技术前沿：半导体基础工艺——CMOS晶体管

技术前沿：半导体基础工艺——CMOS晶体管

平面型晶体管器件结构的FEOL（前道工序）、MOL（中间工序）和 BEOL（后道工序）工艺（22纳米以上成熟工艺结构）

运算、存储和传感器芯片的最小结构是CMOS平面型晶体管器件。

什么是CMOS

CMOS晶体管是大型芯片集成的一个计算单元，全称：ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，中文：互补金属氧化物半导体。可以在硅质晶圆模板上制出NMOS（n-typeMOSFET）和PMOS（p-typeMOSFET）的基本元件，由于NMOS与PMOS在物理特性上为互补性，因此被称为CMOS。

由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至，比线性的三极管（BJT）效率要高得多，因此功耗很低。

相对于其他逻辑系列，CMOS逻辑电路具有以下优点：

1、允许的电源电压范围宽，方便电源电路的设计

2、逻辑摆幅大，使电路抗干扰能力强

3、静态功耗低

4、隔离栅结构使CMOS器件的输入电阻极大，从而使CMOS期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多。

早期的CMOS元件和主要的竞争对手BJT相比，很容易受到静电放电（ElectroStaticDischarge,ESD）的破坏。而新一代的CMOS芯片多半在输出入接脚（I/Opin）和电源及接地端具备ESD保护电路，以避免内部电路元件的闸极或是元件中的PN接面（PN-Junction）被ESD引起的大量电流烧毁。

CMOS一般的工艺上，可用来制作电脑电器的静态随机存取内存、微控制器、微处理器与其他数字逻辑电路系统、以及除此之外比较特别的技术特性，使它可以用于光学仪器上，例如互补式金氧半图像传感装置在一些高级数码相机中变得很常见。

COMS晶体管制作

一个典型的CMOS晶体管2D截面如下：

前道工序（FEOL）

CMOS 器件通常在 p 型

外延

外延层是通过热处理工艺将二氯氢硅或三氯氢硅在 1200°C 左右与氢气发生反应，并在硅衬底上生长硅单晶层。

衬垫层和氮化硅

CMOS工艺中衬垫层和氮化硅的第一步是在经过氢钝化的外延层上方形成一层二氧化硅衬垫层。这层氧化物用于减小晶圆与后续氮化硅层之间的应力，从而防止晶体位错的产生。衬垫层（PadOxide）应具备较高的电阻率（>10²⁰Ohm-cm）、宽能带隙（约9eV）和较高的击穿场强（>10MV/cm）。

此外，它对氢氟酸（HF）具有高选择性刻蚀的特性，这些都是器件制造中理想的特性。氧化物层的厚度通常为10到50纳米，采用干氧化工艺生成。随后，在衬垫层上沉积一层氮化硅，该层在后续工艺中作为化学机械抛光（CMP）步骤的停止层。氮化硅薄膜通常通过低压化学气相沉积（LPCVD）工艺来沉积。

浅槽隔离

在CMOS器件的浅槽隔离步骤中，通过填充介电绝缘体的浅沟槽来实现NMOS和PMOS有源区域的电气隔离。氮化硅层经过光刻工艺形成特定图案。光刻的第一步是沉积一层光刻胶，这是一种对光敏感的有机材料，在合适波长的光照下，其溶解性会增加（正胶）或降低（负胶）。

光刻胶通过旋涂工艺施加在晶圆上：在5000转/分钟的高转速下，将粘性光刻胶溶液注入晶圆中心，离心力将其均匀地扩散到边缘，从而形成均匀的光刻胶涂层，其厚度根据不同的CMOS工艺有所不同。

光刻胶层形成后，需要进行高温“软烘烤”，去除溶剂并确保光刻胶干燥。然后，通过紫外光（UV）曝光来图案化光刻胶，通常使用称为“步进器”的设备进行步进和重复图案化。曝光后，晶圆再次烘烤，以进一步硬化未曝光区域的光刻胶。接下来进行显影步骤，溶解曝光区域的光刻胶，从而在氮化硅层上形成符合掩模设计的图案。

