件基础的开关功能元器件,是最重要的部分。而布线则是将这些元器件连接起来的部分,该部分有垂直连接的插头,也有在水平方向上铺开的插头。此外,还有一层绝缘膜使这些电线和元器件彼此绝缘。成膜设备的特征在于,根据原料气体和成膜工艺可以衍生出各种设备。

成膜设备的构成要素

下图列举了成膜设备的构成要素。进行成膜工艺肯定是需要成膜室的。在其上游需要有提供成膜原材料的系统。成膜的原材料基本上是气体。即便是液体和固体材料,也会先以气体形式供给成膜室,因此也需要气体供给系统。为了进一步分解气体,实现成膜工艺的处理,也需要能量供给系统。如果是等离子环境,需要高频电源,如果是热CVD环境,需要加热系统。为了使上述系统能够正常工作,真空环境下需要真空系统,常压环境下需要风扇排气系统。在工艺流程的下游,需要消除有害物质的净化系统。该图以等离子体 CVD设备为模型,但与蚀刻设备大致相同。唯一的区别是膜的形成还是去除,具体而言则是高频电源的施加位置不一样。

成膜设备的构成示例

成膜的参数和方法

如上所述,有许多不同的成膜方法。下图中概述了这些情况。本部分将对阴影部分的设备进行讨论。

成膜设备的分类示例 

在气相成膜的情况下,主要参数是温度、压力和有无等离子体。由于等离子主要用于蚀刻。在成膜工艺中,等离子体具有降低晶圆温度的作用。

在液相成膜的情况下,主要参数将在对应章节中介绍。液相成膜工艺也有降低晶圆温度的作用。在500℃(区分前后端的温度)以上的温度环境下进行的成膜工艺是减压CVD和外延法。外延法应用于相同方向上面实现单结晶硅薄膜堆叠的应用场景。虽然现在大规模集成电路的应用没有那么普遍,但是新时代的设备中很有可能被大量采用。

二、基础中的基础:热氧化设备

硅半导体在晶体管形成过程中使用的是硅热氧化膜。直接氧化而形成的硅热氧化膜是最稳定的氧化膜。

硅氧化工艺和设备

这里将介绍用于热氧化这一半导体制造工艺中最基本的设备。硅的热氧化是在高温(>900℃)下进行的,氢气和氧气被送硅片并燃烧,产生氧化剂(O*)。产生的氧化剂达到直接氧化硅的效果。化学反应式如下

Si+2O*→SiO2

用于这种氧化的设备称为热氧化炉或氧化炉。如下图所示,一些晶圆以50或100数量的单位放在石英炉中的载具上。加热是从石英炉的外部进行的。因为这种方法使用的是水平横向的炉子,所以也称为水平炉(卧式炉)。在晶圆直径还比较小的时候,使用的就是这种水平氧化炉。

横向硅热氧化炉的示例

这样的常压氧化炉是主流的设备,但是也有通过炉内的高压来实现厚氧化膜生成的设备。

硅氧化设备的构成要素

除了高压氧化设备之外的设备,由于是常压,所以并没有真空系统。其他的构成要素有气体供给系统、排气系统、晶圆的装载和卸载区、成膜工艺室、加热系统和控制系统等。在水平炉(卧式炉)的时代,如上图所示,晶圆是用人工装载的。随着晶圆直径的增大,设备的占地面积也越来越大,所以从200mm 晶圆时代开始,如下图所示的立式热氧化炉就成为主流。这与热处理设备的配置基本相同。

立式热氧化炉的概要图

晶圆载具从炉子的底部装载。但所使用的气体与热处理设备是不一样的。晶圆载具的装载和卸载是完全自动化的。立式炉(立式热氧化炉)的流行意味着设备会很高,导致无尘室的天花板高度将由立式炉的高度决定。

三、历史悠久的常压 CVD 设备

CVD设备中最初使用的是常压CVD设备,所以不需要真空系统。如今常压CVD设备仍然被用在低温氧化膜的生产工艺中。

什么是常压 CVD 工艺?

