半導(dǎo)體制程之薄膜沉積

在半導(dǎo)體組件工業(yè)中，為了對(duì)所使用的材料賦與某種特性，在材料表面上常以各種方法形成被膜而加以使用，假如此被膜經(jīng)由原子層的過程所形成，一般稱為薄膜沈積(蒸鍍處理)。采用蒸鍍處理時(shí)，以原子或分子的層次控制蒸鍍粒子使其形成被膜，因此可以得到以熱平衡狀態(tài)無法得到的具有特殊構(gòu)造及功能的被膜。薄膜沈積依據(jù)沈積過程中，是否含有化學(xué)反應(yīng)的機(jī)制，可以區(qū)分為物理氣相沈積（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD）通常稱為物理蒸鍍及化學(xué)氣相沈積（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）通常稱為化學(xué)蒸鍍。以下將分別介紹。
3.1薄膜沈積機(jī)制
薄膜的成長是一連串復(fù)雜的過程所構(gòu)成的。圖（一）為薄膜成長機(jī)制的說明圖。圖中首先到達(dá)基板的原子必須將縱向動(dòng)量發(fā)散，原子才能『吸附』(adsorption)在基板上。這些原子會(huì)在基板表面發(fā)生形成薄膜所須要的化學(xué)反應(yīng)。所形成的薄膜構(gòu)成原子會(huì)在基板表面作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象稱為吸附原子的『表面遷徙』(surface migration)。當(dāng)原子彼此相互碰撞時(shí)會(huì)結(jié)合而形成原子團(tuán)，此過程稱為『成核』(nucleation)。
原子團(tuán)必須達(dá)到一定的大小之后，才能持續(xù)不斷穩(wěn)定成長。因此小原子團(tuán)會(huì)傾向彼此聚合以形成一較大的原子團(tuán)，以調(diào)降整體能量。原子團(tuán)的不斷成長會(huì)形成『核島』(island)。核島之間的縫隙須要填補(bǔ)原子才能使核島彼此接合而形成整個(gè)連續(xù)的薄膜。而無法與基板鍵結(jié)的原子則會(huì)由基板表面脫離而成為自由原子，這個(gè)步驟稱為原子的『吸解』(desorption)。PVD與CVD的差別在于：PVD的吸附與吸解是物理性的吸附與吸解作用，而CVD的吸附與吸解則是化學(xué)性的吸附與吸解反應(yīng)。

圖（一）薄膜沈積機(jī)制
3.2物理氣相沉積
PVD顧名思義是以物理機(jī)制來進(jìn)行薄膜沈積而不涉及化學(xué)反應(yīng)的制程技術(shù)，所謂物理機(jī)制是物質(zhì)的相變化現(xiàn)象，如蒸鍍(Evaporation)，蒸鍍?cè)?鍍層的材料來源)由固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，濺鍍（Sputtering），蒸鍍?cè)磩t由固態(tài)轉(zhuǎn)化為電漿(經(jīng)通電離子化的氣體)態(tài)。 PVD法是以真空、濺射、離子化、或離子束等法使純金屬揮發(fā)，與碳化氫、氮?dú)獾葰怏w作用，在加熱至400~600℃（1~3小時(shí)）的工件表面上，蒸鍍碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等1~10μm厚之微細(xì)粒狀晶薄膜，因其蒸鍍溫度較低，結(jié)合性會(huì)稍差（無擴(kuò)散結(jié)合作用），且背對(duì)金屬蒸發(fā)源之工件會(huì)產(chǎn)生蒸鍍不良現(xiàn)象。其優(yōu)點(diǎn)為蒸鍍溫度較低，適用于經(jīng)淬火－高溫回火之工、模具。若以回火溫度以下之低溫蒸鍍，其變形量極微，可維持高精密度，蒸鍍后不須再加工。
常見的PVD法分為三種：
(一) 蒸鍍：在高真空狀況下，將所要蒸鍍的材料利用熱電阻、輻射、電子束或電弧等方式加熱達(dá)到熔化溫度，使原子蒸發(fā)，到達(dá)并附著在基板表面上。蒸鍍時(shí)，基材屬于基態(tài)。
(二) 濺鍍：電漿內(nèi)所產(chǎn)生的部份離子，脫離電漿并往陰極板(靶材)移動(dòng)，經(jīng)加速的離子轟撞，在陰電極板的表面除產(chǎn)生二次電子外，還擊出電極板原子。 被擊出的電極板原子將進(jìn)入電漿內(nèi)，且最后傳遞到另一個(gè)放置有芯片的電極板的表面。這些被吸附在芯片表面的吸附原子，將進(jìn)行薄膜的沈積。

