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薄膜沉积(Thin Film Deposition)

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1 何谓薄膜沉积

在机械工业、电子工业或半导体工业领域，为了对所使用的材料赋与某种特性在材料表面上以各种方法形成被膜（一层薄膜），而加以使用，假如此被膜经由原子层的过程所形成时，一般将此等薄膜沉积称为蒸镀（蒸着）处理。采用蒸镀处理时，以原子或分子的层次控制蒸镀粒子使其形成被膜，因此可以得到以热平衡状态无法得到的具有特殊构造及功能的被膜。

薄膜沉积是目前最流行的表面处理法之一，可应用于装饰品、餐具、刀具、工具、模具、半导体组件等之表面处理，泛指在各种金属材料、超硬合金、陶瓷材料及晶圆基板的表面上，成长一层同质或异质材料薄膜的制程，以期获得美观耐磨、耐热、耐蚀等特性。

薄膜沈积依据沉积过程中，是否含有化学反应的机制，可以区分为物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，简称PVD）通常称为物理蒸镀及化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）通常称为化学蒸镀。

随着沉积技术及沉积参数差异，所沈积薄膜的结构可能是『单晶』、『多晶』、或『非结晶』的结构。单晶薄膜的沉积在集成电路制程中特别重要，称为是『磊晶』(epitaxy)。相较于晶圆基板，磊晶成长的半导体薄膜的优点主要有：可以在沉积过程中直接掺杂施体或受体，因此可以精确控制薄膜中的『掺质分布』(dopant profile)，而且不包含氧与碳等杂质。

2 薄膜沉积机制

薄膜的成长是一连串复杂的过程所构成的。图（一）为薄膜成长机制的说明图。图中首先到达基板的原子必须将纵向动量发散，原子才能『吸附』(adsorption)在基板上。这些原子会在基板表面发生形成薄膜所须要的化学反应。所形成的薄膜构成原子会在基板表面作扩散运动，这个现象称为吸附原子的『表面迁徙』(surface migration)。当原子彼此相互碰撞时会结合而形成原子团过程，称为『成核』(nucleation)。

原子团必须达到一定的大小之后，才能持续不断稳定成长。因此小原子团会倾向彼此聚合以形成一较大的原子团，以调降整体能量。原子团的不断成长会形成『核岛』(island)。核岛之间的缝隙须要填补原子才能使核岛彼此接合而形成整个连续的薄膜。而无法与基板键结的原子则会由基板表面脱离而成为自由原子，这个步骤称为原子的『吸解』(desorption)。PVD与CVD的差别在于：PVD的吸附与吸解是物理性的吸附与吸解作用，而CVD的吸附与吸解则是化学性的吸附与吸解反应。

图（一）薄膜沉积机制的说明图

3 物理气相沉积（物理蒸镀）（PVD）

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。

表一三种PVD法之比较

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)是今日在半导体制程中，被广泛运用于金属镀膜的技术。以现今之金属化制程而言：举凡Ti、TiW等所谓的反扩散层(Barrier Layer)，或是粘合层(Glue Layer)；Al之栓塞(plug)及导线(Interconnects)连接，以及高温金属如Wsi、W、Co等，都使用物理气相沉积法来完成。虽然小尺寸的金属沉积以化学气相沉积为佳，但物理气相沉积法可说在半导体制程上，仍扮演着举足轻重的角色。

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 Beam Epitaxy，MBE)
(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。

表二三种物理气相沉积法之比较

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 Filling)或栓塞(Plug-In)的能力；因此，现在溅镀技术的重点，莫不着重于改进填洞时之阶梯覆盖率(Step Coverage)，以增加Ti/TiN反扩散层/粘合层/湿润层(wetting Layer)等之厚度，或是发展铝栓塞(Al-plug)及平坦化制程(Planarization)，以改善组件之电磁特性，并简化制造流程，降低成本等。

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 lonized Gases)。借着在两个相对应的金属电极板(Electrodes)上施以电压，假如电极板间的气体分子浓度在某一特定的区间，电极板表面因离子轰击(Ion Bombardment)所产生的二次电子(Secondary Electrons)，在电极板所提供的电场下，将获得足够的能量，而与电极板间的气体分子因撞击而进行所谓的”解离(Dissociation)”，”离子化(Ionization)”，及”激发(Excitation)”等反应，而产生离子、原子、原子团(Radicals)，及更多的电子，以维持电浆内各粒子间的浓度平衡。（详见表三）

表三二次电子与气体分子之撞击状况

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 Transfer)的原理，离子轰击除了会产生二次电子以外，还会把电极板表面的原子给”打击”出来，这个动作，我们称之为”溅击(Sputtering)”

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 Phase)制备沉积元素以便进行薄膜沉积的PVD技术，称之为”测镀(sputtering Deposition)。”基于以上的模型，测镀的沉积机构，大致上可以区分为以下几个步骤：

(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 Metal Plasma，简称IMA)