常压 CVD,也被称为 AP-CVD,是英语Atmospheric Pressure CVD的缩写。你可能会问为什么不直接通过热氧化工艺生成氧化膜呢?因为直接氧化成膜会使膜的表面温度升高,如果膜的材质不耐热,就没有办法形成氧化膜了。因此,有必要通过常压或等离子CVD的工艺生成氧化膜。不同氧化膜的形成需要不同的成膜工艺和设备。具体原因如下:

1.追求薄膜的品质不一样。例如,热氧化工艺生成的薄膜是致密的。

2.根据不同温度有不同成膜效果。见以下三种情况。

①对杂质再分布(当温度过高时,杂质会从杂质区域向外扩散)有影响的温度区间:~900℃。

②对杂质再分布没有影响的温度区间:550℃~800℃。

③对布线的金属材质有影响的温度区间:~450℃。

在下图中显示了①~③成膜反应方程式。相对应的成膜设备标识在括号内。

氧化膜的生成示例

可以粗略分为三类:①热氧化膜;②高温氧化膜;③低温氧化膜

常压 CVD 设备的构成要素

因为是常压,所以既不需要等离子体,也不需要真空系统和高频电源相关的设备,所以设备成本得以缩减。其他构成和通常的成膜设备由气体供给系统、排气系统、晶圆装载和卸载区、成膜工艺室、加热系统、控制系统等组成。

常压 CVD 设备的示例

下图显示了以往已知的立式常压CVD设备。这里所说的排气系统是指晶圆厂的无尘室内的风扇排气系统。所谓“立式”是指气体的流动方向与晶圆垂直。加工125mm(统称 5in)左右的晶圆的时候,就经常使用这种类型的设备。另外,“水平”和“立式”相反,是指气体流平行于晶圆。

批量式的立式常压 CVD 设备的示例

下图显示了一个水平常压CVD设备。图中显示的是单片式设备,具体的成膜方法是让晶圆从气体头(Gas Head)下面通过。目前已成为主流的常压 CVD 设备。

但是常压 CVD设备是很难维护的。因为薄膜的形成范围并不受严格控制,它不仅在晶圆上,也会在成膜工艺室内部和晶圆载具上生成。常压CVD设备因为没有真空设备和高频电源施加设备,所以也没有办法实现真空或者等离子体清洗(通过向等离子体 CVD成膜室中导人蚀刻气体并放电,从而去除成膜室内的薄膜。),需要人工对工艺室进行维护。虽然笔者并没有经历过工艺室维护的工作,但是看到过同事维护的经历,光是看着就觉得很烦琐了。就是为了减轻维护的工作量才开发了HF蒸汽清洗等设备。另外值得注意的是,在排气口也容易堆积反应的生成物。尽管有轻有重,但是其他CVD设备也有类似的情况。

水平常压 CVD 设备的示例

尽管常压 CVD设备已经有很长的历史,但是随着晶圆直径大尺寸化的潮流,它也被不断改进,仍然是绝缘膜生产工艺中不可或缺的设备。其原因是,该设备可以让绝缘膜在不影响布线材料的温度下生成。

四、前端的减压 CVD 设备

减压 CVD指的是低于大气压环境下的成膜工艺。因为该工艺的成膜形成过程是处于高温的,所以可生成比常压状态下更致密的薄膜。

什么是减压 CVD 工艺?

减压 CVD 也称为 LP-CVD。这是从英语 Low Pressure CVD 缩写而来的。业界中 LowPressure 一般简称为LP或减压。通常,用于绝缘膜硅氮化膜和硅氧化膜形成的工艺叫作减压 CVD。虽然下面介绍的金属 CVD也是减压 CVD的一种,但根据薄膜的种类形成的名称已成为惯例。常压和减压都属于热CVD的分类。热CVD是利用热量促进原材料气体的分解和成膜反应的。如下图所示,加热方法有两种:一种是将晶圆从反应炉(通常从耐热性的角度考虑会使用石英建造)外侧加热的类型,称为热壁式。氧化炉就是这种类型,可以进行大量的晶圆加工处理,但不能迅速提高温度,所以处理时间会变长。同时反应炉内的薄膜附着也是课题。另外气体垂直于晶圆流动并从气流上流端(石英炉的下侧)开始被消耗,所以需要对垂直方向上的温度分布进行调整(对温度分布进行调整:一般情况下,会让气体下流端的温度高于上流端的温度)。即便如此,这种加热方式仍然是批量晶圆处理工艺的关键技术。

