《物理气相沈积PVD报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理气相沈积PVD报告（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、. . . 本週報告主題：PVD薄膜製程設備介紹指導教授：志中教授組員名單吳佳政B85502011莊永全B85502017何昕霓B85502056林建豪B85502059謝肫仁B85502089內容大綱-頁次1. 前言-12. PVD介紹-13. 蒸鍍介紹-24. 分子束磊晶生長-35. 濺鍍-3 5.1 長距離拋鍍（Long Throw） 5.2 直向性柱狀管濺鍍(collimated Flux) 5.3 離子化金屬電漿(IMP)6. 蒸鍍、濺鍍、分子束磊晶成長三者的比較-87. PVD製程設備介紹-97.1 蒸鍍 7.2 離子化濺鍍的製程設備介紹8. 專利新知-209. 未來PVD的發展趨
2、勢-2310. Reference-251. 前言：CVD（Chemical vapor deposition），是透過化學反應將具揮發性的成分與其他氣體反應以產生非揮發性且積在Substrate上的固態產物如生成導體鎢、多晶系，半導體單晶系，絕緣體介電材料PSG等等。所具備的特點是積的種類多樣化，成本低，且能夠批次處理。和PVD相較起來，更明顯的優點是在step coverage上的表現佳，CVD可避免step coverage的情況發生。但隨著環保的需求逐漸抬頭，CVD製程含大量有毒、易燃燒、易爆炸物質，且CVD的製程中及製程後包含了以水來清洗，或是再燃燒的過程，水洗造成水質污染、再燃燒造
3、成空氣污染，對環境都造成傷害。而PVD傷害較低，這將是本製程非常重要的優點之一。本文將先介紹PVD的製程，在比較不同PVD製程後，簡介蒸鍍、濺鍍不同的設備概況。2. PVD介紹 物理氣相積(Physical Vapor Deposition, PVD)是今日在半導體製程中，被廣泛運用於金屬鍍膜的技術。以現今之金屬化製程而言:舉凡Ti、TiN、TiW等所謂的反擴散層(barrier layer)，或是黏合層(glue layer);Al之栓塞(plug)及導線連接(inter connect)，以及高溫金屬如WSi、W、Co等，都可使用物理氣相積法來完成。隨著半導體晶片所需金屬層數(metall
4、ayer)愈來愈多，後段金屬鍍膜的比重也愈形重要，估計將來甚至可達到一半以上。因此而言，物理氣相積法，半導體製程上，扮演著舉足輕重的角色。一般來說，物理氣相積法可包含下列三種不同之技術:A.蒸鍍(Evaporation)。B.分子束磊晶成長(Molecular Beam Epitaxy, MBE)。C.濺鍍(Sputter)。3. 蒸鍍介紹表1：蒸鍍化學過程以熱將蒸鍍源加熱，使蒸發成蒸氣，到被鍍物上積。如表1，是蒸鍍在實際過程中所發生的化學反應過程表示式。蒸鍍以熱將蒸鍍源加熱，使蒸發為蒸氣後積。所以本製程的缺點在於成分的控制不易，舉表1中的MX分解為例。由於採用蒸發的方式，若是蒸發化合物，如硫
5、化二銀，就有可能產生硫和銀分解的狀況，使得被鍍物的成分不精確。此外，在表1的受熱分解方程式中，Oxides會因熱分解而產生氧氣和還原的元素，但氧氣卻容易被vacuum pump吸收，造成蒸發源和積物之間成分的不相等，發生明顯的成分不精確。此外，在蒸鍍合金時，被鍍物的鍍膜不會依照合金的比例，反而會依照合金蒸發後的蒸氣壓比鍍在被鍍物上，造成被鍍膜成分的估算錯誤。4. 分子束磊晶生長此製程有實際執行上的困難度，並不常在工業界中使用，故不討論。5. 濺鍍濺鍍利用電漿產生的離子，藉著離子對被覆材料電擊靶材的轟擊，使電漿內具有被覆材料的原子，在進行薄膜積反應。濺鍍本身受到濺射原子，多元散射方向的影響，不易