圖(二) 濺鍍系統(tǒng)
(三) 離子鍍：材料蒸發(fā)后，在通往基材的途中經(jīng)
激發(fā)（如離子鎗轟擊或輝光放電），使蒸發(fā)的原子產(chǎn)生離子化，此經(jīng)激發(fā)的離子化蒸汽原子擁有高能量，能在基材表面產(chǎn)生高附著性，同時(shí)也易與通入反應(yīng)腔的氣體發(fā)生反應(yīng)以鍍化合物鍍層
表(一) 三種PVD法之比較
3.3化學(xué)氣相沉積
CVD是將反應(yīng)源以氣體形式通入反應(yīng)腔中，經(jīng)由氧化還原或與基板反應(yīng)之方式進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，其生成物藉內(nèi)擴(kuò)散作用而沈積基板表面上。CVD法是將金屬氯化物、碳化氫、氮?dú)獾葰怏w導(dǎo)入密閉之容器內(nèi)，在真空、
低壓、電漿等氣氛狀況下把工作加熱至1000℃附近2~8小時(shí)，將所需之碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等柱狀晶薄膜沈積在工件表面，膜厚約1~30μm（5~10μm），結(jié)合性良好（蒸鍍溫度高，有擴(kuò)散結(jié)合現(xiàn)象），較復(fù)雜之形狀及小孔隙都能蒸鍍；唯若用于工、模具鋼，因其蒸鍍溫度高于鋼料之回火溫度，故蒸鍍后需重新施予淬火－回火，不適用于具尺寸精密要求之工、模具。圖(三)為典型CVD裝置圖。
化學(xué)氣相沈積程所包含的主要機(jī)制為：(a)首先在沈積室中導(dǎo)入反應(yīng)氣體，以及稀釋用的惰性氣體所構(gòu)成的混合氣體，『主氣流』(mainstream)、(b)主氣流中的反應(yīng)氣體原子或分子往內(nèi)擴(kuò)散移動(dòng)通過停滯的『邊界層』(boundary layer)而到達(dá)基板表面、(c)反應(yīng)氣體原子被『吸附』(adsorbed)在基板上、(d)吸附原子(adatoms)在基板表面遷徙，并且產(chǎn)生薄膜成長所須要的表面化學(xué)反應(yīng)、(e)表面化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣庇生成物被『吸解』(desorbed)，并且往外擴(kuò)散通過邊界層而進(jìn)入主氣流中，并由沈積室中被排除。
圖（四） 化學(xué)氣相沈積的五個(gè)主要機(jī)制
影響薄膜成長的因素有：
?(一) 反應(yīng)爐中的溫度與氣流：近基板處劇烈的溫度梯度(80~120oC/mm)將強(qiáng)烈影響氣體的擴(kuò)散，并造成厚度不

?一致或摻雜不均勻。而蒸氣壓梯度則會(huì)與溫度梯度造成類似的影響。
圖(五) 反應(yīng)爐內(nèi)的溫度梯度與蒸氣壓梯度
?(二) 基板的預(yù)先處理：表面不平整、外來粒子或是污染物都有可能導(dǎo)致薄膜缺陷。一般進(jìn)行CVD之前，必須先做化學(xué)清理:去油(degrease)→氧化(oxidation)→刻蝕(etching)→清洗(rinse)
?(三) 基板的方向：基板表面位置的原子、分子密度、幾何排列和鍵結(jié)的數(shù)量與性質(zhì)，都會(huì)影響薄膜成長。

?(四) 蒸鍍溫度：比起不可逆反應(yīng)，可逆反應(yīng)通常需要較高的蒸鍍溫度。若達(dá)到高溫限時(shí)，可逆反應(yīng)將會(huì)發(fā)生氣相蝕刻，不可逆反應(yīng)則會(huì)發(fā)生過早的沉積。若溫度過低而達(dá)到低溫限，則會(huì)有結(jié)晶不良且容易被污染的狀況。
在集成電路制程中，經(jīng)常使用的CVD技術(shù)有： (一)『大氣壓化學(xué)氣相沈積』(atmospheric pressure CVD)系統(tǒng)：在近于大氣壓的狀況下進(jìn)行化學(xué)氣相沈積的系統(tǒng) (二) 『低壓化學(xué)氣相沈積』(low pressure CVD)系統(tǒng)：
LPCVD是在27~270Pa的壓力下進(jìn)行化學(xué)氣相沈積的，因其生成環(huán)境壓力低而有此名，由于其生成膜的質(zhì)量和均勻性好，且成本低，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此在半導(dǎo)體集成電路制程工業(yè)多采此法。低壓化學(xué)氣相沈積是在爐管中完成的，將氣體反應(yīng)物通入爐管中，反應(yīng)后形成所需的物質(zhì)在芯片上。 (三)『電漿增加化學(xué)氣相沈積』(plasma enhanced CVD)系統(tǒng)：PECVD法中，反應(yīng)氣體從輝光放電等離子場(chǎng)中獲得能量，激發(fā)并增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣相沈積的技術(shù)。其中所用的發(fā)光放電等離子體屬于非平衡等離子體。在此類的等離子體中，自由電子的絕對(duì)溫度通常比平均氣體溫度高1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，這些高能電子撞擊反應(yīng)物氣體分子，使之激發(fā)并電離，產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)很活潑的自由基團(tuán)，并使硅的表面產(chǎn)生更為活潑的表面結(jié)構(gòu)，從而加快了低溫下的化學(xué)反應(yīng)。在表（二）中將上述的三種CVD制程間的相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)加以列表比較，并且就CVD制程在集成電路制程中的各種可能的應(yīng)用加以歸納。
表(二) 各種CVD制程的優(yōu)缺點(diǎn)比較及其應(yīng)用

化學(xué)與半導(dǎo)體