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半導(dǎo)體技術(shù)中的薄膜沉積
閱讀：3489 發(fā)布時(shí)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(zhǎng)的過(guò)程。薄膜的生成質(zhì)量以及膜厚檢測(cè)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(lèi)：
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(shí)，具備飽和蒸汽壓，來(lái)沉積薄膜的過(guò)程。
濺 鍍（Sputtering）
利用離子對(duì)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(lái)進(jìn)行二氧化硅層的成長(zhǎng)，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(zhǎng)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(guò)程，有著不同的工作溫度、壓力與反應(yīng)氣體，統(tǒng)稱(chēng)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(shí)，迅速完成化學(xué)反應(yīng)，對(duì)于化學(xué)氣相沉積來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)的薄膜，冷卻至常溫后，會(huì)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(lái)，在制程技術(shù)上面臨的問(wèn)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(jiǎn)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(lèi)似。欲成長(zhǎng)材料化學(xué)蒸氣自爐管上游均勻流向硅晶，至于何以會(huì)沉積在硅晶表面，可簡(jiǎn)單地以邊界層 (boundary layer) 理論作定性說(shuō)明：
當(dāng)具黏性的化學(xué)蒸氣水平吹拂過(guò)硅芯片時(shí)，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(huì)施予一拖曳外力，拖住化學(xué)蒸氣分子；同時(shí)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(lái)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(zhǎng)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(shì)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(wèn)題；因?yàn)槠桨暹吔鐚訂?wèn)題的假設(shè)已不合適，化學(xué)蒸氣在經(jīng)過(guò)片晶圓后，黏性
半導(dǎo)體技術(shù)－薄膜沉積
流場(chǎng)立即進(jìn)入分離 (separation) 的狀態(tài)，逆壓力梯度 (reversed pressure gradient) 會(huì)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(gè)解決厚度均勻性的可行之道。原來(lái)依定義黏性流特性的雷諾數(shù) 觀察，動(dòng)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(dòng)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(dòng)，故盡管化學(xué)蒸氣變得稀薄，使沉積速度變慢，但其經(jīng)過(guò)數(shù)十片重重的晶圓后，仍無(wú)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(wèn)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(lái)源，供化學(xué)沉積之用。由于低壓對(duì)于厚度均勻性的必要性，開(kāi)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(guò)LPCVD。
PECVD 與 RIE 兩機(jī)臺(tái)運(yùn)作原理極為相似，前者用電漿來(lái)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(chēng)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(jí)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(jì)、管路設(shè)計(jì)、與價(jià)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(lèi)機(jī)臺(tái)。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(huì)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(guò)臨界限度，也開(kāi)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(shuō)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(wèn)題。為此，芯片承載臺(tái)加上公自轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，便用于上述兩問(wèn)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(wú)關(guān)系。就如同將石頭丟入一灘泥沼中，會(huì)噴濺出許多泥漿般，濺鍍利用氬氣電漿，高速?zèng)_擊受鍍靶材 (target)，因而將靶材表面附近材質(zhì)噴濺出來(lái)，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(lái)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(méi)有斷線不連續(xù)或所謂階梯披覆的問(wèn)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。基本上，兩種濺鍍機(jī)都可鍍著金屬薄膜。但后者特別可以針對(duì)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(duì)堆棧方式相當(dāng)敏感」等智能型薄膜之鍍著特征 。