热 CVD 设备的晶圆加热概念图

另一方面,冷壁式常用于单片式加工设备,加热晶圆的载具,以提高晶圆的温度。因冷壁式的原理,所以反应室的薄膜附着情况会减轻很多。但因为晶圆载具的耐热程度不一,所以对加热器的温度有所限制。热壁式的成膜温度为500℃以上,冷壁式则为500℃以下的低温处理。虽然单片式单枚处理时间很少,但是数越多,花费时间就越多。冷壁式主要用于金属CVD。另外,虽然图中并未显示,但两种方式都有真空系统。

减压 CVD 设备的构成要素

与通常的成膜设备一样需要真空体系。成膜时的压力为数十Pa。其他构成要素和一般成膜设备是一样的:气体供给系统、排气系统、晶圆装载和卸载区、成膜工艺室、加热系统、控制系统等。为了达到减压的效果,如下图所示,形成了一个内管和石英炉的双重结构。气体流向是从内管导入气体,然后通过外侧进行排气。

减压 CVD 设备的概要图 

最有名的工艺是用二氯硅烷和氨作为原料,在700℃~800℃的温度下形成氮化硅薄膜。

五、金属成膜的减压 CVD 设备

通过CVD形成的金属膜一般是W(钨)。这是将晶体管的源极和漏极连接到第一布线层的导电塞膜。

什么是金属成膜工艺?

第一个进入量产的金属成膜工艺是将钨硅化物薄膜应用于栅电极。这是因为随着晶体管的细化,栅电极也变得更细,所以为了解决电极电阻随着常规多晶硅栅极而增加的问题,采用了钨硅化物这种多侧栅极和多晶硅(绝缘一侧)的双层结构。顺便说一下,硅化物(Silicide)是一种金属硅化合物,钨硅化物的化学式是WSi2。它在 1980年中期被推出。之后被推出的是钨塞(W-plug)。由于接触孔(是一个将硅片的扩散层与布线层通过导电性连接的孔。在逻辑LSI中,使用的是钨塞(W-plug))也随着晶体管的小型化而小型化,所以无法使用传统的铝进行布线,从而引入了使用CVD的包封钨(Blanket W:使用钨膜将晶圆完全包裹住的成膜工艺。为了和选择钨膜区分开来而取的名字,如今也有直接使用钨膜(W膜)来指代的)的成膜工艺。在此之前,20世纪90年代左右研究了一种仅在接触孔中形成钨膜的称为选择钨膜的工艺,但该工艺的稳定性很成问题,所以最终就只剩下使用包封钨膜,并通过CMP平坦化将其保留在接触孔的工艺了。如下图所示,CMP 技术的发展也促成了包封钨成膜工艺。本节将介绍包封钨成膜设备。

钨塞的形成方法

包封钨成膜设备

通常使用的设备是上一节所述的冷壁式减压CVD设备,它也有真空系统。当然也有批量式,但如今主流的仍然是单片式。成膜温度为400℃~500℃,最高压力为1Pa左右。原材料气体采用的是以 WF,为主的金属原材料气体。关于还原工艺采用的是用 SiH4和 H2的两步还原法。金属成膜设备与至此描述的其他冷壁减压CVD设备具有相同的构成要素,这里将给出几个金属成膜设备的特征。

金属成膜的CVD设备中需要特别注意的是让金属膜不进入晶片背面,否则背面形成的不规则附着的金属膜将会剥落,成为颗粒的来源,同时也会对其他工艺设备的晶圆载具形成交叉污染,出现诸如此类的问题。如下图所示,可通过用环覆盖晶片周围,再从背面导入惰性气体等方法尝试消除背面的成膜。另外,为了防止形成的包封钨膜向钨的源极和漏极扩散,预先形成了防护层(通常使用 Ti/TiN)。这个防护层也有提高钨和扩散层或者钨和层间绝缘膜之间的黏合性的作用所以该层也被称为胶层(glu)。为了形成这样的连续膜,金属CVD设备已经被集群工具化了。但是,由于Ti/TiN难以在 CVD设备中实现成膜,所以通常是在溅射成膜的工艺室中进行成膜处理。

金属 CVD 的时候防止背面成膜的示例

如上所述,集群工具化的特征就是可以不受成膜工艺的影响对设备进行整合,图 8-12显示了一个示例。图中显示的溅射蚀刻工艺室的作用是在形成T膜之前除去扩散层上形成的薄的自然氧化膜,从而达到降低接触电阻的效果。这是在实际的插塞工艺中经常使用的工艺。因为这里是要进行蚀刻处理的,所以高频电源施加在品圆所在的电极一侧。因此该工艺也被称为逆溅射。另外,由于近年来市场上出现了防护层 Ti/TiN的CVD成膜设备,选择余地也越来越大了。

集群工具化的金属 CVD 设备的示例

在这里我们以封包钨为例做了说明,但在栅电极的WSi 成膜中也有应用。

六、低温化的等离子体 CVD 设备

后端工艺追求的是在低温下成膜(沉积薄膜)。为此引入了等离子体 CVD 设备

什么是等离子体工艺?

