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薄膜沉积(Thin Film Deposition)——物理气相沉积(物理蒸镀)(PVD)
作者:管理员    发布于:2015-08-03 17:52:27    文字:【】【】【

  PVD顾名思义是以物理机制来进行薄膜湚积而不涉及化学反应的制程技术,所谓物理机制是物质的相变化现象,如蒸镀(Evaporation),蒸镀源由固态转化为气态溅镀(Sputtering),蒸镀源则由气态转化为电浆态。

  PVD法系以真空、测射、离子化、或离子束等法使纯金属挥发,与碳化氢、氮气等气体作用,在加热至400~600℃(1~3小时)的工件表面上,蒸镀碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等1~10μm厚之微细粒状晶薄膜,因其蒸镀温度较低,结合性稍差(无扩散结合作用),且背对金属蒸发源之工件阴部会产生蒸镀不良现象。其优点为蒸镀温度较低,适用于经淬火-高温回火之工、模具。若以回火温度以下之低温蒸镀,其变形量极微,可维持高精密度,蒸镀后不须再加工。表(一)为各种PVD法的比较。

表一 三种PVD法之比较

薄膜沉积(Thin <wbr />Film <wbr>Deposition)——物理气相沉积(物理蒸镀)(PVD)

  物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)是今日在半导体制程中,被广泛运用于金属镀膜的技术。以现今之金属化制程而言:举凡Ti、TiW等所谓的反扩散层(Barrier Layer),或是粘合层(Glue Layer);Al之栓塞(plug)及导线(Interconnects)连接,以及高温金属如Wsi、W、Co等,都使用物理气相沉积法来完成。虽然小尺寸的金属沉积以化学气相沉积为佳,但物理气相沉积法可说在半导体制程上,仍扮演着举足轻重的角色。


  一般来说,物理气相沉积法可包含下列三种不同之技术:

 (一)蒸镀(Evaporation)
 (二)分子束磊晶成长(Molecular Beam Epitaxy,MBE)
 (三)溅镀(Sputter)

 表(二)为此三种方法之比较。由于溅镀可以同时达成极佳的沉积效率、大尺寸的沉积厚度控制、精确的成份控制及较底的制造成本。所以溅镀是现今为硅基半导体工业所唯一采用的方式,而且相信在可预见的将来,溅镀也不易被取代。至于蒸镀及分子束磊晶成长之应用,现在大约皆集中于实验室级设备,或是化合物半导体工业中。

表二 三种物理气相沉积法之比较
薄膜沉积(Thin <wbr />Film <wbr>Deposition)——物理气相沉积(物理蒸镀)(PVD)

  由于溅镀本身受到溅射原子多元散射方向的影响,不易得到在接触洞连续且均匀覆盖(Conformal)的金属膜,进而影响镇洞(Hole Filling)或栓塞(Plug-In)的能力;因此,现在溅镀技术的重点,莫不着重于改进填洞时之阶梯覆盖率(Step Coverage),以增加Ti/TiN反扩散层/粘合层/湿润层(wetting Layer)等之厚度,或是发展铝栓塞(Al-plug)及平坦化制程(Planarization),以改善组件之电磁特性,并简化制造流程,降低成本等。

 3-1蒸镀(Evaporation)原理

蒸镀是在高真空状况下,将所要蒸镀的材料利用电阻或电子束加热达到熔化温度,使原子蒸发,到达并附着在基板表面上的一种镀膜技术。

  在蒸镀过程中,基板温度对蒸镀薄膜的性质会有很重要的影响。通常基板也须要适当加热,使得蒸镀原子具有足够的能量,可以在基板表面自由移动,如此才能形成均匀的薄膜。基板加热至150℃以上时,可以使沉积膜与基板间形成良好的键结而不致剥落。

 3-2溅镀的原理

  电浆(Plasma)是一种遭受部份离子化的气体(Partially lonized Gases)。借着在两个相对应的金属电极板(Electrodes)上施以电压,假如电极板间的气体分子浓度在某一特定的区间,电极板表面因离子轰击(Ion Bombardment)所产生的二次电子(Secondary Electrons),在电极板所提供的电场下,将获得足够的能量,而与电极板间的气体分子因撞击而进行所谓的”解离(Dissociation)”,”离子化(Ionization)”,及”激发(Excitation)”等反应,而产生离子、原子、原子团(Radicals),及更多的电子,以维持电浆内各粒子间的浓度平衡。(详见表三)

表三 二次电子与气体分子之撞击状况
薄膜沉积(Thin <wbr />Film <wbr>Deposition)——物理气相沉积(物理蒸镀)(PVD)

 图(一)显示一个DC电浆的阴极电板遭受离子轰击的情形。脱离电将的带正电荷离子,在暗区的电场加速下,将获得极高的能量。当离子与阴电极产生轰击之后,基于动量转换(Momentum Transfer)的原理,离子轰击除了会产生二次电子以外,还会把电极板表面的原子给”打击”出来,这个动作,我们称之为”溅击(Sputtering)”