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 Materials公司推出后，立即受到广泛的注意。

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 DC Power)，以及另一组无线电频率之交流电(RF Power)。由Magnetion DC Power产生的电浆，用以将靶极上的金属原子溅射出来。当这些金属原子行经溅镀室中的空间时，若通入较高的制程气压，则这些金属原子便有大幅的机会，与气体产生大量碰撞，因而首先被”热激化”(Thermally Activated)；若与此同时，施与RF power之电磁震荡，因此加速这些金属与气体及电子间的碰撞，则便有大量的溅镀金属可被”离子化”(Ionized)，而不再如传统溅镀的是中性原子，也因此IMP电浆密度会较一般溅镀为高，大约是在1011至1012cm-3之间。这些离子化的溅镀金属，会因在晶圆台座上，所自然因电浆而形成之自生负偏压(Self-Bias)，而被直线加速往晶圆表面前进。如此一来，便可获致方向性极佳的原子流量（换句话说，极优异的底部覆盖率），与不错的沉积速率。此外，我们亦可在晶圆台座上选择性地装上另一组RF偏压，以期达到更佳的底部覆盖率，并且更可藉此改变沈积薄膜的晶体结构。

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 of Owner ship , COO)将远较传统溅镀为低。正因IMP的众多优点，它已被众多半导体公司寄予厚望，认为是可以运用于0.25μm以下世代的革命性制程。

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 TiN制程尚未完全成熟，而尝试利用IMP来沉积Al，则可能会因IMP的电浆温度，接近Al的熔点，而有无法运用之憾。为了解决此一难题，相信CVD TiN以及CVD Al将会有极大的可能，与IMP同时应用，而形成一完整的PVD/CVD整合系统。举例来说，Ti/TiN的反扩散层，可以应用IMP Ti及CVD TiN在同一系统内，依序连续使用二个沉积室来加以完成。如此不仅不需使用各别的PVD及CVD两套设备，更可因为制程未中断暴露于大气之中，而避免了界面氧化、吸湿及微尘等问题，而提高了芯片的良率与组件的电性及可靠性。

(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。

4 化学气相沉积（化学蒸镀）（CVD）

CVD是将反应源以气体形式通入反应腔中，经由氧化，还原或与基板反应之方式进行化学反应，其生成物藉内扩散作用而沉积基板表面上。

CVD法系将金属氯化物、碳化氢、氮气等气体导入密闭之容器内，在真空、低压、电浆等气氛状况下把工作加热至1000℃附近2~8小时，将所需之碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等柱状晶薄膜沉积在工件表面，膜厚约1~30μm（5~10μm），结合性良好（蒸镀温度高，有扩散结合现象），较复杂之形状及小孔隙都能蒸镀；唯若用于工、模具钢，因其蒸镀温度高于钢料之回火温度，故蒸镀后需重新施予淬火－回火，不适用于具尺寸精密要求之工、模具。

1.密闭容器2.电热炉3.气化器4.固体气化器5.回收槽6.旋转泵7.液体排出泵
图（四）典型之CVD装置示意图

4-1 CVD原理

在半导体制程上，CVD反应的环境，包括：温度、压力、气体的供给方式、流量、气体混合比及反应器装置等等。基本上气体传输、热能传递及反应进行三方面，亦即反应气体被导入反应器中，藉由扩散方式经过边界层(boundary layer)到达芯片表面，而由芯片表面提供反应所需的能量，反应气体就在芯片表面产生化学变化，生成固体生成物，而沉积在芯片表面。

4-2 CVD反应机制

图（四）显示在化学气相沈积程所包含的主要机制。其中可以分为下列五个主畏的步骤：(a).首先在沉积室中导入反应气体，以及稀释用的惰性气体所构成的混合气体，『主气流』(mainstream)、(b).主气流中的反应气体原子或分子往内扩散移动通过停滞的『边界层』(boundary layer)而到达基板表面、(c).反应气体原子被『吸附』(adsorbed)在基板上、(d).吸附原子(adatoms)在基板表面迁徙，并且产生薄膜成长所须要的表面化学反应、(e).表面化学反应所产生的气庇生成物被『吸解』(desorbed)，并且往外扩散通过边界层而进入主气流中，并由沉积室中被排除。

图（五）学气相沉积的五个主要机制：
(a).导入反应物主气流
(b).反应物内扩散
(c).原子吸附
(d).表面化学反应
(e).生成物外扩散及移除

4-3 CVD的种类与比较

在集成电路制程中，经常使用的CVD技术有：(1).『大气压化学气相沉积』(atmospheric pressure CVD、缩写APCVD)系统、(2).『低压化学气相沉积』(low pressure CVD、缩写LPCVD)系统、(3).『电浆辅助化学气相沉积』(plasma enhanced CVD、缩写PECVD)系统。在表（四）中将上述的三种CVD制程间的相对优缺点加以列表比较，并且就CVD制程在集成电路制程中的各种可能的应用加以归纳。

