物理气相沈积PVD报告.docx

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物理气相沈积PVD报告

本週報告主題：

PVD薄膜製程設備介紹

指導教授：

志中教授

組員名單

吳佳政B85502011

莊永全B85502017

何昕霓B85502056

林建豪B85502059

謝肫仁B85502089

內容大綱------頁次

1.前言------1

2.PVD介紹-----1

3.蒸鍍介紹-----2

4.分子束磊晶生長-----3

5.濺鍍-----3

5.1長距離拋鍍（LongThrow）

5.2直向性柱狀管濺鍍（collimatedFlux）

5.3離子化金屬電漿（IMP）

6.蒸鍍、濺鍍、分子束磊晶成長三者的比較-----8

7.PVD製程設備介紹-----9

7.1蒸鍍

7.2離子化濺鍍的製程設備介紹

8.專利新知-----20

9.未來PVD的發展趨勢-----23

10.Reference-----25

1.前言：

CVD（Chemicalvapordeposition），是透過化學反應將具揮發性的成分與其他氣體反應以產生非揮發性且積在Substrate上的固態產物如生成導體鎢、多晶系，半導體單晶系，絕緣體介電材料PSG等等。

所具備的特點是積的種類多樣化，成本低，且能夠批次處理。

和PVD相較起來，更明顯的優點是在stepcoverage上的表現佳，CVD可避免stepcoverage的情況發生。

但隨著環保的需求逐漸抬頭，CVD製程含大量有毒、易燃燒、易爆炸物質，且CVD的製程中及製程後包含了以水來清洗，或是再燃燒的過程，水洗造成水質污染、再燃燒造成空氣污染，對環境都造成傷害。

而PVD傷害較低，這將是本製程非常重要的優點之一。

本文將先介紹PVD的製程，在比較不同PVD製程後，簡介蒸鍍、濺鍍不同的設備概況。

2.PVD介紹

物理氣相積（PhysicalVaporDeposition,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、TiN、TiW等所謂的「反擴散層」（barrierlayer），或是「黏合層」（gluelayer）;Al之栓塞（plug）及導線連接（interconnect），以及高溫金屬如WSi、W、Co等，都可使用物理氣相積法來完成。

隨著半導體晶片所需金屬層數（metal

layer）愈來愈多，後段金屬鍍膜的比重也愈形重要，估計將來甚至可達到一半以上。

因此而言，物理氣相積法，半導體製程上，扮演著舉足輕重的角色。

一般來說，物理氣相積法可包含下列三種不同之技術:

A.蒸鍍（Evaporation）。

B.分子束磊晶成長（MolecularBeamEpitaxy,MBE）。

C.濺鍍（Sputter）。

3.蒸鍍介紹

表1：

蒸鍍化學過程

以熱將蒸鍍源加熱，使蒸發成蒸氣，到被鍍物上積。

如表1，是蒸鍍在實際過程中所發生的化學反應過程表示式。

蒸鍍以熱將蒸鍍源加熱，使蒸發為蒸氣後積。

所以本製程的缺點在於成分的控制不易，舉表1中的MX分解為例。

由於採用蒸發的方式，若是蒸發化合物，如硫化二銀，就有可能產生硫和銀分解的狀況，使得被鍍物的成分不精確。

此外，在表1的

受熱分解方程式中，Oxides會因熱分解而產生氧氣和還原的元素，但氧氣卻容易被vacuumpump吸收，造成蒸發源和積物之間成分的不相等，發生明顯的成分不精確。

此外，在蒸鍍合金時，被鍍物的鍍膜不會依照合金的比例，反而會依照合金蒸發後的蒸氣壓比鍍在被鍍物上，造成被鍍膜成分的估算錯誤。

4.分子束磊晶生長

此製程有實際執行上的困難度，並不常在工業界中使用，故不討論。

5.濺鍍

濺鍍利用電漿產生的離子，藉著離子對被覆材料電擊靶材的轟擊，使電漿內具有被覆材料的原子，在進行薄膜積反應。

濺鍍本身受到濺射原子，多元散射方向的影響，不易得到在接觸洞（contacthole）連續且均勻覆蓋（conformal）的金屬膜，進而影響填洞（holefilling）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（stepcoverage），以增加Ti/TiN反擴散層/黏合層/濕潤層（wettinglayer）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。

