半導體廠薄膜區簡介

半導體廠一般來說以其製程分成四個區域黃光、擴散、蝕刻、薄膜，薄膜區 主要負責的部分為在半導體體中需鍍膜的製程，其中機台包含金屬濺鍍機、大氣 化學氣相沉積、電漿化學氣相沉積、鎢化學氣氣相沉積、平坦化製程等機型，其 主要製造金屬導線及其介電層。

3.1.1 何謂薄膜沈積

在半導體工業領域，為了對所使用的材料賦與某種特性在材料表面上以各種 方法形成被膜（一層薄膜）。

薄膜沈積依據沈積過程中，是否含有化學反應的機制，可以區分為物理氣相沈 積（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD）通常稱為物理蒸鍍及化學氣相沈積

（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）通常稱為化學蒸鍍。

隨著沈積技術及沈積參數差異，所沈積薄膜的結構可能是『單晶』、『多晶』、

或『非結晶』的結構。單晶薄膜的沈積在積體電路製程中特別重要，稱為是『磊 晶』(epitaxy)。相較於晶圓基板，磊晶成長的半導體薄膜的優點主要有：可以在沈 積過程中直接摻雜施體或受體，因此可以精確控制薄膜中的『摻質分佈』(dopant profile)，而且不包含氧與碳等雜質。

3.1.2 薄膜沈積機制

薄膜的成長是一連串複雜的過程所構成的。圖3-1.為薄膜成長機制的說明圖。

圖中首先到達基板的原子必須將縱向動量發散，原子才能『吸附』(adsorption)在 基板上。這些原子會在基板表面發生形成薄膜所須要的化學反應。所形成的薄膜 構成原子會在基板表面作擴散運動，這個現象稱為吸附原子的『表面遷徙』(surface migration)。當原子彼此相互碰撞時會結合而形成原子團過程，稱為『成核』

(nucleation)。

原子團必須達到一定的大小之後，才能持續不斷穩定成長。因此小原子團會 傾向彼此聚合以形成一較大的原子團，以調降整體能量。原子團的不斷成長會形

成『核島』(island)。核島之間的縫隙須要填補原子才能使核島彼此接合而形成整 個連續的薄膜。而無法與基板鍵結的原子則會由基板表面脫離而成為自由原子，

這個步驟稱為原子的『吸解』(desorption)。PVD與CVD的差別在於：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性的吸附與吸 解反應。

圖3-1.薄膜沈積機制的說明圖

3.1.3 物理氣相沈積（物理蒸鍍）（PVD）

物理氣相沈積顧名思義是以物理機制來進行薄膜湚積而不涉及化學反應的製 程技術，所謂物理機制是物質的相變化現象，如蒸鍍(Evaporation)，蒸鍍源由固態 轉化為氣態濺鍍（Sputtering），蒸鍍源則由氣態轉化為電漿態。

物理氣相沈積法係以真空、測射、離子化、或離子束等法使純金屬揮發，與碳 化氫、氮氣等氣體作用，在加熱至400~600℃（1~3小時）的工件表面上，蒸鍍碳 化物、氮化物、氧化物、硼化物等1~10μm厚之微細粒狀晶薄膜，因其蒸鍍溫度較 低，結合性稍差（無擴散結合作用），且背對金屬蒸發源之工件陰部會產生蒸鍍 不良現象。其優點為蒸鍍溫度較低，適用於經淬火－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，蒸鍍後不須再加工。

表3-1.為各種物理氣相沈積法的比較。

物理氣相沈積(Physical Vapor Deposition，PVD)是今日在半導體製程中，被廣 泛運用於金屬鍍膜的技術。以現今之金屬化製程而言：舉凡Ti、TiW等所謂的反擴 散層(Barrier Layer)，或是黏合層(Glue Layer)；Al之栓塞(plug)及導線(Interconnects) 連接，以及高溫金屬如Wsi、W、Co等，都使用物理氣相沈積法來完成。雖然小尺 寸的金屬沈積以化學氣相沈積為佳，但物理氣相沈積法可說在半導體製程上，仍 扮演著舉足輕重的角色。

物理氣相沈積法可包含下列三種不同之技術：

(一) 蒸鍍(Evaporation)