等离子体 CVD因为使用等离子体对原材料气体进行分解,所以它的优点是可以降低成膜温度。等离子体CVD设备的外形如下图所示。当初出于工艺的考量,需要在铝制布线上形成保护膜(Passivation:钝化)。在熔点约为500℃的铝制布线上进行处理,对低温工艺提出了要求虽然用常压 CVD也可以在 400℃左右成膜,但保护膜需要含有氢元素,所以就需要使用等离子体 CVD 进行处理了。利用等离子体 CVD形成钝化膜(SiN)时,使用的原料气体是SiH4(甲硅烷)和 NH4(氨气)。

等离子体 CVD 设备-平行板型的示例 

虽然导入初期有很多人担心等离子体会对生产出来的电子设备有影响,但是20世纪80年代后逐渐进入了量产的运用。自此以后,依托等离子体 CVD设备各种各样的成膜工艺被开发,后面的low-k成膜工艺也都有使用等离子体 CVD 设备完成的时候,高频耦合是在阳极侧进行的阳极耦合方式。这与蚀刻设备有很大的不同。等离子体的产生方法不限于如图所示的平行板型的电容耦合方式,也有利用ICP(Inductive Coupled Plasma)放电产生高密度等离子体的方法。如下图所示,基本上,它是通过射频(RF)线圈的感应磁场获得高密度等离子体,原理与ICP蚀刻设备相同。然而,所使用的气体则是用于成膜的气体。与平行板型相比,具有可以获得较高密度等离子体从而提高成膜速度的优点,并且如图所示,该设备利用RF偏压实现蚀刻功能,也可以在处理蚀刻的同时进行成膜处理。适用于高密度布线的间隙填充(一种在导线之间的空隙中嵌入无空隙的层间电介质的技术)。

ICP 方式的 CVD 设备示例

等离子体 CVD 设备的构成要素

基本的构成要素和蚀刻设备是一样的。

① 工艺室。
②真空系统(管道、阀门、泵、压力调节功能等)。
③气体供给系统(管道、阀门、气瓶箱等)。
④ 高频电源。
⑤ 控制系统
除此之外,实际设备还需要晶圆搬运设备、晶圆载具温度控制设备、废气处理设备等,废气处理设备显示为净化系统。简而言之,它是一种将工艺室形成真空、提供所需气体并对薄膜形成做出反应的设备。

七、金属膜所需的溅射设备

LSI后端工艺中使用了各种布线,根据角色不同,使用的材料也不同。通常,由于很难用CVD等方法形成金属膜,所以需要使用称为溅射的方法。

溅射法的原理

这也基本上是一种使用 低温等离子体的技术。溅射产生如下图所示的 Ar(氩)的等离子体,将 Ar 离子撞击称为靶材的金属锭喷射出金属原子,以便在晶圆上形成薄膜。如果借用蚀刻概念来理解,那就是用Ar离子对靶材进行蚀刻了。当然,为了产生等离子体,必须产生真空。

Ar等离子的真空度比等离子CVD(~10Pa)高约两个数量级,所以设备十分昂贵因此拥有一个高性能的真空系统就很重要了。该方法可以通过高真空等离子体形成各种材料的薄膜。

溅射设备的概念图

什么是靶材?