現今傳統的濺鍍方法，無法在小接觸口尺寸及高尺寸比的接觸洞，得到理想的階梯覆蓋率。

過於嚴重的接觸洞口肩部積（shoulder或overhang），常會導致洞口完全被封住。

以致洞口底部留下孔隙（voids），而無法達到所需的積厚度。

下述三種方法即為了改善不良的階梯覆蓋率，而發展出來的技術:

5.1長距離拋鍍（LongThrow）

藉著增加靶極（target）與晶圓間的距離（約一般濺鍍距離的兩倍），並且減少通入氣體之流量（亦即在較低的製程壓力下操作）。

從靶極被濺射而出的金屬原子，便有較大的機率，不致在濺鍍的過程中，與其他金屬原子或氣體分子產生碰撞，而導致斜向之運動。

也就是說LongThrow的精神在於努力提高被濺鍍原子的平均自由路徑（mean-free．path）．以減少其碰撞及散射的機會。

如此一來，可以得到一方向性佳，且垂直於晶圓表面的原子流量（Flux），因此可以明顯改善填洞時對底部的覆蓋率（bottomcoverage）。

然而，LongThrow明顯地積速率偏低，而且在同一晶圓上周圍（edge）與中央（center）的厚度均勻度（thicknessuniformity）並不十分理想．對於需有精確厚度控制的製程，是一大問題。

另外，隨著晶圓尺寸增大，LongThrow所帶要的靶極至晶圓距離，也勢必得作等比例以上的放大，這不僅是加高了濺鍍室的高度，而且更增加了硬體設計、安裝及維修的困難。

尤其是隨著濺鍍室尺寸的變大、其濺鍍金屬原子的積速率亦有可能愈發降低，勢必影響到工業界接受的程度。

5.2直向性柱狀管濺鍍（collimatedFlux）

圖1：

柱狀管

如果我們在濺鍍室中，在介於靶極與晶圓之間置入如圖1所示的柱狀管（Collimator）。

此柱狀皆是由許多細小的蜂巢結構所組成，每一柱狀管的蜂巢結構（cell），具有固定的高度/直徑之尺寸比（Aspectratio）。

由靶極所濺射而出的金屬原子，只有在某些角度之內，才可能通過柱狀管，而到達晶圓表面。

其餘大部分之斜向發射，皆會被此柱狀管所阻擋（filterout），而自然積在柱狀管上。

換言之，此柱狀管乃扮演著一類似，「濾網」的功能，只允許近乎直角的濺鍍原子通過，而其過濾之效率，乃是由柱狀管蜂巢結構的高度直徑之尺寸比所決定。

尺寸比愈大，所脫掉的原子愈多，愈可得到非常直向的原子流量。

由於過濾的金屬太多，其積速率較一般濺鍍慢上一倍以上，而且更會隨著柱狀管使用時間之增加更形惡化。

（因為蜂巢結構的直徑，會隨著金屬不斷的積，而愈來愈小，使濺鍍金屬愈難通過）。

此外，由於濺鍍金屬與柱狀管之間，因材質、溫度、積厚度等各種不同變因，所引發的機械應力（mechanicalstress）或熱應力（thermalstress），更會使得積在柱狀管上的金屬積物，有剝落（peeling）之慮，無形中成為一個潛在的微塵來源（particlesource）。