(二) 分子束磊晶成長(Molecular Beam Epitaxy，MBE) (三) 濺鍍(Sputter)

表3-2.為此三種方法之比較。由於濺鍍可以同時達成極佳的沈積效率、大尺 寸的沈積厚度控制、精確的成份控制及較底的製造成本。所以濺鍍是現今為矽基 半導體工業所唯一採用的方式。至於蒸鍍及分子束磊晶成長之應用，現在大約皆

表3-1. 三種物理氣相沈積法之比較

粒子能量 很低0.1~0.5eV 可提高1~100eV 可提高1~100Ev 惰性氣體離子衝擊 通常不可以 可，或依形狀不可 可

表面與層間的混合 通常無 可 可

加熱（外加熱） 可，通常有 通常無 可，或無

蒸鍍速率10^-9m/sec 1.67~1250 0.17~16.7 0.50~833

表3-2. 三種物理氣相沈積法之比較 勻覆蓋(Conformal)的金屬膜，進而影響鎮洞(Hole Filling)或栓塞(Plug-In)的能力；

因此，現在濺鍍技術的重點，莫不著重於改進填洞時之階梯覆蓋率(Step

Coverage)，以增加Ti/TiN反擴散層/黏合層/濕潤層(wetting Layer)等之厚度，或是發 展鋁栓塞(Al-plug)及平坦化製程(Planarization)，以改善元件之電磁特性，並簡化製 造流程，降低成本等。

3.1.4 蒸鍍(Evaporation)原理

蒸鍍是在高真空狀況下，將所要蒸鍍的材料利用電阻或電子束加熱達到熔化溫 度，使原子蒸發，到達並附著在基板表面上的一種鍍膜技術。

在蒸鍍過程中，基板溫度對蒸鍍薄膜的性質會有很重要的影響。通常基板也

須要適當加熱，使得蒸鍍原子具有足夠的能量，可以在基板表面自由移動，如此 才能形成均勻的薄膜。基板加熱至150℃以上時，可以使沈積膜與基板間形成良好 的鍵結而不致剝落。

3.1.5 濺鍍的原理

電漿(Plasma)是一種遭受部份離子化的氣體(Partially lonized Gases)。藉著在兩個 相對應的金屬電極板(Electrodes)上施以電壓，假如電極板間的氣體分子濃度在某 一特定的區間，電極板表面因離子轟擊(Ion Bombardment)所產生的二次電子 (Secondary Electrons)，在電極板所提供的電場下，將獲得足夠的能量，而與電極 板間的氣體分子因撞擊而進行所謂的”解離(Dissociation)”，”離子(Ionization)”，及”

激發(Excitation)”等反應，而產生離子、原子、原子團(Radicals)，及更多的電子，

以維持電漿內各粒子間的濃度平衡。（詳見表3-3）

表3-3 二次電子與氣體分子之撞擊狀況

1.分子分解 (Molecular Dissociation) ｅ^－+A₂→A+A+ｅ^－ 2.原子電離 (Atomic Ionization)

ｅ^－+A→A⁺+2ｅ^－ 3.分子電離 (Molecular Dissociation)

ｅ^－+A2→A2+

+2ｅ^－ 4.原子激發 (Atomic Excitation)

ｅ^－+A→A^*+ｅ^－ 5.分子激發 (Molecular Excitation)

ｅ^－+A₂→A2*

+ｅ^－

圖3-2.顯示一個DC電漿的陰極電板遭受離子轟擊的情形。脫離電將的帶正電 荷離子，在暗區的電場加速下，將獲得極高的能量。當離子與陰電極產生轟擊之 後，基於動量轉換(Momentum Transfer)的原理，離子轟擊除了會產生二次電子以 外，還會把電極板表面的原子給”打擊”出來，這個動作，我們稱之為”濺擊 (Sputtering)”

這些被擊出的電極板原子將進入電漿裡，然後利用諸如擴散(Diffusion)等的方式，

最後傳遞到晶片的表面，並因而沈積。這種利用電漿獨特的雕子轟擊，以動量轉 換的原理，在氣相中(Gas Phase)製備沈積元素以便進行薄膜沈積的PVD技術，稱 之為”測鍍(sputtering Deposition)。”基於以上的模型，測鍍的沈積機構，大致上可 以區分為以下幾個步驟：