一旦掩模形成后，就可以创建隔离沟槽。此过程通过在硅衬底中刻蚀出沟槽并填充二氧化硅来实现。晶圆（包括光刻胶和下方的氮化硅层）首先进行等离子刻蚀，以去除未被光刻胶覆盖的区域材料（氮化硅、衬底层和外延层），从而形成沟槽。

由于这些材料不同，我们采用一系列等离子体化学刻蚀来优化各自的刻蚀速率和方向性。氮化硅层使用六氟化硫作为氟源进行氟蚀刻；衬底层则采用四氟化碳作为氟源；外延层的硅材料则通过混合二氟乙烯和六氟化硫的气体进行蚀刻。

灰化清洗

形成沟槽后，使用等离子体“剥离”（灰化）工艺去除光刻胶层，并进行湿法清洗。随后，使用高密度等离子体化学气相沉积（HDP-CVD）将二氧化硅填充到沟槽中，所用材料是有机硅（TEOS）和臭氧的反应产物。在14nm以上的工艺节点中，可采用可流动化学气相沉积（FCVD）工艺替代TEOS氧化物进行沟槽填充。

CMP抛光

浅槽隔离工艺的最后一步是进行化学机械抛光（CMP），以获得适合后续加工的平滑、平坦的表面。在CMP过程中，氮化硅层作为“停止层”发挥作用，防止浅槽内的氧化物被过度去除。

CMP完成后，在140°C条件下使用磷酸去除残留的氮化硅层，并通过氢氟酸去除衬垫层。最后，通过干热氧化工艺在暴露的硅表面上生长一层新的氧化物。

CMOS双阱工艺

在CMOS双阱工艺中，通过浅槽隔离定义开放的晶圆表面区域，并在这些区域上形成具有活性的N阱和P阱区域。

首先在晶圆表面沉积并图案化光刻胶，以掩蔽N阱区域并暴露P阱区域。随后对晶圆进行离子注入，将硼离子引入暴露的P阱区域。通过使用不同的离子能量，形成在不同深度具有不同掺杂浓度的阱。

注入过程在高真空下进行，将硼源电离生成11B离子，硼源可为固体靶材或气态硼化合物，具体取决于设备配置。阱中的掺杂浓度和深度由离子能量和注入时间决定。在完成P阱注入后，以相同方式形成N阱。阱形成的最后一步是快速热退火，以修复注入过程中产生的任何晶格损伤，并在阱区域内建立连续的垂直掺杂浓度分布。

栅极工艺

栅极工艺的第一步是进行湿法清洗，以去除任何残留污染物和薄的热氧化层，暴露出氢钝化的硅表面。接着，在阱区的裸露硅上生长一层薄的栅极氧化物。在先进制程的CMOS器件中，通常采用多层栅极氧化物结构，包括阻挡层和高介电常数（high-k）材料层。

与传统的二氧化硅相比，通过原子层沉积（ALD）工艺沉积的high-k材料在相同的等效氧化层厚度下能够承受更强的电场。这种结构允许栅极拥有更大的物理厚度，从而减少薄二氧化硅栅极中可能出现的量子隧穿和漏电流风险。

栅极工艺的下一步是通过化学气相沉积（CVD）在表面沉积高掺杂多晶硅，形成栅电极。

首先，在栅极氧化物上沉积一层未掺杂的多晶硅，厚度约400至500纳米，通常采用低压化学气相沉积（LPCVD）工艺完成。

在先进制程的器件中，在多晶硅沉积之前，可能会在氧化物表面先沉积一层阻挡层（例如氮化钛TiN），以防止杂质从多晶硅扩散至栅极氧化物中。

接下来，通过热氧化处理对多晶硅进行氧化，在栅极结构的多晶硅核心周围生成一层保护性氧化物。随后，在栅极结构上通过LPCVD沉积一层氮化硅。接着，对氮化硅层进行等离子蚀刻，在多晶硅栅极的两侧形成氮化硅侧壁。

金属接触的第一步是使用缓冲氧化物刻蚀液（BOE）对晶圆进行短时间（约1分钟）的氧化物刻蚀，以去除多晶硅栅极顶部以及源极和漏极区域表面的热氧化物。接着，通过物理气相沉积（PVD）溅射技术，在栅极、源极和漏极区域沉积一层钛或镍金属。

