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1、第四章薄膜成長技術n薄膜成長或者稱薄膜沈積(Thin Film Deposition)技術，是指在一基板上(Substrate)成長一層同質(Homogeneous Structure)或者是異質(Hetero-structure)材料之技術。n金屬層、複晶矽薄膜(polycrystalline silicon)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)層都適用此種方法來沉積薄膜層。4-1 薄膜沈積之原理n薄膜沈積技術可分為化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition, CVD)和物理氣相沈積(Physical Vapor Deposition, PVD)二種方法。而化學
2、氣相沈積方法在半導體工業上最常用的是低壓化學氣相沈積方法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)與常壓化學氣相沈積方法(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition, APCVD) n以LPCVD為例，要生成薄膜的材料是與爐管的溫度及注入爐管的氣體種類有關n爐管的溫度高於550SiH4複晶矽薄膜n爐管的溫度約485 Si2H6 複晶矽薄膜n氧氣和SiH4在爐管內二氧化矽(SiO2)層n氨氣和SiH2Cl2在爐管內 Si3N4n物理氣相沈積方法，最常用的是金屬濺鍍機(Sputtering)和金屬
3、蒸鍍機(Evaporation)最為典型也最為常用。nSputtering ：藉助電漿產生之離子(如Ar)去撞擊電極靶源，始靶源之金屬沉積於基座上 如AlCuSi、W等nEvaporation ：把要蒸鍍的金屬置放在熔點極高的承載器，然後加溫至被蒸發金屬之熔點如鋁線(Al)與金線(Au)之蒸鍍電漿(plasma)n是一群中性分子(氣體)中有一部分帶正電，一部分帶負電，而正負電賀立子數目接近相等，故整體電將呈現電中性，其活性皆很強。n由中性原子或分子、負電(電子)和正電(離子)所構成。電子濃度對所有氣體濃度的比例被定義為游離率(ionization rate)薄膜沉積之機制4-2 低壓力化學氣相
4、沈積法 (Low Pressure Chemical Vapor Depostition, LPCVD)n1. 複晶矽材料之沈積： n2.氧化矽和氮化矽材料之沈積： 以低溫製程來沉積此兩種絕緣材料作內層介電層，內金屬介電層以及作保護層之用n低溫之電漿加強式化學氣相沉積(Plsma Enhanced Vapor Deposition,PECVD) 反應溫度藉高能量之電漿效應，使溫度得以降低磷矽玻璃(Phosphosilicate Glass,PSG)PSG材料和氮化矽材料均可以阻擋水氣，更可以防止鹼金屬之擴散，很適合做鈍化保護層氮化矽(silicon nitride)之成長nPECVD之化學反應
5、式為：nLPCVD爐之化學反應式則為 或者4-3 磊晶矽晶片之成長技術n磊晶之原文，Epi-taxy是希臘文，原意是在上面有秩序的(Upon-order)排列，而磊晶晶片即是用一簡單之製程，在一有結晶狀之基座(Substrate)上面成長單晶結構之物質，以目前製程上之應用，可分為同質之磊晶晶片(Homoepitaxy Wafer)和異質之磊晶晶片(Heteroepitaxy Wafer) 。 磊晶矽晶圓片之成長n1. 低溫氧化層之技術(LTO) 目前較常用之低溫氧化矽之成長技術為大氣壓力化學氣相沈積方法，(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Depositi
6、on, APCVD) 。n2. 去除晶片邊緣處之氧化矽(EOS) 因晶片成長磊晶層時因晶片邊緣粗糙處，易吸附雜質及異物 磊晶晶片之成長機制n1. 磊晶成長之物理機制 當在氣體流動穩定狀態下，F1和F0是相 等， F為通量(Flux) ，定義為單位面積下參與反應之原子數目，hg則為氣相質量傳送係數(Gas-phase Mass-transfer Coefficient)， ks是化學表面反應速率常數(Chemical Surface-reaction Rate Constant) Ea是主動活化能(Activation Energy)，大約1.9eV。當hgks為 Surface Reactio
7、n Control主導成長之機制 ，反之hgks時，磊晶膜之成長速率為 ，反之hgks時成長速率為 。n2. 磊晶成長之問題 磊晶層在成長時如遇到原晶片基座表面不均勻之所謂選擇性磊晶層(Selective Epitaxy Growth, SEG)。 另外一個製程之問題即“Auto-doping”之現象，磊晶層與單晶基座之介面處之載子濃度不是陡峭(Abruptly)分佈 ，中最大之紅 外線長長度為 ，最小之紅外線波長長度則為 ，t為磊晶層之厚度，n是磊晶層折射線係，m為1,2,3， 是紅外線之入射角度，n是磊晶層折射係數，m為1,2,3，是紅外線之入射角度。 ，是磊晶矽之成長速度，D是載子之擴展
8、常數，t為成長時間 。n有關抑制Autodoping現象的方法有下列方式 (a)在矽晶片背面成長一層二氣化矽在矽晶片背面成長一層二氣化矽(SiO2)或氮化矽或氮化矽(Si3N4)材料材料 (b)低壓磊晶成長低壓磊晶成長 (c)高溫烘烤高溫烘烤 n還有一個製程上之問題，那就是反應氣體在爐管之停滯層(Stagnant Layer)。 是氣體之流速 ，是黏度(Viscosity) ，是其密 度 ，其中c1和c2為經驗常數。 n3. 磊晶成長之缺陷 其他磊晶成長技術n其實磊晶成長方法除了上面所談之APCVD方式，還有很多種，如有機金屬氣相磊晶法(Metal Organic Chemical Vapor
9、 Deposition, MOCVD)、分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)、液相磊晶法(Liquid Phase Epitaxy, LPE)在磊晶成長過程中，影響品質因素有很多種，可分為外部的(Extrinsic)與本質(Intrinsic)，前者是界面乾淨度和磊晶層之純度，後者則包括晶格差異和界面化學鍵之能量(Interface Chemical Energy)等。 磊晶晶片之市場與應用4-4 單晶矽與複晶矽電阻特性之 比較4-5 物理氣相沈積法n以目前半導體製程中，最常用的是蒸鍍機(Evaporation)與濺鍍機(Sputtering)二種 nEvap
10、oration：沉積熔點比較低的金屬,如金線,白金,鉻線nSputtering ：熔點比較高或者複合材料,如鎢,鈦,TiN,TiW, 及YBCuO 蒸鍍系統與原理 濺鍍系統與原理濺鍍系統分類n直流濺鍍技術(DC Sputtering) 導電性佳之金屬靶源,TiW、AlSiCu n交流射頻濺鍍技術(RF Sputtering) 導電性較差之金屬靶源材料,如陶瓷材料、BaCO3 PVD在體積電路之對屬製程的應用n最常用之金屬材料，可以說是鋁，其優點為低電阻率，便宜與二氧化矽之結合性(Coherence)良好，低應力(Low Stress) 1.鋁Spiking現象 2.鋁之電子遷移現象(Electromigration) 3.鋁金屬線改善之道 1.用AlSiCu合金材料此種方法吾人稱為“Passivate the Grain Boundary” 。2.則是在鋁合金屬和矽材料之間加一層厚度很薄之障礙金屬層(Barrier Metal)。 3.銅製程技術