(1) 電漿內所產生的部份離子，將脫離電漿並往陰極板移動。

(2) 經加速的離子將轟撞(Bombard)在陰電極板的表面除產生二次電子外，且因此

(3) 被擊出的電極板原子將進入電漿內，且最後傳遞到另一個放置有晶片的電極板 的表面。

(4) 這些被吸附(Adsorded)在晶片表面的吸附原子(Adatoms)，將進行薄膜的沈積。

圖3-2 顯示電漿產生的基本結構，及離子濺擊

3.1.6 離子化金屬電漿(Ionized Metal Plasma，簡稱IMP)

離子化金屬電漿技術，應用了較一般金屬測鍍高上10-100倍的電漿密度。離 子化金屬電漿的基本示意圖，如圖3-3.所示，這其中包含了一組傳統的磁式直流電 源(Magnetion DC Power)，以及另一組無線電頻率之交流電(RF Power)。由

Magnetion DC Power產生的電漿，用以將靶極上的金屬原子濺射出來。當這些金 屬原子行經濺鍍室中的空間時，若通入較高的製程氣壓，則這些金屬原子便有大 幅的機會，與氣體產生大量碰撞，因而首先被”熱激化”(Thermally Activated)；若 與此同時，施與RF power之電磁震盪，因此加速這些金屬與氣體及電子間的碰撞，

則便有大量的濺鍍金屬可被”離子化”(Ionized)，而不再如傳統濺鍍的是中性原子，

也因此IMP電漿密度會較一般濺鍍為高，大約是在1011至1012cm-3之間。這些離 子化的濺鍍金屬，會因在晶圓台座上，所自然因電漿而形成之自生負偏壓

(Self-Bias)，而被直線加速往晶圓表面前進。如此一來，便可獲致方向性極佳的原 子流量（換句話說，極優異的底部覆蓋率），與不錯的沈積速率。此外，我們亦 可在晶圓台座上選擇性地裝上另一組RF偏壓，以期達到更佳的底部覆蓋率，並且 更可藉此改變沈積薄膜的晶體結構。

圖3-3 離子化金屬電漿示意圖

如上所述，濺鍍金屬被離子化的機率，取決於其停留在電漿中的時間。若停 留時間愈長，則其被熱淚化與離子化的機率也愈大。通常由靶極被濺射下來的金 屬原子，都帶有極高的能量（-1到10eV）與極高的速度。這些高速原子在電漿中 停留時間極短，便會到達晶圓表面，而無法被有效的離子化。因此離子化金屬電 漿必須藉金屬原子與氣體之有效碰撞，來減慢其速度，以增長其停留時間。也因 此，離子化金屬電漿必須在較高的壓力下操作(~>10mtorr)，以便先增加金屬與氣 體碰撞的機會。

與傳統濺鍍相比，離子化金屬電漿有較低及更均勻分佈的電阻值，同時離子化 金屬電漿亦可以沈積較少之厚度，仍可達到所需的底部覆蓋厚度。如此一來，不 僅可直接減少金屬沈積的成本，更因沈積時間亦得以縮短，整體的晶片產能率 (Throughput)，將得以提高，所以製造成本(Cost of Owner ship , COO)將遠較傳統濺 鍍為低。

3.1.7 化學氣相沈積（化學蒸鍍）（CVD）

化學氣相沈積是將反應源以氣體形式通入反應腔中，經由氧化，還原或與基 板反應之方式進行化學反應，其生成物藉內擴散作用而沈積基板表面上。

化學氣相沈積法係將金屬氯化物、碳化氫、氮氣等氣體導入密閉之容器內，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，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），結合性良好（蒸鍍溫度高，有擴散結合現象），較複雜之形狀及小 孔隙都能蒸鍍；唯若用於工、模具鋼，因其蒸鍍溫度高於鋼料之回火溫度，故蒸 鍍後需重新施予淬火－回火，不適用於具尺寸精密要求之工、模具。

圖3-4 典型之CVD裝置示意圖

3.1.8 化學氣相沈積原理

3.1.8 化學氣相沈積原理