半导体技术中的薄膜沉积

2017-11-23 11:13:41 admin 28

薄膜的沉积,是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面的扩散及在适当的位置下聚结,以渐渐形成薄膜并成长的过程。薄膜的生成质量以及膜厚精确检测在半导体制造中有很高的重要性。
半导体技术中薄膜的沉积方式有以下分类:
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)——CVD
反应气体发生化学反应,并且生成物沉积在晶片表面。
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition)——PVD
蒸 镀(Evaporation)
利用被蒸镀物在高温(近熔点)时,具备饱和蒸汽压,来沉积薄膜的过程。
溅 镀(Sputtering)
利用离子对溅镀物体电极(Electrode)的轰击(Bombardment)使气相中具有被镀物的粒子(如原子),沉积薄膜。
化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition;CVD)
用高温炉管来进行二氧化硅层的成长,至于其它如多晶硅 (poly-silicon)、氮化硅 (silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜材料,要如何成长堆栈至硅晶圆上? 基本上仍是采用高温炉管,只是因着不同的化学沉积过程,有着不同的工作温度、压力与反应气体,统称为「化学气相沉积」。
既是化学反应,故免不了「质量传输」与「化学反应」两部分机制。由于化学反应随温度呈指数函数变化,故当高温时,迅速完成化学反应,对于化学气相沉积来说,提高制程温度,容易掌握沉积的速率或制程的重复性。
高温制程有几项缺点:
1.高温制程环境所需电力成本较高。
2.安排顺序较后面的制程温度若高于前者,可能破坏已沉积材料。 3.高温成长的薄膜,冷却至常温后,会产生因各基板与薄膜间热胀缩程度不同的残留应力 (residual stress)。
所以,低制程温度仍是化学气相沉积追求的目标之一,如此一来,在制程技术上面临的问题及难度也跟着提高。
按着化学气相沉积的研发历程,分别简介「常压化学气相沉积」、「低压化学气相沉积」及「电浆辅助化学气相沉积」:
1. 常压化学气相沉积 (Atmospheric Pressure CVD;APCVD)
最早研发的CVD系统,是在一大气压环境下操作,设备外貌也与氧化炉管相类似。欲成长材料化学蒸气自炉管上游均匀流向硅晶,至于何以会沉积在硅晶表面,可简单地以边界层 (boundary layer) 理论作定性说明:
当具黏性的化学蒸气水平吹拂过硅芯片时,硅芯片与炉管壁一样,都是固体边界,因靠近芯片表面约1mm的边界层内速度大量变化(由边界层外缘蒸气速度减低到芯片表面速度为零),会施予一拖曳外力,拖住化学蒸气分子;同时因硅芯片表面温度高于边界层外缘蒸气温度,芯片将释出热量,来供给被拖住的化学蒸气分子在芯片表面完成薄膜材质解离析出所需的能量。所以基本上,化学气相沉积就是大自然「输送现象」(transport phenomena) 的应用。
常压化学气相沉积速度颇快,但成长薄膜的质地较为松散。另外若晶圆不采水平摆放的方式 (太费空间),薄膜厚度均匀性 (thickness uniformity)不佳。
2.低压化学气相沉积 (Low Pressure CVD;LPCVD)
为进行50片或更多晶圆批次量产,炉管内晶圆势必要垂直密集地竖放于晶舟上,这明显衍生沉积薄膜的厚度均匀性问题;因为平板边界层问题的假设已不合适,化学蒸气在经过第一片晶圆后,黏性
半导体技术-薄膜沉积
流场立即进入分离 (separation) 的状态,逆压力梯度 (reversed pressure gradient) 会将下游的化学蒸气带回上游,而一团混乱。
