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半導(dǎo)體技術(shù)中的薄膜沉積
閱讀：3736 發(fā)布時間：2019-6-20薄膜的沉積，是一連串涉及原子的吸附,、吸附原子在表面的擴(kuò)散及在適當(dāng)?shù)奈恢孟戮劢Y(jié),，以漸漸形成薄膜并成長的過程。薄膜的生成質(zhì)量以及膜厚檢測在半導(dǎo)體制造中有很高的重要性,。
半導(dǎo)體技術(shù)中薄膜的沉積方式有以下分類：
化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition）——CVD
反應(yīng)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，并且生成物沉積在晶片表面。
物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition）——PVD
蒸 鍍（Evaporation）
利用被蒸鍍物在高溫（近熔點(diǎn)）時,，具備飽和蒸汽壓,，來沉積薄膜的過程。
濺 鍍（Sputtering）
利用離子對濺鍍物體電極（Electrode）的轟擊（Bombardment）使氣相中具有被鍍物的粒子（如原子）,，沉積薄膜,。
化學(xué)氣相沉積 (Chemical Vapor Deposition；CVD)
用高溫爐管來進(jìn)行二氧化硅層的成長,，至于其它如多晶硅 (poly-silicon),、氮化硅 (silicon-nitride)、鎢或銅金屬等薄膜材料,，要如何成長堆棧至硅晶圓上,？ 基本上仍是采用高溫爐管，只是因著不同的化學(xué)沉積過程,，有著不同的工作溫度,、壓力與反應(yīng)氣體，統(tǒng)稱為「化學(xué)氣相沉積」,。
既是化學(xué)反應(yīng),，故免不了「質(zhì)量傳輸」與「化學(xué)反應(yīng)」兩部分機(jī)制。由于化學(xué)反應(yīng)隨溫度呈指數(shù)函數(shù)變化,，故當(dāng)高溫時,，迅速完成化學(xué)反應(yīng)，對于化學(xué)氣相沉積來說,，提高制程溫度,，容易掌握沉積的速率或制程的重復(fù)性。
高溫制程有幾項(xiàng)缺點(diǎn)：
1．高溫制程環(huán)境所需電力成本較高,。
2．安排順序較后面的制程溫度若高于前者,，可能破壞已沉積材料。 3．高溫成長的薄膜,，冷卻至常溫后，會產(chǎn)生因各基板與薄膜間熱脹縮程度不同的殘留應(yīng)力 (residual stress),。
所以,，低制程溫度仍是化學(xué)氣相沉積追求的目標(biāo)之一，如此一來，在制程技術(shù)上面臨的問題及難度也跟著提高,。
按著化學(xué)氣相沉積的研發(fā)歷程,，分別簡介「常壓化學(xué)氣相沉積」、「低壓化學(xué)氣相沉積」及「電漿輔助化學(xué)氣相沉積」：
1． 常壓化學(xué)氣相沉積 (Atmospheric Pressure CVD,；APCVD)
早研發(fā)的CVD系統(tǒng),，是在一大氣壓環(huán)境下操作，設(shè)備外貌也與氧化爐管相類似,。欲成長材料化學(xué)蒸氣自爐管上游均勻流向硅晶,，至于何以會沉積在硅晶表面，可簡單地以邊界層 (boundary layer) 理論作定性說明：
當(dāng)具黏性的化學(xué)蒸氣水平吹拂過硅芯片時,，硅芯片與爐管壁一樣,，都是固體邊界，因靠近芯片表面約1mm的邊界層內(nèi)速度變化(由邊界層外緣蒸氣速度減低到芯片表面速度為零),，會施予一拖曳外力,，拖住化學(xué)蒸氣分子；同時因硅芯片表面溫度高于邊界層外緣蒸氣溫度,，芯片將釋出熱量,，來供給被拖住的化學(xué)蒸氣分子在芯片表面完成薄膜材質(zhì)解離析出所需的能量。所以基本上,，化學(xué)氣相沉積就是大自然「輸送現(xiàn)象」(transport phenomena) 的應(yīng)用,。
常壓化學(xué)氣相沉積速度頗快，但成長薄膜的質(zhì)地較為松散,。另外若晶圓不采水平擺放的方式 (太費(fèi)空間),，薄膜厚度均勻性 (thickness uniformity)不佳。
2．低壓化學(xué)氣相沉積 (Low Pressure CVD,；LPCVD)
為進(jìn)行50片或更多晶圓批次量產(chǎn),，爐管內(nèi)晶圓勢必要垂直密集地豎放于晶舟上，這明顯衍生沉積薄膜的厚度均勻性問題,；因?yàn)槠桨暹吔鐚訂栴}的假設(shè)已不合適,，化學(xué)蒸氣在經(jīng)過片晶圓后，黏性
半導(dǎo)體技術(shù)－薄膜沉積