靶材就是将高纯度金属铝锭熔合到称为背板的铜板上组成的东西,并且通过冷却水抑制因粒子的冲击而导致的靶材温度升高。此外,在靶材后面安装了磁铁,通过磁场的作用形成高密度等离子体。由于磁铁附近的靶材侵蚀更为严重,所以需要对靶材的表面形状进行调整。例如使靠近磁铁的靶材更厚。

以前还有一种不使用溅射法的称为蒸镀的技术。这是一种将金属原材料置于称为舟皿的耐热容器中,用加热器直接加热或用电子束加热,使其蒸发并在品圆上形成薄膜的方法。但是,碰到高熔点金属就很难蒸镀,并且这种技术的离子源是点源,所以这种技术在处理 3in 或者 4in 晶圆的批量式设备中得到广泛应用。但在目前直径已经增加的情况下由于晶圆内薄膜均匀性的降低,这种技术也不再使用。说回溅射设备,因为它可以支持多层镀膜,所以逐渐集群工具化成为单片式设备。

溅射法的优点和缺点

由于溅射粒子以特定方向飞向晶圆,因此覆盖率(覆盖率是按照基板形状来计算的。LSI的制造工艺中覆盖率越高越好,也称为阶梯或者台阶覆盖率)是溅射法中的一个课题。为了提高覆盖率,人们考虑了各种方法,例如准直器法和长抛法。前者在栅极和晶圆之间放置一个网格(准直器),使得溅射粒子的飞行方向趋于平行,后者则是通过保持靶材和品圆之间的距离达到类似效果。见下图。前一种方法,准直器也会有薄膜附着的问题,维护起来很困难,所以长抛法现已成为主流的溅射法。正是对于溅射法进行了各种改进,Cu/low-k结构的金属防护层和Cu晶种层这样的镀层才能得以实现。

适用于精细化的溅射设备的概念图

另外,前者准直器法的防护层金属使用的是 TiN、TiON 等钛的氮化物和氮氧化物。该防护层金属是在 Ar 气体环境中,导入氮气和氧气,并与从靶材中出来的Ti原子反应形成的。所以该方法也被称为反应性溅射法。这是一种众所周知的溅射方法。据说在Ti原子颗粒的粒界中加入氧原子和氮原子可以提高防护性。也可以说,多亏了反应性溅射法,金属防护层才得以实用化。

八、镶嵌结构和电镀设备

在制造先进逻辑 LSI的过程中,Cu布线使用的是镶嵌结构,成膜使用的是电镀法。

什么是电镀工艺?

在半导体前段制程工艺中,电镀仅用于镀铜。虽然后段制程中也用到电镀,但也仅仅是应用在其他电子设备中的电极上的镀金。所以本节将介绍前段制程中使用到的电镀设备。镀铜用于形成铜插塞和布线,称为镶嵌工艺(通过光刻和蚀刻在层间绝缘膜上形成 Cu 插塞和布线的形状,随后对其进行镀铜,然后通过 CMP去除多余的 Cu,同时形成 Cu的插塞和布线),此工艺无须蚀刻。电镀有两种类型:电解电镀和化学镀。化学镀的成膜速度慢,不适合镶嵌工艺等过孔和布线部分的镀铜。因此,镶嵌结构使用具有成膜速率高的电解电镀。电镀的原理与镀铜一样使用硫酸铜镀液。实际半导体工艺中使用的镀液以硫酸铜为主,并混入了各种添加剂。此外,为了更方便地进行镀铜,会在圆表面预先形成一层Cu薄膜。这层薄膜称为Cu种子层,像这种数十nm厚的薄膜的形成需要用到溅射设备。

电镀设备的构成要素

实际使用的电镀设备构成如下图所示。这是一种喷流式电镀设备,其中晶圆将放置在被称为杯的部件中,表面朝下,电镀液从杯的底部喷出。在实践中,要处理大量的晶圆,需要使用多个杯。电镀速度由电镀液浓度、温度以及电镀电流等要素决定,镀膜厚度由电镀时间控制。

喷流式电镀设备的示例

镀铜后,需要迅速清洗、干燥晶圆,因此设备中也包含了洗涤、干燥设备。半导体工艺中的基本原则是“干进干出”,所以一定会有干燥设备。

此外,还需要电镀液供给和废液回收功能。当然,还需要晶圆装载/卸载功能。因此实际的电镀设备是一个系统,如下图所示:

电镀设备系统的概要

九、low-k(低介电常数)成膜所需的涂布设备

将膜的材料溶于有机溶剂中,再将其涂布成膜的技术也是必要的。这是涂布工艺,主要用于绝缘膜的生产。

为什么需要涂布工艺?