另一項使用柱狀管的缺點在於其濺鍍金屬（尤其是Ti）的薄膜特性，如應力、均勻度等．對於柱狀管的狀態，非常敏感。

有柱狀管之濺鍍室，必須先經過充份的「熱機」（bakeout）與「熱靶」（burnin）．方能確保各種薄膜性質的一致。

如此一來，無可避免的增加了預防保養（PreventiveMaintenanceP/M）後，所需之復機時間。

LongThrow與CollimatedFlux兩種方法，對於小於0.2μm以下的接觸洞大小，無法提供足夠的底部覆蓋率。

所以為了繼續金屬濺鍍的技術壽命，必須發展出另外新的製程技術，新技術必須:

A.大幅增加小尺寸，高尺寸比之接觸洞的底部覆蓋率。

B.改善積速率．以提高晶片產能（Throughput）。

離子化金屬電漿（IonizedMetalPlasma）的技術。

簡稱為IMP技術，應用了較一般金屬濺鍍高上10～100倍的電漿密度。

以下為IMP的基本介紹:

5.3離子化金屬電漿（IMP）

圖2：

IMP示意圖

IMP的基本示意圖，如圖2所示。

其中包含了一組傳統的磁式直流電源（MagnetronDCpower），以及另一組無線電頻率之交流電源（RFpower）。

由MagnetronDCpower所產生的電漿，用以將靶極上的金屬原子濺射出來。

當金屬原子行經濺鍍室中的空閒時，若通入較高的製程氣壓，則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」（thermallyactivated）;若與此同時，施與RFpower之電磁震盪，用以加速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），離子化的濺鍍金屬，會因為晶圓台座上因電漿而自然形成之自生負偏壓（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），與不錯的積速率。