接下来，进行快速热处理（RTA），将金属与硅接触的区域转化为硅化钛或硅化镍，从而形成栅极、源极和漏极的顶层。随后，使用硫酸刻蚀硅化物层，去除任何残留的金属元素。钛或镍的硅化物有助于改善金属化与栅极、源极和漏极之间的欧姆接触，确保更低的接触电阻。到这里前道工序（FEOL）阶段基本完成。

中间工序（MOL）

中间工序（MOL）是将介电隔离的金属与栅极、源极和漏极进行接触的工艺。

沉积

该过程的第一步是通过化学气相沉积（CVD）TEOS-氧化物或FCVD-氧化物工艺沉积金属前介质层（PMD）。TEOS-氧化物和FCVD-氧化物因其优异的台阶覆盖特性，被用来确保栅极结构得到良好的保形覆盖。

CMP抛光

接下来，使用化学机械抛光（CMP）对TEOS-氧化物或FCVD-氧化物介电层进行平整，然后进行光刻图案化和反应离子刻蚀（RIE），以在栅极和源极/漏极之间打开接触孔，随后进行清洗以去除光刻胶残留物。RIE刻蚀去除了PMD层和氮化硅阻挡层，暴露了源极和漏极的硅化物触点。

原子层沉积（ALD）

接着，使用原子层沉积（ALD）在孔内和裸露的硅表面沉积钛/氮化钛（Ti/TiN）衬垫层和钨种籽层，以实现成核。Ti/TiN衬垫层能够在金属沉积过程中保护硅不被氟侵蚀。最后，采用CVD工艺将导电金属钨填充到接触孔中。完成金属填充后，通过CMP调平并去除多余的金属，完成最终的MOL步骤。

基于TEOS的CVD工艺用于沉积第二层电介质，通常称为金属间介质层（IMD）。该介电层通过传统的光刻工艺进行图案化，以在第一层金属上开设接触孔，确保与源极/漏极区域的连接。在二级金属工艺中，采用溅射沉积工艺和光刻技术将铝铜合金沉积并进行图案化。到这一阶段，CMOS晶体管结构已完成。接下来的后道工序（BEOL）将进行互连，将晶体管与其他器件连接起来，完成整体电路的布线。

后道工序（BEOL）

前道和中道工序中，创建的特征尺寸已经达到10nm级别。在后道工序的最高层，后端互连的尺寸范围从10nm到微米不等。这些互连允许器件连接到电源，并执行设计的逻辑计算或内存功能。

基于TEOS的等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺用于沉积第二层介电氧化物，也称为金属间介质层（IMD）或低k介电层。该介电层通过光刻进行图案化，创建沟槽，这些沟槽将在后续步骤中填充铜，以与源极/漏极区域和栅极接触的钨塞进行连接。

阻挡层衬垫层

为了确保电子传输的完整性并防止铜的迁移，在沉积铜之前，会在沟槽内沉积氮化钽（TaN）阻挡层和钽、钴或钌的衬垫层。

铜布线

通过物理气相沉积（PVD）沉积的铜种籽层有助于增强附着力，促进后续的铜电镀或电化学沉积（ECD）。

在通过ECD沉积铜之后，使用化学机械抛光（CMP）去除铜，直到阻挡层/衬垫层表面。接下来，进行一个单独的CMP步骤，去除阻挡和衬垫层材料，暴露低k介电层和电化学沉积的铜。

制造过程的下一阶段将继续进行额外的金属化和介电结构的生成，这涉及PECVD、光刻、刻蚀、CMP和湿法清洗等多个步骤。衬垫层、阻挡层和籽晶层将通过PVD、CVD和ALD技术建立，而电化学沉积（ECD）则用于铜沟槽的填充。整个过程在芯片的逻辑设计中，与相邻单元之间创建一个复杂的互连网络。

根据芯片设计，这些序列可能会重复11~14 次，以达到毫米大小的触点的最终目标，准备好与外界连接。

金属互连电路

集成电路（IC）由数亿甚至数十亿个晶体管组成，这些晶体管在硅晶圆上并行工作。然而，这些晶体管只有在相互导通的情况下，才能实现预定的功能。金属互连电路就像是电子信号的“血管”，它们确保信号能够在不同组件之间顺利传输。