涂布工艺或旋涂工艺用于半导体前段制程。例如,光刻中抗蚀剂的涂布。这在某种意义上也是一种成膜工艺。因此使用涂布工艺形成半导体薄膜的想法也就不足为奇了。另外涂布设备比成膜设备要简单,可以降低工艺成本。相对的涂布工艺形成的薄膜的稳定性略低于通过热氧化或热 CVD形成的薄膜。此外,由于涂布工艺是液相工艺,需要将原材料溶解在溶剂中,这限制了材料种类的使用。目前通过涂布工艺大部分投产的是绝缘膜,其中以氧化为主流。这种绝缘膜被称为 SOD(Spin On Dielectrics: 旋涂电介质)。最近,涂布工艺也已经应用到 low-k 薄膜和具有更低介电常数的 ULK 薄膜。与抗蚀剂类似,为了保证晶圆表面成膜的均匀性,所以使用单片式设备。使用旋涂机(旋转涂装置),将晶圆用真空吸盘向上固定,滴下规定量的原材料,然后高速旋转晶圆,使原材料在ji晶圆上形成均匀的薄膜。见下图。与抗蚀剂一样,它也具有边缘冲洗和背面冲洗的功能。此后在约300℃~400℃进行热处理,以完全去除溶剂并使薄膜稳定。

旋涂设备的概念图

涂布工艺的课题

后面还会介绍扫描涂布设备,但目前的主流仍然是旋涂设备。在SOD的情况下,它作为层间绝缘膜保留在器件中,因此需要严格控制膜厚。控制杯中的温度、气体分压也很重要。

与抗蚀剂一样,存在材料使用效率的问题,因此也推出了一种新型扫描涂布设备,该设备通过具有多个喷嘴的涂布头在晶圆上方扫描,滴下涂布液达到涂布的效果。如下图所示。但是,这种方法无法使用边缘或背面冲洗。

扫描涂布设备的概念图(

涂布设备的构成要素

该设备使用与抗蚀剂涂布设备相同的原理,并且具有相似的构成要素。除了晶圆的装载/卸载部分,旋涂部分和烘烤部分是该设备的主要部分。涂布液储存在罐中并转移到喷嘴部分。与抗蚀剂一样,膜厚通过涂布液的黏度和旋转次数来调整。

与之前设备的主要区别在于成膜的部分并没有像光刻设备一样与其他设备形成内联化系统,并且涂布液的烘烤温度与抗蚀剂不同。烘烤温度约为300~400℃。

十、high-k 栅极堆栈中 ALD 设备的应用

ALD 设备试图控制每个原子层,以形成薄膜。适用于形成 high-k 薄膜。

ALD 工艺和 high-k 栅极堆栈

ALD是 Atomic Layer Deposition 的缩写,正如文字所示,是通过原子层级别的控制进行成膜的。由于需要在成膜和排气之间交替操作来形成薄膜,导致生产量显著降低。所以该工艺只适用于像 high-k 薄膜那样非常薄的膜。首先,说明什么是 bigh-k 薄膜。精细化的进程导致栅极氧化膜的薄膜化达到了极限,从而导致栅极氧化膜的泄漏电流增大。因此,栅极绝缘膜所要求的是,通过加大膜厚度减少电流泄漏,同时还需要能够维持有效栅极电容的 bigh-k薄膜。high-k与low-k相反,意思是高介电常数。一般来说,硅氧化膜的介电常数为4左右而 high-k 膜的介电常数为 10 以上。但是,由于单品硅的界面稳定性比硅氧化膜要好,所以可形成薄的氧化膜的堆叠结构,例如HISiO(N)/SiO2、HfAIO(N)/SiO2等实际应用。这些膜的形成可以考虑减压的热 CVD法等方法进行。现状是通过研究ALD(Atomic Layer Dep-osition)法,可以进一步对单层薄膜形成控制,进而形成薄膜。具体工艺如下图所示。

ALD 成膜工艺的循环模式图

ALD 设备的构成要素

基本构成与通常的气相成膜装置大致相同,但最大的不同点在于气体供给的设计。这是因为如果同一批次供应的原料气体量发生变化,ALD工艺将无法正常工作。在某些情况下,通过热流体的分析可以优化供气喷嘴的结构。由于在量产生产线方面还没有多少成就,这里就简单介绍一下。

