薄膜沉积pvd和cvd

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1、薄膜沈積在晶片上形成薄膜之技術，可分為：1.薄膜成長:會消耗晶片或底材的材料2.薄膜沈積:物理氣相沈積(PhysicalVaporDeposition,PVD)化學氣相沈積(ChemicalVaporDeposition,CVD)物理氣相沈積1.蒸鍍:將被蒸鍍物體加熱(電阻式或電子束)，利用其在高溫時所具備的飽和蒸氣壓來進行薄膜的沈積簡易真空蒸鍍機：‧蒸鍍室‧蒸鍍源‧坩堝：鎢，鉬，鉭材料缺點：a.合金或是化合物的沈積成分控制不佳b.階梯覆蓋能力差2.濺鍍：利用電漿內所產生的部分離子加速轟擊置於陰極板的電極材料(target)，所擊出的原子沈積於另一電極的表面二次電子濺鍍設備1.傳統式：直流電漿

2、，磁控DC增加沉積速率DC濺鍍機的基本構造圖磁控DC濺鍍機的構造a.金屬材料在VLSI製程的應用有(1)導線金屬,Runner(2)接觸金屬,ContactMetal(3)阻障金屬,BarrierMetal瓶頸:b.階梯覆蓋能力問題利用濺鍍所沈積的導線層或阻障層濺鍍設備2.準直管法(Collimator)：T/W：1/1到2/1之間缺點:準直管的維護高成本較昂貴濺鍍設備3.長投法(LongThrow)：可視為一個單一的準直管缺點:沉積慢濺鍍設備4.離子化法(IonizedPVD)：於濺鍍室的周圍加一RF線圈以增加金屬粒子留滯於電漿內之時間，進而提高金屬粒子被離子化的機會，使得這些被離子化的金屬

3、粒子傾向以和晶片表面垂直的方向移動需較高的氣體壓力下操作:約20~35mtorr之間濺鍍設備導線孔洞問題由以下兩種方法解決：5.高溫法:增加晶片進行沉積時的表面溫度，傳統濺鍍溫度大多低於300℃。至於高溫法，溫度在450℃以上，甚至高達550℃左右。此方法主要針對鋁之濺鍍（稱高溫鋁製程）6.高壓法:將濺鍍室操作壓力提高到數百個大氣壓力(atm)，利用氣壓對沉積薄膜施加的應力提升濺鍍的填洞能力(一般濺鍍壓力在數個mtorr到數十個mtorr之間，此方法同樣針對鋁。氣體壓力約在600到700atm間。鋁合金的濺鍍製程1.鋁特性：低電阻率(約3Ω-cm)，對二氧化矽附著性佳，易以乾式蝕刻加工(BCl

4、3/Cl2)2.鋁合金：加入1%矽與0.5%銅a.尖峰現象b.電致遷移缺點：乾蝕刻時較困難VLSI之應用：導線VLSI製程中，鋁單純的作為導線使用許多VLSI廠為節省成本採用高溫或高壓法直接將鋁合金填入接觸洞鋁導線鎢插塞接觸金屬的濺鍍製程為降低金屬與矽相接觸的接觸電阻，我們會在這兩者間加入一層接觸金屬，最常用的材料為鈦(Titanium)。1.自行對準鈦矽化物(Self-AlignedTi-Silicide)：Salicide2.自行對準矽化物鈷(Self-AlignedCo-Silicide)：進入0.18μm以下的salicide主要製程之一，其主要優點有：(a)熱處理溫度較低(b)CoS

5、i2與SiO2之間化性穩定阻障金屬的濺鍍製程為防止鋁與矽發生尖峰現象，通常於其間加入一層阻障金屬層，至於插塞鎢因為鎢的CVD反應氣體與底材矽會發生反應，因而造成接合漏電或接觸失敗等問題。所以也會在鎢與矽之間加入阻障金屬，常見的金屬有:1.氮化鈦(TiN)2.鈦鎢合金(TiW)3.Ta與TaN:主要作為銅製程阻障層材料銅:(a)低電阻率(銅約1.8μΩ-cm，鋁約3μΩ-cm)(b)與SiO2附著力不佳(c)對SiO2及矽擴散速率快，易造成元件惡化化學氣相沈積利用化學反應將反應物（通常為氣體）生成固態的生成物沉積於晶片表面之技術，簡稱CVD。所沉積的薄膜包含，導體、半導體、介電材料。主要的材料有

6、：導體:WSix，W，TiN介電材料:SiO2，Si3N4，PSG，BPSG半導體:polySi，amorphousSi磊晶（epitaxy）：c-SiCVD原理1.雷諾係數(ReynoldsNumber)，Re：Re=dρv/μ其中d：流體流經管徑ρ：流體密度v：流體流速μ：流體黏度層流(laminarflow)：Re<2100擾流(turbulentflow)：Re>2100分子流(molecularflow)：＊CVD的設計希望氣體以層流方式進行CVD原理邊界層的厚度δ：將Re代入，δ表示為：CVD原理3.Fick第一擴散定律：擴散流量=F1=-D（△C/△y）=-D(Cs–Cg/△y)

7、當δ~△yF1=D(Cs–Cg/δ)若反應氣體為理想氣體，則PV=nRT所以F1=(D/RTδ)(Pg-Ps)4.F2:氣體分子在晶片表面進行化學反應所消耗的量F2=KrCs其中Kr：沉積的反應數率常數CVD原理5.平衡時:F1=F2Cs=Cg/〔1+（Krδ/D）〕Cs=Cg/1+ShSh=Krδ/D(a)Sh﹤﹤1（表面反應限制）：Cs～Cg(b)Sh﹥﹥1（擴散限制或質傳限制）：Cs～0CV