后道工序中金属互连中的介质层（Dielectriclayer）起到了至关重要的作用，它的主要功能是防止不同金属层之间的电子迁移。介质层通过将各个金属层相互隔离，避免了物质之间的扩散、渗透等不良现象，从而保证了电路的稳定性和性能。这种隔离作用确保了金属互连层的完整性，防止了不必要的电流泄漏或信号干扰。

金属前介质层（PMD，Pre-MetalDielectric）剖面图中的黄色区域表示PMD层，它位于衬底和第一金属层（Metal1）之间。PMD层的主要作用是作为一种保护层，隔离衬底与金属层，防止有源区受到杂质粒子的污染。PMD层作为绝缘介质层，能够有效防止不同金属层之间的电流泄漏或信号干扰，确保电路的稳定性和性能。

PMD层的沉积质量直接影响到器件的性能。如果PMD层的质量不好，可能会导致不完全的隔离或电介质损坏，从而影响后续金属层的形成，进而影响整个集成电路的功能和可靠性。因此，PMD层的沉积过程需要精确控制，以确保其具有适当的电绝缘性和机械强度。

随着半导体器件尺寸的逐渐减小，沉积金属前介质层（PMD）时所需填充的线缝宽度也变得越来越小，深宽比逐步增大。这种变化使得填孔能力成为沉积工艺优化的关键目标。为了确保在这些小尺寸和复杂结构中能够有效地填充金属前介质层，工艺通常会选择如TEOS（正硅酸乙酯）、PSG（磷硅玻璃）或BPSG（硼磷硅玻璃）等材料进行填充。

沉积工艺

为了应对这些挑战，高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD）和次大气压化学气相沉积（SACVD）成为常用的沉积方法。这些工艺能够在较小的线缝宽度和较大的深宽比情况下，提供较好的填充效果和均匀性，确保金属前介质层的质量和完整性。通过优化这些沉积工艺，可以有效提高填孔能力，满足现代集成电路对尺寸精度和性能的高要求。

金属间介质层（IMD）

金属间介质层（IMD，InterMetal Dielectric）在剖面图中通常显示为灰色区域，位于两层金属之间。IMD层属于层间介质层（ILD，InterLayerDielectric）的一部分，层间介质层的功能是隔离不同金属层，防止它们之间的电气干扰和信号串扰。尽管金属前介质层（PMD）和金属间介质层都属于ILD，但它们的位置不同：金属前介质层位于衬底和第一层金属之间，而金属间介质层则位于两层金属之间。

金属间介质层的作用是确保每个金属互连结构的独立性，防止串扰（Cross-Talk），从而保持电路的信号完整性。为了填充金属间介质层，通常会选择使用二氧化硅或其他低k（低介电常数）材料，如氟硅玻璃（FSG）、有机硅玻璃（OSG）等。具体来说，硅基前驱体如OMCTS（八甲基环四硅氧烷）可以被送入等离子体增强化学气相沉积（PECVD）反应腔，与氧气反应，形成SiCO(H)低k材料薄膜。这些低k材料有助于减少电信号在金属层之间的传播延迟和串扰，提高器件的性能。

电阻电容设计

电路导线的电阻通常用RRR 表示，而寄生电容则用CCC 表示。在集成电路中，电阻和电容的变化会直接影响信号的传输速度和质量。

电阻RRR 与导线的横截面积成反比，具体来说，电阻与导线的横截面积A之间的关系为

。随着半导体工艺的微缩，导线的宽度变小，导致横截面积减少，因此电阻会增大。

电容C 与电容极板之间的距离成反比，电容的大小可以表示为

，其中d 是电容极板之间的距离。在微缩工艺中，布线之间的间距减少，导致电容增大。

随着集成电路工艺的不断微缩，布线之间的距离减小，电阻和电容都会增加，导致RC 延迟的增加。RC延迟是指电路中电阻与电容形成的时间延迟，常常会引起信号的失真和传播延迟。这种现象会影响芯片的工作速度，特别是在高速运算和高频通信时，可能会导致信号不稳定，甚至失真。因此，在现代半导体工艺中，如何有效控制和优化电阻与电容的影响，成为提高芯片性能的一个重要挑战。

