詳解半導(dǎo)體前端工藝之沉積工藝

壓力與溫度

和在刻蝕工藝中一樣，半導(dǎo)體制造商在沉積過程中也會通過控制溫度、壓力等不同條件來把控膜層沉積的質(zhì)量。例如，降低壓強，沉積速率就會放慢，但可以提高垂直方向的沉積質(zhì)量。因為，壓強低表明設(shè)備內(nèi)反應(yīng)氣體粒子的數(shù)量少，粒子之間發(fā)生沖撞的概率就少，不會妨礙粒子的直線運動。施加高溫則可以提高膜層的純度。當(dāng)然，這樣一來就無法使用鋁（其熔點為550度）等熔點低的金屬材料。

▲ 圖7：壓強對沉積工藝的影響

因此，在不同需求下，沉積相同材料也可采用完全不同的沉積方式。例如，同樣是沉積二氧化硅（SiO2），柵極絕緣層與STI所需特性就不同，其沉積的方式也不同。柵極絕緣層是核心元件區(qū)域，要求較高的沉積質(zhì)量，應(yīng)采用高溫低壓的方式；STI則不然，它只要起到兩個元件間的絕緣作用即可，通過低溫高壓的方式加快沉積速率才是關(guān)鍵。

材料選擇上的難題

您或許常會在新聞中看到這樣的報道：“發(fā)現(xiàn)了性能高出XX倍的新材料”。只看新聞內(nèi)容，會感覺一場翻天覆地的半導(dǎo)體革命似乎即將來臨。但在所謂的“新材料”中，真的能派上用場的卻寥寥無幾。因為，材料本身的特性好，并不代表它一定能制成高性能的半導(dǎo)體。對沉積材料的要求可不比沉積設(shè)備低。下面，我們來看一看材料的特性會對半導(dǎo)體制程產(chǎn)生什么樣的影響。

▲ 圖8：加熱導(dǎo)致圖形損壞

物體遇熱體積會變大，這種現(xiàn)象被稱作熱膨脹。鐵軌之間留有縫隙就是為了防止鐵軌在炎熱的夏天因膨脹變形。半導(dǎo)體制程中也會出現(xiàn)這種熱膨脹現(xiàn)象。問題在于，每一種材料的熱膨脹程度不同，例如鋁的熱膨脹系數(shù)是氧化硅的40倍之多。舉個比較極端的例子：如果在氧化硅上沉積了鋁薄膜，即便鋁薄膜沉積很成功，一旦進入后續(xù)的高溫工藝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會完全被破損。換句話說，如果采用膨脹系數(shù)完全不同的材料替代之前的沉積材料，會嚴(yán)重影響高溫條件下的產(chǎn)品良率。

▲ 圖9：電遷移現(xiàn)象

除此之外，還要考慮材料的電遷移（EM，Electromigration）現(xiàn)象。電遷移是指在金屬布線上施加電流時，移動的電荷撞擊金屬原子，使其發(fā)生遷移的現(xiàn)象。鋁等輕金屬很容易發(fā)生這種電遷移現(xiàn)象。為防止鋁的電遷移現(xiàn)象，半導(dǎo)體制造商們開始用銅布線替代鋁，結(jié)果是又多了一道防止銅擴散的阻擋層沉積工藝。隨著半導(dǎo)體不斷微細(xì)化發(fā)展，銅布線也開始出現(xiàn)電遷移現(xiàn)象。為攻克這一難關(guān)，英特爾又用鈷布線取代了銅。而既然核心金屬布線層的材料發(fā)生了變化，上下層的工藝也肯定要跟著變?？梢姡虢鉀Q材料的電遷移現(xiàn)象，前后方的工藝也要隨之發(fā)生很大變化。

要始終銘記：半導(dǎo)體制程是數(shù)百個工藝錯綜復(fù)雜緊密連接而成的，牽一發(fā)而動全身。新材料是好是壞，不能單看材料本身的特性，還要看能不能與前后方工藝相連，畢竟沉積材料不能獨立存在。

結(jié)論：一種材料，多種方法

讀到這兒，估計讀者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾點有趣之處了：首先，同樣的材料可以通過不同的方法制成。例如，二氧化硅（SiO2）可以通過氧化工藝，也可以通過沉積工藝形成。即便是相同的材料，如果通過不同工藝涂敷到半導(dǎo)體上，其物理特性也會截然不同。

其次，氧化、刻蝕、沉積等看似完全不同的工藝其實有很多共同之處。比如，物理刻蝕中采用的濺射方法，在沉積工藝中同樣也會使用，區(qū)別在于“是濺射要刻蝕的晶圓本身”，還是“把濺射出來的粒子沉積到晶圓上”?；瘜W(xué)刻蝕中最重要的一點就是刻蝕氣體與反應(yīng)源生成的廢氣是否易于排放，化學(xué)氣相沉積也同樣如此。CVD過程中生成的副產(chǎn)物也要易于揮發(fā)、易于排放，這樣后續(xù)工藝才會變得更容易。

可見，受半導(dǎo)體制造商青睞的新材料，并不是其本身特性有多優(yōu)秀的材料，而是其沉積速率、純度等特性易于控制的材料。而且，沉積材料還要易于通過刻蝕或CMP7等工藝去除。如果采用需要過高溫度的材料，可能會因高溫改變已沉積的其他材料。而若采用對溫度非常敏感的材料，又會出現(xiàn)在下一道工藝中無法加熱的問題。

化學(xué)機械拋光（CMP，Chemical Mechanical Polishing）：通過物理、化學(xué)反應(yīng)研磨, 去除非所需物質(zhì)，使半導(dǎo)體晶圓表面變得平坦。

如上文所述，“半導(dǎo)體制程由數(shù)百個制造工藝緊密連接而成”。想做好每一道工藝，對其他相關(guān)部門的業(yè)務(wù)也要有很好的把握。要擅于與同事溝通，更要懂得準(zhǔn)確無誤地傳達(dá)自己的想法。一個半導(dǎo)體產(chǎn)品需要多人合作才可以完成，雖然過程有些辛苦，但也很值得。（回顧上一期）

審核編輯：湯梓紅