若在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，並且更可藉此改變積薄膜的晶體結構。

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，則其被熱激化與離子化的機率也愈大。

通常出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極短，便會到達晶圓表面，而無法被有效的離子化。

因此IMP必須藉金屬原子與氣體之有效碰撞，來減慢其速度以拉長其停留時間。

如圖3所示。

同時IMP亦可以積較少之厚度，仍可達到所需底部的覆蓋厚度。

如此一來，不僅可直接減少金屬積的成本，更因積時間亦得以縮短，整體的晶片產能率（throughput），將得以提高;所以製造成本較傳統濺鍍為低。

由於離子化電漿的濺鍍製程日易成熟，所以在製程及設備上的發展已經有相當進步，目前所發展出的離子化濺鍍製程可區分為下列四種種類

A.DC

B.RF

C.Magnetron

D.Reactive

圖3：

DCandRFsputteringsystems

如圖3，為DC和RF的濺鍍製程及設備示意圖。

DC濺鍍（alsoknownasdiodeorcathodicsputtering），是利用高壓電源產生大量離子撞擊靶，以達成濺鍍的目的。

而RFsputtering則是透過self-bias的voltage產生RFsignal，讓正負電流積分出的面積相等，避免電極版上充滿負電。

Magnetron的製程如同課程講義所說，加入磁場，延長電子的運動路徑，增加電子與起體分子的碰撞率，增加離子數。

Reactive則是較新的技術，以化學反應的方法來產生離子，以轟擊靶材。

6.蒸鍍、濺鍍、分子束磊晶成長三者的比較

表2為此三種方法之比較。

由於濺鍍同時達成較佳的

（1）積效率、

（2）大尺寸的積厚度控制、（3）精確的成份控制、（4）較低的製造成本。

所以濺鍍是現今矽基半導體工業中主要採用的方式，而蒸鍍多用在化合物半導體工業中或是實驗室級設備。

性質

方法

積速率

大尺寸厚度控制

精確成分控制

可積材料之選用

整體製造成本

蒸鍍

（Evaporation）

極慢

差

差

少

差

分子束磊晶生長

（MBE）

極慢

差

極優

少

差

濺鍍

（Sputter）

佳

佳

佳

多

佳

表2三種物理氣相積法的比較

7.PVD製程設備介紹

市面上關於PVD的設備雖然相當多，各家也都有獨特的技術。

但是在蒐集資料上的過程中，設備的資料，卻明顯的相當稀少。

下文所介紹的設備，則以蒸鍍、濺射裝置為主。

7.1蒸鍍

真空蒸鍍機

在蒸鍍設備中，最傳統的蒸鍍機，就是如圖4的真空蒸鍍機。

透過熱，將靶材蒸氣，積到被鍍物上。

圖4為設備圖，而圖5則為真空蒸鍍的示意圖。

底部放置的是蒸鍍的source，在四周上佈上wafersubstrates。

這些substrates安裝在2～3個類似鍋蓋型的蓋子上，使得在一次的蒸鍍過程中，可以鍍上許多substrate，

圖4：

真空蒸鍍機實際照片圖5：

蒸鍍幾何模型圖

提高生產量，並在機組使用運轉時時，讓這些蓋子不斷對著surfacesource旋轉，若要分析為何這些座台要做成的幾何形狀要是圓形或是橢圓形？

要擺幾個？

在座台上的substrate要如何分佈才符合要求？

要探求答案，這其中就牽涉了許多幾何模型與數學運算推導。

若只考慮最基本的要求，在真空蒸鍍機中，扣除考量產量、消耗能量等等成本性因素，而以產品的良率、作為優先的考量時。

就要顧慮到是否在座台上每片substrate彼此之間的薄膜厚度都積到相同（或是相似）。

此外，在同一片裡積的厚度也必須相似（就是所謂的真平度），substrate上的薄膜厚度必須均勻，要符合這些要求，然後又符合到高產量、低消耗等等問題，就是考驗著半導體製程設備的設計師必須要規劃出製程設備應該如何具備到應有的功能。

圖6：

surfacesource蒸鍍模型圖圖7：

在同一蒸鍍接收量的強度下，source的距離對角度關係圖

先考量每片之間積的厚度必須相同的問題，分析圖5、圖6的surfacesource積圖，推導出公式：

令

=totalevaporatedmass，令

=被鍍物面積上的接收量

則

，則可由此得到蒸鍍在同一接收量的強度下，source的角度對距離關係圖。

圖7中有許多條橢圓形實線，每一條橢圓形實線，都代表特定的n值，只要沿著同一條實線（在2度空間為線，在3度空間則為橢圓面），所接受的蒸鍍量相同。

而n值的決定，必須仰賴不同金屬或不同的製程條件，才能決定不同的n值，這條實線會隨n不同而有所改變，但大體都成橢圓狀。

所以這是為何蓋子要做成近似電鍋鍋蓋的形狀，這樣才能符合圖7中的橢圓狀曲線。

除了座台的形狀，座台在蒸鍍的過程中，座台旋轉，更能達到薄膜厚度在substrate彼此間均勻分佈的目的。

就像光在不同的距離和不同的入射角強度不同一般。

蒸鍍也會造成在不同的角度及距離厚度不均勻的狀況發生，見圖8，令L為從substrate中點到邊緣的距離，h則為source到substrate的距離，可清楚的從圖中看出，當蒸鍍入射的角度越偏時，積的厚度越薄，所以在每個座台上安放的substrate空位大小為多少，也必須從積厚薄的分佈來考量。

以得到一個均勻的厚度。

此設備的substrate的台座上，要如何規劃出被鍍物離source的角度和距離，才能夠在均勻的積下，得到最大的產量。

在在都是設備工程師需要考量的問題。

圖8：

在surface蒸鍍中，沈積厚度L/h對d/d0的關係圖

電子束真空蒸鍍機（ElectronBeamEvaporator）

圖9：

電子束真空蒸鍍機圖10：

蒸鍍機運作示意圖

如圖9為設備照片圖，本設備主要的使用原理，是利用e-gun產生帶電離子，來轟擊靶材，使得靶材蒸發，鍍到被鍍物上。

本設備具有下列特點

A.經常使用在高純度的薄膜上，所以污染較少。

B.幾乎適用於任何材料，而且積速率容易控制。

C.Theeffectivecrucibleistheunmeltedskullmaterialnexttothewater-cooledcrucibleorcopperhearth.