  这些被击出的电极板原子将进入电浆里,然后利用诸如扩散(Diffusion)等的方式,最后传递到芯片的表面,并因而沉积。这种利用电浆独特的雕子轰击,以动量转换的原理,在气相中(Gas Phase)制备沉积元素以便进行薄膜沉积的PVD技术,称之为”测镀(sputtering Deposition)。”基于以上的模型,测镀的沉积机构,大致上可以区分为以下几个步骤:

(1)电浆内所产生的部份离子,将脱离电浆并往阴极板移动。
(2)经加速的离子将轰撞(Bombard)在阴电极板的表面除产生二次电子外,且因此而击出电极板原子。
(3)被击出的电极板原子将进入电浆内,且最后传递到另一个放置有芯片的电极板的表面。
(4)这些被吸附(Adsorded)在芯片表面的吸附原子(Adatoms),将进行薄膜的沉积。

薄膜沉积(Thin <wbr />Film <wbr>Deposition)——物理气相沉积(物理蒸镀)(PVD)
图(二)显示一只电浆产生品的基本结构,及离子溅击

3-3离子化金属电浆(Ionized Metal Plasma,简称IMA)

IMP技术,应用了较一般金属测镀高上10-100倍的电浆密度。自1996年由Applied Materials公司推出后,立即受到广泛的注意。

IMP的基本示意图,如图(二)所示,这其中包含了一组传统的磁式直流电源(Magnetion DC Power),以及另一组无线电频率之交流电(RF Power)。由Magnetion DC Power产生的电浆,用以将靶极上的金属原子溅射出来。当这些金属原子行经溅镀室中的空间时,若通入较高的制程气压,则这些金属原子便有大幅的机会,与气体产生大量碰撞,因而首先被”热激化”(Thermally Activated);若与此同时,施与RF power之电磁震荡,因此加速这些金属与气体及电子间的碰撞,则便有大量的溅镀金属可被”离子化”(Ionized),而不再如传统溅镀的是中性原子,也因此IMP电浆密度会较一般溅镀为高,大约是在1011至1012cm-3之间。这些离子化的溅镀金属,会因在晶圆台座上,所自然因电浆而形成之自生负偏压(Self-Bias),而被直线加速往晶圆表面前进。如此一来,便可获致方向性极佳的原子流量(换句话说,极优异的底部覆盖率),与不错的沉积速率。此外,我们亦可在晶圆台座上选择性地装上另一组RF偏压,以期达到更佳的底部覆盖率,并且更可藉此改变沈积薄膜的晶体结构。

薄膜沉积(Thin <wbr />Film <wbr>Deposition)——物理气相沉积(物理蒸镀)(PVD)
图(三)IMP示意图

如上所述,溅镀金属被离子化的机率,取决于其停留在电浆中的时间。若停留时间愈长,则其被热泪化与离子化的机率也愈大。通常由靶极被溅射下来的金属原子,都带有极高的能量(-1到10eV)与极高的速度。这些高速原子在电浆中停留时间极短,便会到达晶圆表面,而无法被有效的离子化。因此IMP必须藉金属原子与气体之有效碰撞,来减慢其速度,以增长其停留时间。也因此,IMP必须在较高的压力下操作(~>10mtorr),以便先增加金属与气体碰撞的机会。

与传统溅镀相比,IMP有较低及更均匀分布的电阻值,同时IMP亦可以沉积较少之厚度,仍可达到所需的底部覆盖厚度。如此一来,不仅可直接减少金属沈积的成本,更因沉积时间亦得以缩短,整体的芯片产能率(Throughput),将得以提高,所以制造成本(Cost of Owner ship COO)将远较传统溅镀为低。正因IMP的众多优点,它已被众多半导体公司寄予厚望,认为是可以运用于0.25μm以下世代的革命性制程。

3-4未来PVD的发展趋势

(1)将PVD与CVD整合在同一系统上

随着组件的尺寸继续缩小,传统的溅镀方法已无法胜任小于0.25μm的制程。前述的IMP,则可以提供一合适的新制程,以应用于下一代制程的需求。然而由于现今IMP TiN制程尚未完全成熟,而尝试利用IMP来沉积Al,则可能会因IMP的电浆温度,接近Al的熔点,而有无法运用之憾。为了解决此一难题,相信CVD TiN以及CVD Al将会有极大的可能,与IMP同时应用,而形成一完整的PVD/CVD整合系统。举例来说,Ti/TiN的反扩散层,可以应用IMP Ti及CVD TiN在同一系统内,依序连续使用二个沉积室来加以完成。如此不仅不需使用各别的PVD及CVD两套设备,更可因为制程未中断暴露于大气之中,而避免了界面氧化、吸湿及微尘等问题,而提高了芯片的良率与组件的电性及可靠性。

(2)发展低温PVD制程,以保证低介电常数之介电化合物。

(3)当线宽0.18μm以下的世代来临时,铜制程是否能成功地取代铝制程以及反扩散层Ta/TaN/Wn技术是否成熟?已上所述,均是未来非常值得研究而且迫切需要发展的课题。

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