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
物理气相沉积(Physical
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
(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
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
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
表三
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
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
(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。
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
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
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
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
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
(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。