6、得到在接觸洞(contact hole)連續且均勻覆蓋(conformal)的金屬膜，進而影響填洞(hole filling)或栓塞(plug-in)的能力。因此，現在濺鍍技術的重點，莫不著重於改進填洞時之階梯覆蓋率(step coverage)，以增加Ti/ TiN反擴散層/黏合層/濕潤層(wetting layer)等之厚度:或是發展鋁栓塞(Al-plug)及平坦化製程(planarization)，以改善元件之電磁特性，並簡化製造流程，降低成本等。現今傳統的濺鍍方法，無法在小接觸口尺寸及高尺寸比的接觸洞，得到理想的階梯覆蓋率。過於嚴重的接觸洞口肩部積(shoulder或overhang)
7、，常會導致洞口完全被封住。以致洞口底部留下孔隙(voids)，而無法達到所需的積厚度。下述三種方法即為了改善不良的階梯覆蓋率，而發展出來的技術:5.1 長距離拋鍍（Long Throw）藉著增加靶極(target)與晶圓間的距離（約一般濺鍍距離的兩倍），並且減少通入氣體之流量(亦即在較低的製程壓力下操作)。從靶極被濺射而出的金屬原子，便有較大的機率，不致在濺鍍的過程中，與其他金屬原子或氣體分子產生碰撞，而導致斜向之運動。也就是說Long Throw的精神在於努力提高被濺鍍原子的平均自由路徑(mean-freepath)以減少其碰撞及散射的機會。如此一來，可以得到一方向性佳，且垂直於晶圓表面的原
8、子流量(Flux)，因此可以明顯改善填洞時對底部的覆蓋率(bottom coverage)。然而，Long Throw明顯地積速率偏低，而且在同一晶圓上周圍(edge)與中央(center)的厚度均勻度(thickness uniformity)並不十分理想對於需有精確厚度控制的製程，是一大問題。另外，隨著晶圓尺寸增大，Long Throw所帶要的靶極至晶圓距離，也勢必得作等比例以上的放大，這不僅是加高了濺鍍室的高度，而且更增加了硬體設計、安裝及維修的困難。尤其是隨著濺鍍室尺寸的變大、其濺鍍金屬原子的積速率亦有可能愈發降低，勢必影響到工業界接受的程度。5.2 直向性柱狀管濺鍍(collimat
9、ed Flux)圖1：柱狀管如果我們在濺鍍室中，在介於靶極與晶圓之間置入如圖1所示的柱狀管(Collimator)。此柱狀皆是由許多細小的蜂巢結構所組成，每一柱狀管的蜂巢結構(cell)，具有固定的高度/直徑之尺寸比(Aspect ratio)。由靶極所濺射而出的金屬原子，只有在某些角度之內，才可能通過柱狀管，而到達晶圓表面。其餘大部分之斜向發射，皆會被此柱狀管所阻擋(filter out)，而自然積在柱狀管上。換言之，此柱狀管乃扮演著一類似，濾網的功能，只允許近乎直角的濺鍍原子通過，而其過濾之效率，乃是由柱狀管蜂巢結構的高度直徑之尺寸比所決定。尺寸比愈大，所脫掉的原子愈多，愈可得到非常直向的
10、原子流量。由於過濾的金屬太多，其積速率較一般濺鍍慢上一倍以上，而且更會隨著柱狀管使用時間之增加更形惡化。(因為蜂巢結構的直徑，會隨著金屬不斷的積，而愈來愈小，使濺鍍金屬愈難通過)。此外，由於濺鍍金屬與柱狀管之間，因材質、溫度、積厚度等各種不同變因，所引發的機械應力(mechanical stress)或熱應力(thermal stress)，更會使得積在柱狀管上的金屬積物，有剝落（peeling）之慮，無形中成為一個潛在的微塵來源(particle source)。另一項使用柱狀管的缺點在於其濺鍍金屬(尤其是Ti)的薄膜特性，如應力、均勻度等對於柱狀管的狀態，非常敏感。有柱狀管之濺鍍室，必須先