D.可以使用multiple-sourceunit，以因應連續多層的製程或是同時啟動的積條件。

E.如圖10，可從上視圖看出4個圓圈，代表說可以鍍完4個再取出substrate，以批次處理的方式，增加工作效率。

本設備和傳統蒸鍍的不同在使用了e-gun作為加熱的元件，而非傳統的電阻等加熱方式，所以整體工作機台的溫度不易提升，便可提高積物的純度，控制整體工作環境的污染。

如圖11即為e-gun的實體圖、圖12則說明了e-gun的操作狀況，將欲鍍物放置在坩鍋中，thermionicfilament自下方一端陽極、一端陰極的射管加速後射出，中間經過磁場轉彎，然後轟擊靶材，使的靶材變為evaporant蒸鍍在被鍍物上。

Configurationofthee-gunsource說明如下：

A.電子以熱離子的形式離開加熱的細絲

B.陰極細絲的assemblypotential被加負偏壓（相對於groundedanodebyanywherefrom4~20kV），以控制電子動能

C.磁場將電子轉向270度，並將電子定位在靶材上，使evaporantcharge在groundpotential。

圖11：

e-gunsource照片圖圖12：

e-gun示意圖

蒸鍍設備的規格考量因素介紹

A.加熱器必須在整體系統達到negligiblevaporpressure前先達到昇華點的溫度，以免形成合金。

B.加熱器不可污染蒸氣，與蒸氣反應或化為合金，

C.在電阻型加熱的sources中，需要低電阻與高電流的電源供應。

D.下列表為各種具有耐火性質的金屬融點

Tungsten（W）

Tantalum（Ta）

Molybdenum（Mo）

Meltingpoint（K）

3695

3293

2895

E.從上述說明可知，越不容易融化的物質，越適合作為heatingsources。

（i）鎢線sources

1.Helicalcoils:

usedformetalsthatwettungstenreadily

2.錐形籃（basket）：

適合用在不易wetting的材料

（ii）耐火板金sources

適合用在要先融化再沸騰的材料

（iii）Sublimationfurnaces

避免evaporant顆粒四處濺射

（iv）瓷材料

一般而言，是由Oxides,pyrolyticBN,graphite和耐火材料所做成的圓柱狀試杯。

F.加熱方法：

電阻加熱、高頻induction電流加熱兩種方法較為常見，但這些方法的缺點有：

i.容易被heaters，支撐的材料污染

ii.會被相當低的輸入電源水平限制

iii.不易積高純度的薄膜

iv.越高融點的材料，積速度往往越慢

G.評估比較

HeatSources

Advantages

Disadvantages

Resistance

Noradiation（以原物質負載同物質）

Contamination

Electron-beam

Lowcontamination

Noradiation

RF

Noradiation

Contamination

Laser

Noradiation,lowcontamination

Expensive

H.圖13為各種蒸鍍的設備材料圖示、圖14則表示了蒸鍍過程應有的元件。

在中央有一項元件名稱為sourcebottle，這樣元件的功能是為了避免在材料昇華時，蒸氣溢散，所以用一開孔的盒子將蒸氣包住。

圖13：

蒸鍍設備圖示圖14：

蒸鍍元件示意圖

7.2離子化濺鍍的製程設備介紹

Reactiveevaporation

圖15：

Reactiveevaporation

此法與電子束真空蒸鍍相似，但不同的地方是此設備再加上Plasma，以電漿把coatingflux離子化，金屬便和氣體離子作用變為氧化物，增加了能量，鍍上substrate。

