文档介绍：第6章淀积
微芯片加工是一个平面加工的过程,这一过程包含在硅片表面生长不同膜层的步骤。通过淀积工艺可以完成在硅片表面生长薄膜。导电薄膜层和绝缘薄膜层对于能否在硅衬底上成功制作出半导体器件而言是至关重要的。成模技术被用来加工电路,主要用隔离绝缘介质层之间所夹金属导电层连接不同的IC器件。
在制造工艺中,多种不同类型的膜淀积到硅片上。在某些情况下,这些膜成为器件结构中的一个完整部分;另外一些膜则充当了工艺过程中的牺牲层,并且在后续工艺中被去掉。在微芯片加工中,膜淀积通常指薄膜,因为这些膜很薄以致它们的电学和机械特性完全不同于同种材料下更厚的膜。
本章将讨论薄膜淀积的过程和所需的设备,重点讨论SiO2和Si3N4等绝缘薄膜以及多晶硅的淀积。
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引言
从中规模集成电路和大规模集成电路时代起,早期半导体硅片的设计和加工相对较为直接。这一过程包括在硅片上加工半导体器件以及互连器件到被SiO2介质层所夹的金属导电层。这一技术是在小规模集成电路时代制作平面晶体管技术的扩展。
随着硅片加工向更高的芯片密度,,加工过程中所用的材料和工艺有了很大变化。为了获得良好的电学性能,器件的各种参数都要有一个同时的等比例缩小。在当今的高级微芯片加工中,需要用到六层甚至更多层金属来做连接。需要新的金属材料来获得所需的电学性能。高级绝缘材料淀积到金属薄膜层之间以提供充分的隔离保护。与此同时,每块芯片具有数以百亿计的在金属层硅器件之间的电连接。在硅片加工中,淀积可靠的薄膜材料至关重要,薄膜制备是硅片加工中的一个主要工艺步骤。
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成模技术相关术语
多层金属化指用来连接硅片上高密度堆积器件的那些金属层和绝缘介质层。下图给出了这种流程的例子。如果没有绝缘隔离层,就会发生电短路(就好像电导线没有外面的绝缘包层)。金属层通过在绝缘介质层上开的孔(称为通孔)来连接。
对生产而言,增加金属层的代价很高。据估计,在CMOS工艺中增加一层金属会增加大约15%的硅片制造成本。由于在硅片制造中引入金属层使得工艺更为复杂,因此减少缺陷以保证芯片成品率不受影响变得很重要。芯片设计者会在成本、复杂度、性能之间折中考虑,来决定采用金属层。
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成模技术相关术语
ULSI硅片的多层金属化
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成模技术相关术语
金属层
铝金属化使用铝合金作为互连线。从半导体生产开始,铝合金已经被使用。金属铝淀积到整个硅片的表面,形成固态薄膜,然后进行刻蚀来定义互连线的宽度和间距。工业界正在向铜金属化过渡,以增加芯片速度并减少工艺步骤。每层金属层被定义为Metal-1、Metal-2,以此类推。关键层是指那些线条宽度被刻蚀为器件特征尺寸的金属层(例如,)。对于甚大规模集成电路而言,特征尺寸的范围一般为:形成栅的多晶硅、氧结构以及距离硅片表面最近的金属层。关键层对于颗粒杂质(致命缺陷)很敏感,在小尺寸情况下,可靠性的问题(如电迁徙)会更加显著。非关键层通常指处于上部的金属层,有更大的线宽(),对于颗粒沾污(致命缺陷)不够敏感。然而,处于上部的非关键层的长导线长度等因素会影响芯片的速度和功耗。
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成模技术相关术语
介质层
介于硅上有源器件和第一层金属之间的电绝缘层称为第一层层间介质(first interlayer dielectric,ILD-1)。这一层也被称为金属前绝缘层(PMD)。典型的LID-1是一层掺杂的SiO2或者玻璃。ILD-1层的重要作用可以从两个方面理解:电学上,ILD-1层隔离晶体管器件和互连金属层;物理上,ILD-1层隔离晶体管器件和可移动粒子等杂质源。为了避免晶体管特性的蜕化,在高性能逻辑器件中ILD-1层需要有严格的热预算。
层间介质(ILD)应用于器件中不同的金属层之间。ILD充当两层导电金属或者相邻金属线条之间的隔离膜。通常,。对淀积的隔离膜来说,介电常数是一个重要的指标,因为它直接影响到电路的速度和性能。
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成模技术相关术语
在芯片中的金属层
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薄膜特性
在硅片加工中可以接受的膜必须具备需要的膜特性。为了满足器件性能的要求,可以接受的膜一般应具有如下特性:
好的台阶覆盖能力
填充高的深宽比间隙的能力
好的厚度均匀性
高纯度和高密度
受控制的化学剂量
高度的结构完整性和低的膜应力
好的电学特性
对衬底材料或下层膜好的粘附性
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薄膜特性
膜对台阶的覆盖
我们期望薄膜在硅片表面上厚度一致。图形制作可以在硅片表面生成具有三个空间维度的拓扑形状,这就形成了硅片表面的台阶。如果淀积的膜在台阶上过度地变薄,