11、經過充份的熱機(bake out)與熱靶(burn in)方能確保各種薄膜性質的一致。如此一來，無可避免的增加了預防保養(Preventive Maintenance P/M)後，所需之復機時間。Long Throw與Collimated Flux兩種方法，對於小於0.2m以下的接觸洞大小，無法提供足夠的底部覆蓋率。所以為了繼續金屬濺鍍的技術壽命，必須發展出另外新的製程技術，新技術必須:A.大幅增加小尺寸，高尺寸比之接觸洞的底部覆蓋率。B.改善積速率以提高晶片產能(Throughput)。離子化金屬電漿(Ionized Metal Plasma)的技術。簡稱為IMP技術，應用了較一般金屬濺鍍高
12、上10100倍的電漿密度。以下為IMP的基本介紹:5.3 離子化金屬電漿(IMP)圖2：IMP示意圖IMP的基本示意圖，如圖2所示。其中包含了一組傳統的磁式直流電源(Magnetron DC power)，以及另一組無線電頻率之交流電源(RF power)。由Magnetron DC power所產生的電漿，用以將靶極上的金屬原子濺射出來。當金屬原子行經濺鍍室中的空閒時，若通入較高的製程氣壓，則金屬原子便有大幅的機會與氣體產生大量碰撞，因而首先被熱激化(thermally activated);若與此同時，施與RF power之電磁震盪，用以加速金屬與氣體及電子間的碰撞，則便有大量的濺鍍金屬可
13、被離子化(Ionized)，離子化的濺鍍金屬，會因為晶圓台座上因電漿而自然形成之自生負偏壓(self-bias)，而被直線加速往晶圓表面前進。如此一來，便可獲致方向性極佳的原子流量(換句話說，極優異的底部覆蓋率)，與不錯的積速率。若在在晶圓台座上選擇性地裝上另一組RF偏壓，以期達到更佳的底部覆蓋率，並且更可藉此改變積薄膜的晶體結構。濺鍍金屬被離子化的機率，取決於其停留在電漿中的時間。若停留時間愈長，則其被熱激化與離子化的機率也愈大。通常出靶極被濺射下來的金屬原子，都帶有極高的能量(1到10ev)與極高的速度。這些高速原子在電漿中停留極短，便會到達晶圓表面，而無法被有效的離子化。因此IMP必須藉
14、金屬原子與氣體之有效碰撞，來減慢其速度以拉長其停留時間。如圖3所示。同時IMP亦可以積較少之厚度，仍可達到所需底部的覆蓋厚度。如此一來，不僅可直接減少金屬積的成本，更因積時間亦得以縮短，整體的晶片產能率(throughput)，將得以提高;所以製造成本較傳統濺鍍為低。由於離子化電漿的濺鍍製程日易成熟，所以在製程及設備上的發展已經有相當進步，目前所發展出的離子化濺鍍製程可區分為下列四種種類A. DCB. RFC. MagnetronD. Reactive圖3：DC and RF sputtering systems 如圖3，為DC和RF的濺鍍製程及設備示意圖。DC濺鍍（also known as
15、 diode or cathodic sputtering），是利用高壓電源產生大量離子撞擊靶，以達成濺鍍的目的。而RF sputtering則是透過self-bias的voltage產生RF signal，讓正負電流積分出的面積相等，避免電極版上充滿負電。Magnetron的製程如同課程講義所說，加入磁場，延長電子的運動路徑，增加電子與起體分子的碰撞率，增加離子數。Reactive則是較新的技術，以化學反應的方法來產生離子，以轟擊靶材。6. 蒸鍍、濺鍍、分子束磊晶成長三者的比較表2為此三種方法之比較。由於濺鍍同時達成較佳的（1）積效率、（2）大尺寸的積厚度控制、(3)精確的成份控制、(4)較低的製造成本。所以濺鍍是現今矽基半導體工業中主要採用的方式，而蒸鍍多用在化合物半導體工業中或是實驗室級設備。 性質方法積速率大尺寸厚度控制精確成分控制可積材料之選用整體製造成本蒸鍍（Evaporation）極慢差差少