为了降低RC 延迟，特别是电路中导线的电阻R 和寄生电容C，我们可以从以下几个方面进行优化：

降低电阻RRR

电阻RRR 可以通过以下公式表示：

其中，ρ是材料的电阻率，L是导线的长度，S是导线的横截面积。为了降低R，我们需要考虑以下因素：

减少导线长度L：通过优化电路布局，减少导线长度可以直接降低电阻。但在实际情况中，导线长度通常受到电路布局的限制。

增大横截面积S：增大导线的横截面积可以降低电阻。然而，由于微缩制程的需求，增大导线宽度和厚度会占用更多空间，从而不利于进一步缩小芯片尺寸。因此，这种方法在制程微缩时并不总是可行。

降低电阻率ρ：选择电阻率更低的材料是目前降低电阻的主要途径。在过去，铝被广泛用于金属互联，但铝的电阻率相对较高，因此现代工艺采用铜 替代铝。铜具有更低的电阻率，能够显著减少导线的电阻，尤其在高速电路中尤为重要。

铜替代铝：铜的电阻率大约为1.7×10 Ω⋅m，而铝的电阻率约为2.7×10 Ω⋅m，因此铜的使用显著降低了电阻。

然而，铜的替代仍然面临技术挑战，例如铜的自扩散（diffusion），可能会与硅或其他材料发生反应，导致性能下降。因此，尽管铜能降低电阻，现阶段在很多高端工艺中，铜仍然是主要的金属互连材料，短期内替代铜的其他材料较为困难。

寄生电容C

寄生电容C 的大小与电容极板之间的距离和介电常数有关。为了减少电容，我们可以采取以下措施：

减少金属层之间的距离：通过缩小金属层之间的间距，虽然能够提升集成度，但这会导致电容的增大。因此，优化布线和布局设计，使不同金属层的间距最小化，但不至于导致过大的电容，是一种折中的策略。

使用低介电常数材料（低k 材料）：低k 材料可以减少金属层之间的电容。传统的介电材料为二氧化硅（SiO），其介电常数较高，而低k材料（如氟硅玻璃、陶瓷材料等）具有较低的介电常数，可以有效降低电容，减少寄生效应。

优化布线层结构：采用多层金属化技术，在不同金属层之间选择合适的隔离材料，避免不同层之间的电容耦合。

综上所述，降低R 与C是提升集成电路性能的关键。虽然铜已经成为金属互联的主流材料，但由于技术瓶颈，短期内尚难完全找到替代材料来进一步降低电阻。在降低电容方面，使用低kkk 材料和优化金属层布局则是当前主流的优化手段。

C=kA/d描述了电容的形成，其中：

C 是电容；

k 是介电常数；

A 是电容极板的横截面积；

d是电容极板之间的距离（即介质层厚度）。

降低电容C

要降低电容，主要考虑以下两方面：

减少电容的横截面积A：缩小布线的横截面积有助于减少电容，但这会增加电阻RRR，因为电阻与导线的横截面积呈反比。因此，这种方法需要权衡电阻和电容之间的关系。

增加电容极板之间的距离d：通过增加介质层的厚度来减少电容，但这种方法在现代微电子工艺中受到限制。因为随着制程的微缩，金属层之间的距离已经非常小，增加介质层的厚度不仅会影响性能，还可能会使得填充间隙变得更加困难，影响生产工艺。

降低介电常数k：采用低k 材料来替代传统的二氧化硅（SiO），是目前最有效的降低电容的方法。低k材料具有较低的介电常数，可以有效降低金属层之间的电容，进而减小RC延迟，提高电路的工作速度。

低k 材料的挑战

尽管低k材料能够有效地降低电容，但在实际应用中，它们面临着一系列的工艺壁垒：

薄膜厚度控制：低k材料的薄膜需要非常薄，以避免增大金属层之间的间距，但同时又必须保证材料的机械强度和高均匀性，避免因薄膜过薄导致的脆弱性或其他性能问题。

机械强度与电气性能的平衡：低k材料通常是有机材料或多孔材料，它们的机械强度相对较低，可能导致在加工过程中出现断裂或裂纹。因此，如何提高低kkk 材料的机械强度，使其能够在高压力和高温条件下稳定工作，是一个关键挑战。