在晶圆竖放于晶舟已不可免的情况下,降低化学蒸气环境压力,是一个解决厚度均匀性的可行之道。原来依定义黏性流特性的雷诺数 观察,动力黏滞系数ν随降压而变小,雷诺数激增,使化学蒸气流动由层流 (laminar flow) 进入紊流 (turbulent flow)。紊流不易分离,其为一乱中有序的流动,故尽管化学蒸气变得稀薄,使沉积速度变慢,但其经过数十片重重的晶圆后,仍无分离逆流的现象,而保有厚度均匀,甚至质地致密的优点。
3.电浆辅助化学气相沉积 (Plasma Enhanced CVD;PECVD)
尽管LPCVD已解决厚度均匀的问题,但温度仍太高,沉积速度也不够快。为了先降低沉积温度,必须寻找另一能量来源,供化学沉积之用。由于低压对于厚度均匀性的必要性,开发低压环境电浆能量辅助 (电浆只能存在于10~0.001 Torr 下),恰好补足低温环境下供能不足的毛病,使沉积速率高过LPCVD。
PECVD 与 RIE 两机台运作原理极为相似,前者用电浆来辅助沉积,后者用电浆去执行蚀刻。不同之处在于使用不同的电浆气源,工作压力与温度也不相同。
物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition;PVD)
又称金属镀膜 (Metal Deposition),依原理分为蒸镀(evaporation) 与溅镀 (sputtering) 两种。PVD基本上都需要抽真空:前者在10-6~10-7Torr的环境中蒸着金属;后者则须在激发电浆前,将气室内残余空气抽除,也是要抽到10-6~ 10-7Torr的程度。 一般的机械式真空泵,只能抽到10-3Torr的真空度,之后须再串接高真空泵 (机械式泵当作接触大气的前级泵),如:扩散式泵 (diffusion pump)、涡轮式泵 (turbo pump)、或致冷式泵 (cryogenic pump),才能达到10-6 ~10-7Torr的真空程度。当然,不同的真空泵涉及不同原理的压力计、管路设计、与价格。
1.蒸镀 蒸镀就加热方式差异,分为电阻式 (thermal coater) 与电子枪式 (E-gun evaporator) 两类机台。前者在原理上较容易,就是直接将准备熔融蒸发的金属以线材方式挂在加热钨丝上,一旦受热熔融,因液体表面张力之故,会攀附在加热钨丝上,然后徐徐蒸着至四周 (包含晶圆)。因加热钨丝耐热能力与供金属熔液攀附空间有限,仅用于低熔点的金属镀,如铝,且蒸着厚度有限。
电子枪式蒸镀机则是利用电子束进行加热,熔融蒸发的金属颗粒全摆在石墨或钨质坩埚 (crucible) 中。待金属蒸气压超过临界限度,也开始徐徐蒸着至四周 (包含晶圆)。电子枪式蒸镀机可蒸着熔点较高的金属,厚度也比较不受限制。
蒸镀法基本上有所谓阶梯覆披 (step coverage) 不佳的缺点,也就是说在起伏较剧烈的表面,蒸着金属断裂不连续。另外,多片晶圆的大面积镀也存在厚度均匀的问题。为此,芯片承载台加上公自转的机构,便用于上述两问题的改善。
2. 溅镀
溅镀虽是物理镀膜的方法,但与蒸发毫无关系。就如同将石头丢入一滩泥沼中,会喷溅出许多泥浆般,溅镀利用氩气电浆,高速冲击受镀靶材 (target),因而将靶材表面附近材质喷溅出来,落至晶圆之上。由于靶材是一整面而不是一点接受轰击,所以喷溅出来的材质,也有可能填塞到芯片表面阶梯死角的部位,而比较没有断线不连续或所谓阶梯披覆的问题。
溅镀也依电浆受激之能量源不同,分为直流 (DC) 与射频 (RF) 两种。基本上,两种溅镀机都可镀着金属薄膜。但后者特别可以针对非金属薄膜,如压电(piezoelectric) 或磁性材料,具有「绝缘、熔点高、成份复杂、对堆栈方式相当敏感」等智能型薄膜之镀着特征 。

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