流場立即進(jìn)入分離 (separation) 的狀態(tài),，逆壓力梯度 (reversed pressure gradient) 會將下游的化學(xué)蒸氣帶回上游,，而一團(tuán)混亂。
在晶圓豎放于晶舟已不可免的情況下,，降低化學(xué)蒸氣環(huán)境壓力,，是一個解決厚度均勻性的可行之道。原來依定義黏性流特性的雷諾數(shù) 觀察,，動力黏滯系數(shù)ν隨降壓而變小,，雷諾數(shù)激增,，使化學(xué)蒸氣流動由層流 (laminar flow) 進(jìn)入紊流 (turbulent flow)。紊流不易分離,，其為一亂中有序的流動,，故盡管化學(xué)蒸氣變得稀薄，使沉積速度變慢,，但其經(jīng)過數(shù)十片重重的晶圓后,，仍無分離逆流的現(xiàn)象，而保有厚度均勻,，甚至質(zhì)地致密的優(yōu)點(diǎn),。
3．電漿輔助化學(xué)氣相沉積 (Plasma Enhanced CVD；PECVD)
盡管LPCVD已解決厚度均勻的問題,，但溫度仍太高,，沉積速度也不夠快。為了先降低沉積溫度,，必須尋找另一能量來源,，供化學(xué)沉積之用。由于低壓對于厚度均勻性的必要性,，開發(fā)低壓環(huán)境電漿能量輔助 (電漿只能存在于10~0.001 Torr 下),，恰好補(bǔ)足低溫環(huán)境下供能不足的毛病，使沉積速率高過LPCVD,。
PECVD 與 RIE 兩機(jī)臺運(yùn)作原理極為相似,，前者用電漿來輔助沉積，后者用電漿去執(zhí)行蝕刻,。不同之處在于使用不同的電漿氣源,，工作壓力與溫度也不相同。
物理氣相沉積 (Physical Vapor Deposition,；PVD)
又稱金屬鍍膜 (Metal Deposition),，依原理分為蒸鍍(evaporation) 與濺鍍 (sputtering) 兩種。PVD基本上都需要抽真空：前者在10-6~10-7Torr的環(huán)境中蒸著金屬,；后者則須在激發(fā)電漿前,，將氣室內(nèi)殘余空氣抽除，也是要抽到10-6~ 10-7Torr的程度,。 一般的機(jī)械式真空泵,，只能抽到10-3Torr的真空度，之后須再串接高真空泵 (機(jī)械式泵當(dāng)作接觸大氣的前級泵),，如：擴(kuò)散式泵 (diffusion pump),、渦輪式泵 (turbo pump)、或致冷式泵 (cryogenic pump),，才能達(dá)到10-6 ~10-7Torr的真空程度,。當(dāng)然,，不同的真空泵涉及不同原理的壓力計、管路設(shè)計,、與價格。
1．蒸鍍 蒸鍍就加熱方式差異,，分為電阻式 (thermal coater) 與電子槍式 (E-gun evaporator) 兩類機(jī)臺,。前者在原理上較容易，就是直接將準(zhǔn)備熔融蒸發(fā)的金屬以線材方式掛在加熱鎢絲上,，一旦受熱熔融,，因液體表面張力之故，會攀附在加熱鎢絲上,，然后徐徐蒸著至四周 (包含晶圓),。因加熱鎢絲耐熱能力與供金屬熔液攀附空間有限，僅用于低熔點(diǎn)的金屬鍍,，如鋁,，且蒸著厚度有限。
電子槍式蒸鍍機(jī)則是利用電子束進(jìn)行加熱,，熔融蒸發(fā)的金屬顆粒全擺在石墨或鎢質(zhì)坩堝 (crucible) 中,。待金屬蒸氣壓超過臨界限度，也開始徐徐蒸著至四周 (包含晶圓),。電子槍式蒸鍍機(jī)可蒸著熔點(diǎn)較高的金屬,，厚度也比較不受限制。
蒸鍍法基本上有所謂階梯覆披 (step coverage) 不佳的缺點(diǎn),，也就是說在起伏較劇烈的表面,，蒸著金屬斷裂不連續(xù)。另外,，多片晶圓的大面積鍍也存在厚度均勻的問題,。為此，芯片承載臺加上公自轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu),，便用于上述兩問題的改善,。
2． 濺鍍
濺鍍雖是物理鍍膜的方法，但與蒸發(fā)毫無關(guān)系,。就如同將石頭丟入一灘泥沼中,，會噴濺出許多泥漿般，濺鍍利用氬氣電漿,，高速沖擊受鍍靶材 (target),，因而將靶材表面附近材質(zhì)噴濺出來，落至晶圓之上,。由于靶材是一整面而不是一點(diǎn)接受轟擊,，所以噴濺出來的材質(zhì),，也有可能填塞到芯片表面階梯死角的部位，而比較沒有斷線不連續(xù)或所謂階梯披覆的問題,。
濺鍍也依電漿受激之能量源不同,，分為直流 (DC) 與射頻 (RF) 兩種?；旧?，兩種濺鍍機(jī)都可鍍著金屬薄膜。但后者特別可以針對非金屬薄膜,，如壓電(piezoelectric) 或磁性材料,，具有「絕緣、熔點(diǎn)高,、成份復(fù)雜,、對堆棧方式相當(dāng)敏感」等智能型薄膜之鍍著特征 。