此套製程設備的特點具有速度快（fewthousandangstromsperminute）、可在較低溫下完成複雜的化合物膜。

圖16：

Ion-beam-assisteddeposition

Ion-beam-assisteddeposition

Ion-beam-assisteddeposition的製程和圖15相似，是以離子束取代電漿，讓蒸鍍的蒸氣，受到離子束的撞擊而鍍在substrate上。

但在設備的裝置上則差異較大。

在圖16中，Ionsource和evaporation的控制是兩相獨立的控制系統，兩者皆可獨立操作而彼此不受影響。

而Shutter的旋轉決定了空格的開關與否。

若是空格打開則substrate積開始，若是關閉，則substrate不會受到積物的附著。

substrateholder具有旋轉的功能，Ionprobe用以檢測離子束密度、濃度。

所以本設備可以有兩種型態的configuration工作型態。

1.dual-ion-beamsystem：

一個ionbeam來濺鍍靶材，另一個ionsourece轟擊depositingfilm

2.ion-assisteddeposition：

一個ionsource用來連接材料源蒸發source，並且配合著快速的薄膜積以及離子轟擊。

Ionizedclusterbeamdeposition

圖17：

離子團沈積示意圖

圖18：

Ionizedbeam設備示意圖

如圖17，因為原子和原子間彼此會有互斥現象，所以一個一個的原子，比較不容易在被鍍物表面積。

Ionizedclusters是為了加速電子打成離子聚為一團的技術，在圖17中就可以看出離子團比較容易在表面附著的情況。

雖然一團比起一顆容易成核，但在製程中特別需要注意溫度。

至於製程的設備，則顯示在圖18。

當中性原子團從sourcematerial射出後，以電子打成一團。

nozzleacceleratingelectrode是為了電極加速，然後有帶電的cluster和沒有帶電的cluster，最後會在substrate上積。

8.專利新知

圖19：

濺鍍裝置圖

濺鍍裝置

公告編號：

332896

發明人：

小林正彥

說明：

本發明是一種半導體製程的濺鍍設備。

利用濺鍍法積薄膜，可以在高密度電路、高縱橫筆的孔洞結構，得到較佳的覆蓋率。

然而傳統方法均有缺陷。

圖19包含了

（1）真空容器

（2）陰極，一靶位於陰極正前方（3）基版座。

陰極上靶大小Dt於Q1角度滿足tanQ1＝（Dt-Ds）/2L及Q2角度滿足tanQ2＝A/B。

A為被積細孔開口直徑或寬度、B為該孔之深度、Ds為基板大小、L為靶至基板距離。

本裝置可作為磁控管濺鍍，主要特徵在於可依據薄膜積於基版上的大小、細孔縱橫比及靶至基板距離，依據上述公式選擇最適當尺寸之靶，其中最好將N值設為0.7～1.2以達道具高能量效率，又有足夠的細孔底部覆蓋率。

當Dt決定後，基板周圍細孔底部覆蓋不均的現象會消失。

上述公式，除了對低壓長距離濺鍍具有功效外，對於其他不同的濺鍍裝置亦適用。

圖20：

氣相澱積裝置

薄膜氣相澱積裝置

公告編號：

331652

發明人：

村上武司

說明：

本發明是關於薄膜氣相澱積裝置，適合在氣相中澱積裝置，適合在氣相中澱積如鈦酸鋇/鈦酸鍶等高介電常數薄膜。

高介電常數材料之薄膜氣相澱積的特徵在於氣相材料氣體必須保持在很窄的高溫範圍，若反應室中有不規則的溫度變化，則材料會自氣相析出，污染反應室，浪費材料。

此外，反應室中環境溫度與機才溫度必須彼此嚴格地分別控制，薄膜性質不易穩定控制。

如圖20，包含了反應室、溫室控制構件、基材旋轉構件、基材溫度控制構件、反應物氣體供應夠件、氣體排放構件。

利用基材加熱器精密