薄膜的均匀性：低kkk材料的沉积过程中，如何确保薄膜的均匀性是另一个难点。材料的非均匀性会影响电路的整体性能，导致信号传输的延迟和不稳定。

与其他材料的兼容性：低kkk材料需要与铜等金属互连材料兼容，同时还要考虑到它们与前后道工艺（如蚀刻、光刻等）之间的协同作用。这要求低k材料在化学、物理和工艺上都要达到一定的标准，以确保它们能在复杂的半导体制造过程中顺利应用。

低k 材料的应用

常见的低k 材料包括：

氟硅玻璃（FSG）：具有较低的介电常数，已被广泛应用于中高端工艺中。

有机硅材料（OSG）：也是一种低k材料，常用于较高性能的芯片制造中。

多孔材料：通过在材料中引入孔隙来进一步降低介电常数。这些材料可以提供更好的电气性能，但它们的机械强度和化学稳定性较差。

总之，采用低k材料是降低电容、提高芯片性能的重要手段，但它面临的工艺挑战需要通过不断优化工艺技术和材料研究来解决。

在现代半导体制造中，金属互连和介质层的选择对器件性能有着至关重要的影响。为了减小RC延迟，优化金属互连的性能，特别是降低电容和电阻的影响，采用低k材料是一个常见且有效的手段。刻蚀停止层（EtchStop Layer,ESL）和化学机械抛光（CMP）技术在金属互连中扮演着重要角色，特别是在双大马士革（Damascene）结构的制造过程中。

双大马士革图形化工艺

双大马士革工艺是一种在半导体制造中常用的金属互连结构形成方法，通常包括两个步骤：

1.沟槽和通孔刻蚀：首先，在介质层上刻蚀出沟槽和通孔。这些沟槽和通孔用于填充金属，形成金属互连。

2.金属填充与抛光：随后，通过化学机械抛光（CMP）技术去除多余的金属，使金属仅保留在沟槽和通孔内。CMP不仅确保了表面平整，还避免了金属的过度填充，保证了互连的可靠性。

刻蚀停止层（ESL）

刻蚀停止层（ESL）是指在制程中用于保护底层材料（例如金属互连）不受过度刻蚀的层。其作用非常重要：

1.刻蚀停止作用：ESL可防止在刻蚀过程中对底层材料的过度侵蚀，确保只对上层介质材料进行刻蚀。在大马士革工艺中，ESL层通常用于标记和停止刻蚀过程，确保金属互连不被不必要地蚀刻。

2.低k值：为了进一步减少RC延迟和信号损失，ESL层通常采用低介电常数（低k材料。这可以有效降低电容，提高互连的传输速度。较低的介电常数意味着在电场作用下，电荷的积累和传输速率较低，从而减小信号的失真和延迟。

3.阻挡层作用：ESL层还常常作为阻挡层（BarrierLayer），防止金属扩散到下方的金属层中。这种阻挡作用是非常重要的，特别是在铜互连中，铜容易扩散到其他层，从而影响电气性能和可靠性。ESL通过限制铜的扩散，确保金属互连的稳定性。

低k材料在刻蚀停止层中的应用

为进一步降低RC延迟，刻蚀停止层的选择至关重要。通常，刻蚀停止层的材料需要满足以下要求：

1.低k值：采用低介电常数材料可以减少金属互连的电容，提高信号传输速度。常见的低k材料包括氟硅玻璃（FSG）、有机硅玻璃（OSG）、以及多孔硅基材料。

2.良好的刻蚀特性：ESL层需要在刻蚀过程中展现出良好的可控制性，即能够精确地停止刻蚀过程，避免对金属层和其他敏感材料的损害。

3.机械强度与稳定性：ESL材料不仅要具备良好的电气性能，还需要保证其在高温、高压和其他工艺条件下具有良好的机械强度和化学稳定性，防止在后续工艺中出现破裂或退化现象。