需要明确的是,这种方法并不是最近为形成 high-k 薄膜而开发的,而是在 20 世纪 70年代开发的。它是一种沉睡的技术被再次发掘利用。即便如此与传统的成膜方法相比,生产量的降低是不可避免的。可以预计该工艺在半导体以外的各种领域的应用会在不久的将来实现。

另一方面,市场上有一种半批量的 ALD设备,用于半导体的大规模生产。规模为6枚 300mm 晶圆。

此外,MRAM(使用铁磁层的非易失性存储器的一种)和FeRAM(在铁电层中保存电荷的非易失性存储器的一种)等下一代存储器所使用材料的成膜量产设备也已经问世。我们对此类新材料成膜设备的普及寄予厚望。

十一、特殊用途的 Si-Ge 外延生长设备

应变硅作为技术助推器(指的是不需要依靠精细化技术就能制作下一代设备的新材料或者结构。应变硅就是一个很好的例子)会备受关注。而正是外延生长设备,才使其成为可能。

什么是外延生长工艺?

在晶圆上生长出与晶圆结构相同的硅层被称为外延生长

以前它主要用于双极器件。双极晶体管在N层上形成浓度更高的N+层,同样在P层上形成浓度更高的P+层,用于降低集电极电阻等。MOS设备也有为了提高闩锁效应(Latch-up:由于 CMOS结构的寄生双极晶体管而导致的故障。寄生的意思是设计之外的情况)对策需要采用外延生长工艺的时候,但是现在已经没有使用外延生长的工艺了。

外延生长设备的构成要素

正如预期的那样,基本构成与普通气相成膜设备大致相同,但最不同的一点是它有一个加热系统,可以加热到1000℃以上。当晶圆直径较小时,批量式为主要类型。将多个晶圆放置在转盘上的转盘型和晶圆垂直放置的圆筒型是主流的两个类型。转盘式也称为钟罩式。从下图中可以知道命名的由来,因为生长设备的形状类似钟罩。

批量式外延生长设备的概要

在该设备中,晶圆由感应线圈加热。随着晶圆的大尺寸化,200mm和300mm晶圆的出现,单片式设备也呼之欲出。随之而来的是灯式加热。见下图。

灯式加热

应变硅和 Si-Ge的外延成长

最近,Si-Ge的外延生长受到关注。因为它在硅晶圆上生长了一种称为Si-Ge 的不同材料,因而被称为异质外延生长。顺便说一句,上述硅晶圆上的硅外延生长也称为同质外延生长。

这是一种有意对硅晶体施加应力,以引起应变并提高载流子(在硅晶体中运送电荷,是指电子和空穴)迁移率的技术。Si-Ge作为应变诱导层受到关注。这是因为Si-Ge的分子间距比硅宽,这会在硅中产生拉应力和压应力,从而导致硅应变。下图显示了一个示例。这是在P型晶体管的凹陷源极/漏极上生长 Si-Ge层,并在通道(晶体管的源极和漏极之间的区域。这里利用栅极电压形成反转层,导通品体管)中产生压应力,以提高P通道迁移率的示例。相反,N型由于张应力而提高了迁移率。也出现过垂直减压CVD设备应用到 Si-Ge 层异质外延生长设备的尝试。

应变硅晶体管的示例 

另外,也有人认为这不是 Si-Ge层,而是在硅上形成压力大的膜来形成应变层。具体来说,这个想法是在通道上形成应力氮化硅膜(Si3N4)以诱导应变。这种方法开始应用于先进的CMOS。今后的发展趋势值得关注。

参考文献:

1.【美】Peter Van Zant ,韩郑生译,芯片制造-半导体工艺制程实用教程(第六版),电子工业出版社;
2.【日】佐藤淳一,王艺文,王姝娅译,图解入门半导体制造工艺基础精讲(第四版),机械工业出版社;
3.【日】佐藤淳一,卢涛译,图解入门半导体制造设备基础与构造精讲(第三版),机械工业出版社;
4.余盛,芯片战争,华中科技大学出版社

内容来源:编辑整理


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  • 膜生物反应器结构
    与传统的生物反应器相比,MBR能有效地提高水处理效率,优化污染物去除率,并且减少占地面积。本文将深入探讨膜生物反应器的结构、工作原理及其在各个领域的应用。
    2025-10-1496阅读 生物反应器
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    2025-10-19121阅读 生物反应器
  • 半导体减压器应用
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    2025-10-1584阅读 减压器
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