表四各种CVD制程的优缺点比较及其应用

4-4 大气压化学气相沉积系统

APCVD是在近于大气压的状况下进行化学气相沉积的系统。图（五）是一个连续式APCVD系统的结构示意图。图中芯片是经由输送带传送进入沉积室内以进行CVD作业，这种作业方式适合晶圆厂的固定制程。图中工作气体是由中央导入，而在外围处的快速氮气气流会形成『气帘』(air curtain)作用，可藉此氮气气流来分隔沉积室内外的气体，使沉积室内的危险气体不致外泄。

APCVD系统的优点是具有高沉积速率，而连续式生产更是具有相当高的产出数，因此适合集成电路制程。APCVD系统的其它优点还有良好的薄膜均匀度，并且可以沉积直径较大的芯片。然而APCVD的缺点与限制则是须要快速的气流，而且气相化学反应发生。在大气压状况下，气体分子彼此碰撞机率很高，因此很容易会发生气相反应，使得所沈积的薄膜中会包含微粒。通常在集成电路制程中。APCVD只应用于成长保护钝化层。此外，粉尘也会卡在沉积室壁上，因此须要经常清洗沉积室。

图（六）大气压化学气相沉积(APCVD)系统结构示意图

4-5 低压化学气相沉积系统

低压化学气相沉积(LPCVD)是在低于大气压状况下进行沉积。图（六）是一个典型的低压化学气相沉积系统的结构示意图。在这个系统中沉积室(deposition chamber)是由石英管(quartz tube)所构成，而芯片则是竖立于一个特制的固定架上，这是一种『批次型式』(batch-type)的沉积制程方式。这种系统是一个热壁系统，加热装置是置于石英管外。在LPCVD系统中须要安装一个真空帮浦，使沉积室内保持在所设定的低压状况，并且使用压力计来监控制程压力。在『三区高温炉』(3-zone furnace)中温度是由气体入口处往出口处逐渐升高，以弥补由于气体浓度在下游处的降低，所可能造成的沉积速率不均匀现象。

与APCVD系统相比较，LPCVD系统的主畏优点在于具有优异的薄膜均匀度，以及较佳的阶梯覆盖能力，并且可以沉积大面积的芯片；而LPCVD的缺点则是沉积速率较低，而且经常使用具有毒性、腐蚀性、可燃性的气体。由于LPCVD所沈积的薄膜具有较优良的性质，因此在集成电路制程中LPCVD是用以成长磊晶薄膜及其化品质要求较高的薄膜。

图（七）低压化学气相沉积（LPCVD）系统结构示意图

4-6 电浆辅助化学气相沉积系统

电浆辅助化学气相沉积（PECVD）系统使用电浆的辅助能量，使得沉积反应的温度得以降低。在PECVD中由于电浆的作用而会有光线的放射出来，因此又称为『辉光放射』(glow discharge)系统。图（七）是一个PECVD系统的结构示意图。图中沉积室通常是由上下的两片铝板，以及铝或玻璃的腔壁所构成的。膑体内有上下两块铝制电极，芯片则是放置于下面的电极基板之上。电极基板则是由电阻丝或灯泡加热至100℃至400℃之间的温度范围。当在二个电极板间外加一个13.56MHz的『射频』(radio frequency，缩写RF)电压时，在二个电极之间会有辉光放射的现象。工作气体则是由沉积室外缘处导入，并且作径向流动通过辉光放射区域，而在沉积室中央处由真空帮浦加以排出。

PECVD的沈积原理与一般的CVD之间并没有太大的差异。电浆中的反应物是化学活性较高的离子或自由基，而且基板表面受到离子的撞击也会使得化学活性提高。这两项因素都可促进基板表面的化学反应速率，因此PECVD在较低的温度即可沈积薄膜。在集成电路制程中，PECVD通常是用来沉积SiO2 与Si3N4 等介电质薄膜。PECVD的主畏优点是具有较低的沉积温度；而PECVD的缺点则是产量低，容易会有微粒的污染。而且薄膜中常含有大量的氢原子。

图（八）电浆辅助化学气相沉积系统的结构示意图

5 CVD与PVD之比较

1. 选材：

化学蒸镀－装饰品、超硬合金、陶瓷
物理蒸镀－高温回火之工、模具钢

2. 蒸镀温度、时间及膜厚比较

化学蒸镀－1000℃附近，2~8小时，1~30μm(通常5~10μm)
物理蒸镀－400~600℃，1~3小时，1~10μm

3. 物性比较

化学蒸镀皮膜之结合性良好，较复杂之形状及小孔隙都能蒸镀；唯若用于工、模具钢，因其蒸镀温度高于钢料之回火温度，故蒸镀后需重施予淬火－回火，不适用于具精密尺寸要求之工、模具。

不需强度要求之装饰品、超硬合金、陶瓷等则无上述顾虑，故能适用。物理蒸镀皮膜之结合性较差，且背对金属蒸发源之处理件阴部会产生蒸镀不良现象；但其蒸镀温度可低于工、模具钢的高温回火温度，且其蒸镀后之变形甚微，故适用于经高温回火之精密工、模具。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/14/2008)


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