銅金屬薄膜的成長方法

金屬薄膜的製備方法一般可分為三種：第一種為物理氣相沈積(physical vapor deposition, PVD)，其原理為在蒸鍍室裡，對被蒸鍍物提供不同形式之能源，如高溫加熱或是離子撞擊，

藉以增加被蒸鍍物的蒸氣壓，並將其所產生的氣態粒子沈積在基材表面上，製成薄膜。依據 所使用的能源形式不同，物理氣相沈積法(PVD)又可大略分為真空蒸鍍(vacuum evaporation) 及濺鍍(sputtering)兩種。第二種為電鍍法(electroplating)，電鍍法又可分為電鍍(electrolytic)和 無電極電鍍(electroless)。電鍍為一種電沈積過程(electro-deposition process)，是利用電極 (electrode)通過電流，使金屬附著於物體表面上， 其目的是在改變物體表面之特性或尺寸。

而無電鍍不需外加電流，即可在被鍍物上析鍍出所需的金屬鍍層。在無電鍍中，主要是利用 鍍液中添加的還原劑進行氧化還原反應，使溶液中的金屬還原成金屬。而第三種製備薄膜的 方法為化學氣相沈積(chemical vapor deposition, CVD)，化學氣相沈積是藉由氣態之分子化合 物(precursor)經由吸附、擴散、化學反應及揮發性產物脫附等步驟來沈積薄膜於基材表面上。

圖3-1為化學氣相沈積原理之示意圖^【8】。其原理程序大致說明如下：

(1) 運送先驅物到基材。

(2) 吸附先驅物於基材表面上。

(3) 先驅物在基材表面上發生化學反應並產生鍵結。

(4) 反應物、反應中間物及產物在基材表面上擴散(diffusion)。

(5) 基材表面上反應物的長晶(nucleation)及薄膜成長。

器、發光二極體、半導體雷射、光碟、硬碟及精密機械等等)都已被廣泛的應用。現今半導體 工業之銅金屬的沈積方式就是利用上述這些方法，而這些方法的最終目標，在於獲得不含任 何雜質，且電阻值甚低的純金屬銅膜。表3-1為現今各種沈積銅膜技術之比較。

比較化學氣相沈積及物理氣相沈積等沈積方式，可知化學氣相沈積相對於濺鍍或熱蒸鍍 之物理氣相沈積而言是一種不會造成損傷的製程；因物理氣相沈積製程中含有帶電離子或加 速粒子的撞擊。而且化學氣相沈積法具有較佳的填洞能力(hole-filling capacity)與階梯覆蓋率 (step coverage)及選擇性沈積的可能。當線寬達到0.10 µm以下時，因應高深寬比(high aspect ratio)需求，銅製程勢必將改以化學氣相沈積方法成長銅導線或以化學氣相沈積法成長晶種 層。

目前具有量產能力的銅製程已被發展出來，其中銅膜是採用電鍍銅的方式^【9,10】成長，而 電鍍銅之前需先製作一層薄而連續的晶種層(seed layer)，藉以提高附著力及進行電鍍銅的生 長。晶種層必須能夠讓電流沿著鑲嵌結構的表面流過，造成銅膜的成長；晶種層必須薄、均 勻而且連續，如此充填銅時才不會產生空隙。在金屬線寬愈來愈小時，物理氣相沈積(PVD) 晶 種層技術已無法提供良好的階梯覆蓋率及解決突懸問題，而化學氣相沈積(CVD)技術具有階 梯覆蓋能力佳及填洞能力佳之優勢，因此將來必然走向化學氣相沈積(CVD) 晶種層技術，且 電鍍銅膜本身也有再結晶的問題^【11】，所以新世代的銅製程必定是全部以CVD 的方式成長銅 晶種層。因此，發展出一實用的化學氣相沈積銅金屬薄膜的技術已成為一刻不容緩的研究課 題。

表3-1 各種沈積銅薄膜技術之比較^【12】。

性質 CVD PVD Laser Reflow Electroless Electrolytic

電阻值

(μΩ-cm)

> 2 ~1.75 2.6 < 2 < 2

雜質 C,O Ar - seed layer -

沈積速率

(nm/min) ~100 >100 - <100 ~200

製程溫度(℃) ~250 RT Melt 50~60 RT

階梯覆蓋率 良 差 - 良 良

填洞能力 優 差 優 良 良

圖3-1 化學氣相沈積之七個基本機制程序^【8】。

Metal-Organic Molecule

Ligand Metal-Center

Adsorption

Nucleation and growth Diffusion

Reaction Desorption

Transport Transport