在金属互连的制造中，低k材料的应用在降低RC延迟、提高信号传输速度方面发挥了关键作用。刻蚀停止层（ESL）的选择不仅关系到RC延迟，还涉及到金属扩散的控制和互连层的保护。通过采用低 k材料，结合化学机械抛光（CMP）技术，可以有效地改善金属互连的电气性能，推动半导体制程微缩并提升芯片性能。

刻蚀停止层（EtchStop Layer,ESL）在半导体制造中的作用非常关键，尤其是在金属互连的工艺中。随着制程的不断微缩，对刻蚀停止层材料的要求也变得更加严格。传统的刻蚀停止层材料通常采用氮化硅（Si₃N₄），但随着对性能要求的提升，新的材料，如硅碳氮（SiCN），逐渐被引入作为替代材料。

Si₃N₄作为传统刻蚀停止层

Si₃N₄长期以来被广泛应用于半导体制造中作为刻蚀停止层。其主要特点包括：

较高的介电常数（k值为7~8）：相对较高的介电常数使得Si₃N₄在电容控制方面具有一定的限制，尤其在要求低RC延迟的高性能芯片中，这可能成为瓶颈。

良好的化学稳定性：Si₃N₄在化学机械抛光（CMP）过程中，具有较强的稳定性，不容易受损，因此在金属互连中作为阻挡层或停止层被广泛使用。

较强的机械强度：Si₃N₄具备较高的硬度和抗压强度，有助于在芯片制造过程中保护底层材料免受损伤。

然而，由于Si₃N₄的高介电常数，它可能在微缩后的电气性能上受到一定限制，因此在现代工艺中逐渐有了替代材料。

SiCN作为新型刻蚀停止层

硅碳氮（SiCN）材料作为一种新型的刻蚀停止层材料，结合了硅（Si）和碳（C）以及氮（N）三种元素的优势。与传统的Si₃N₄相比，SiCN在多个方面有显著的优势，尤其在高性能微电子器件的制造中，SiCN展现了更大的潜力：

1.低介电常数（k值约为4~5）：相比于Si₃N₄，SiCN的较低介电常数使其在电容控制和RC延迟方面具有更好的表现，特别是在高频和高速电路中，能够显著降低电容效应，减小RC延迟，提高信号传输速度。

2.优越的热性能：SiCN具有比Si₃N₄更高的热导率和热稳定性，使其能够在高温环境下保持更好的性能，适应高温工艺，减少热损伤的风险。

3.抗压与抗辐射性：SiCN具备优异的抗压强度和抗辐射性，能够在制造过程中提供更多的保护，尤其在现代半导体制造过程中，这些特性对于提高材料的可靠性和稳定性非常重要。

4.良好的附着性：SiCN具有优异的表面致密性，能够与硅（Si）和二氧化硅（SiO₂）形成强有效的附着力，有助于在后续工艺中减少剥离或脱落的风险，保证结构的完整性。

SiCN的沉积工艺

SiCN薄膜的制备通常采用**等离子体增强化学气相沉积（PECVD）**工艺。通过将四甲基硅烷（4MS）作为硅源，氨气（NH₃）作为氮源，并在适当的工艺条件下进行沉积，可以得到具有良好薄膜质量和性能的SiCN层。

硅源：四甲基硅烷（4MS）：4MS是一种常用的硅源，其挥发性和反应性使得其在PECVD过程中能够高效地提供硅。

氮源：氨气（NH₃）：氨气不仅提供氮元素，还能够在反应中形成氮化硅（Si₃N₄）的化学环境，从而促进SiCN的形成。

SiCN的沉积过程需要精确控制温度、气体流量和其他工艺参数，以确保薄膜的均匀性、致密性和所需的性能特性。

SiCN作为一种新型的刻蚀停止层材料，凭借其较低的介电常数、更好的热稳定性、抗压性和抗辐射能力，在现代半导体工艺中展现出巨大的潜力。相比传统的Si₃N₄，SiCN可以提供更优的电气性能和可靠性，特别适用于高性能、高密度的集成电路制造。随着半导体工艺的不断进步，SiCN有望在未来的芯片制造中发挥越来越重要的作用。