半導體制程之薄膜沉積

在半導體組件工業中，為了對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，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無法得到的具有特殊構造及功能的被膜。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。以下將分別介紹。
3.1薄膜沈積機制
薄膜的成長是一連串復雜的過程所構成的。圖（一）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，此過程稱為『成核』(nucleation)。
原子團必須達到一定的大小之后，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性的吸附與吸解反應。

圖（一）薄膜沈積機制
3.2物理氣相沉積
PVD顧名思義是以物理機制來進行薄膜沈積而不涉及化學反應的制程技術，所謂物理機制是物質的相變化現象，如蒸鍍(Evaporation)，蒸鍍源(鍍層的材料來源)由固態轉化為氣態，濺鍍（Sputtering），蒸鍍源則由固態轉化為電漿(經通電離子化的氣體)態。 PVD法是以真空、濺射、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，結合性會稍差（無擴散結合作用），且背對金屬蒸發源之工件會產生蒸鍍不良現象。其優點為蒸鍍溫度較低，適用于經淬火－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到熔化溫度，使原子蒸發，到達并附著在基板表面上。蒸鍍時，基材屬于基態。
(二) 濺鍍：電漿內所產生的部份離子，脫離電漿并往陰極板(靶材)移動，經加速的離子轟撞，在陰電極板的表面除產生二次電子外，還擊出電極板原子。 被擊出的電極板原子將進入電漿內，且最后傳遞到另一個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，將進行薄膜的沈積。

圖(二) 濺鍍系統
(三) 離子鍍：材料蒸發后，在通往基材的途中經
激發（如離子鎗轟擊或輝光放電），使蒸發的原子產生離子化，此經激發的離子化蒸汽原子擁有高能量，能在基材表面產生高附著性，同時也易與通入反應腔的氣體發生反應以鍍化合物鍍層
表(一) 三種PVD法之比較
3.3化學氣相沉積
CVD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。CVD法是將金屬氯化物、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），較復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。
化學氣相沈積程所包含的主要機制為：(a)首先在沈積室中導入反應氣體，以及稀釋用的惰性氣體所構成的混合氣體，『主氣流』(mainstream)、(b)主氣流中的反應氣體原子或分子往內擴散移動通過停滯的『邊界層』(boundary layer)而到達基板表面、(c)反應氣體原子被『吸附』(adsorbed)在基板上、(d)吸附原子(adatoms)在基板表面遷徙，并且產生薄膜成長所須要的表面化學反應、(e)表面化學反應所產生的氣庇生成物被『吸解』(desorbed)，并且往外擴散通過邊界層而進入主氣流中，并由沈積室中被排除。
圖（四） 化學氣相沈積的五個主要機制
影響薄膜成長的因素有：
?(一) 反應爐中的溫度與氣流：近基板處劇烈的溫度梯度(80~120oC/mm)將強烈影響氣體的擴散，并造成厚度不

?一致或摻雜不均勻。而蒸氣壓梯度則會與溫度梯度造成類似的影響。
圖(五) 反應爐內的溫度梯度與蒸氣壓梯度
?(二) 基板的預先處理：表面不平整、外來粒子或是污染物都有可能導致薄膜缺陷。一般進行CVD之前，必須先做化學清理: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、幾何排列和鍵結的數量與性質，都會影響薄膜成長。

?(四) 蒸鍍溫度：比起不可逆反應，可逆反應通常需要較高的蒸鍍溫度。若達到高溫限時，可逆反應將會發生氣相蝕刻，不可逆反應則會發生過早的沉積。若溫度過低而達到低溫限，則會有結晶不良且容易被污染的狀況。
在集成電路制程中，經常使用的CVD技術有： (一)『大氣壓化學氣相沈積』(atmospheric pressure CVD)系統：在近于大氣壓的狀況下進行化學氣相沈積的系統 (二) 『低壓化學氣相沈積』(low pressure CVD)系統：
LPCVD是在27~270Pa的壓力下進行化學氣相沈積的，因其生成環境壓力低而有此名，由于其生成膜的質量和均勻性好，且成本低，易于實現自動化，因此在半導體集成電路制程工業多采此法。低壓化學氣相沈積是在爐管中完成的，將氣體反應物通入爐管中，反應后形成所需的物質在芯片上。 (三)『電漿增加化學氣相沈積』(plasma enhanced CVD)系統：PECVD法中，反應氣體從輝光放電等離子場中獲得能量，激發并增強化學反應，從而實現化學氣相沈積的技術。其中所用的發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，自由電子的絕對溫度通常比平均氣體溫度高1到2個數量級，這些高能電子撞擊反應物氣體分子，使之激發并電離，產生化學性質很活潑的自由基團，并使硅的表面產生更為活潑的表面結構，從而加快了低溫下的化學反應。在表（二）中將上述的三種CVD制程間的相對優缺點加以列表比較，并且就CVD制程在集成電路制程中的各種可能的應用加以歸納。
表(二) 各種CVD制程的優缺點比較及其應用

化學與半導體