半導(dǎo)體制造之薄膜工藝講解

薄膜工藝

薄膜沉積技術(shù)主要分為CVD和PVD兩個方向。PVD主要用來沉積金屬及金屬化合物薄膜,分為蒸鍍和濺射兩大類，目前的主流工藝為濺射。CVD主要用于介質(zhì)/半導(dǎo)體薄膜，廣泛用于層間介質(zhì)層、柵氧化層、鈍化層等工藝。

薄膜機臺工藝原理是將所需的溶液或氣體加熱或冷卻，并使用適當?shù)膲毫土髁渴怪┻^預(yù)定閥門，以控制所需的物理過程。這些過程可能包括氣相沉積、離子束外延、濺射和物理沉積等。設(shè)備原理是使溶液或氣體流經(jīng)或進入被涂覆物表面，以使所需的物理過程發(fā)生。

薄膜區(qū)域主要包括等離子體增強型CVD，LPCVD，MO-CVD設(shè)備和PVD設(shè)備等機臺，主要用于沉積TI、AL、W、ALSICU、TIN、ALCU、BPSG、TIN、SION、SIO2等薄膜。不同薄膜的淀積原理和流程不同，例如金屬W的淀積，主要分為三個過程：SIH4浸潤、成核、大批淀積。通過SiH4浸潤產(chǎn)生Si和H2，Si與WF6反應(yīng)形成薄層W,最后WF6與H2發(fā)生反應(yīng)大面積產(chǎn)生W。

真空蒸鍍原理是對金屬材料進行加熱使之沸騰后蒸發(fā)并沉積到硅片表面。該方法優(yōu)點在于工藝簡單、操作容易，所以制備的薄膜純度較高，生長機理簡單，但是形成的薄膜臺階覆蓋率和粘附能力都較差，所以熱蒸發(fā)法只限于早期的中小規(guī)模集成電路制造。電子束蒸鍍工藝的優(yōu)點是蒸發(fā)速度快、無污染、可精確控制膜厚等，可以實現(xiàn)ULSI上的金屬薄膜沉積，但是在ULSI工藝中的通孔、接觸孔等，使用電子束蒸發(fā)無法進行孔內(nèi)的金屬覆蓋。

直流濺射DCPVD：靶材只能是導(dǎo)體，主要用于沉積金屬柵。是利用電場加速帶電離子，使離子和靶材表面原子碰撞，將后者濺射出來射向襯底，從而實現(xiàn)薄膜的沉積。使用DCPVD濺射絕緣材料時會導(dǎo)致正電荷在靶材表面積累，靶材的負電性減弱直至消失，導(dǎo)致濺射終止，因此不適用絕緣材料沉積；另外，DCPVD啟輝電壓高，電子對襯底的轟擊強。射頻濺射RFPVD：適合各種金屬和非金屬材料。采用射頻電源作為激勵源，轟擊出的靶材原子動能較DCPVD更小，因此既可以沉積金屬也可以沉積非金屬材料，但由于臺階覆蓋率能力不如CVD，一般多用CVD沉積絕緣材料；RFPVD在改變薄膜特性和控制粒子沉積對襯底損傷方面有獨特優(yōu)勢，因此可以用來配合直流磁控PVD使用，來降低DCPVD對圓片上的器件的損傷。

磁控濺射是一種在靶材背面添加磁體的PVD方式，利用濺射源在腔室內(nèi)形成交互的電磁場，延長電子的運動路徑進而提高等離子體的濃度，最終實現(xiàn)更多的沉積。磁控PVD等離子體濃度更高，可以實現(xiàn)極佳的沉積效率、大尺寸范圍的沉積厚度控制、精確的成分控制等，主要用于Al金屬籽晶層、TiN金屬硬掩膜，在當前金屬薄膜PVD中處于主導(dǎo)地位。

濺射工藝條件

1）工藝氣體：工藝氣體應(yīng)不與要沉積的薄膜反應(yīng)，所以氣體僅局限于惰性氣體Ar2是最常用的，既便宜又可保證足夠的離化率 。

2）工藝壓力：壓力的范圍是由輝光放電所要保證一定的氣體離化率（磁控濺射的下限是2～3mT）和氣體離子轟擊出靶原子運動的平均自由程（上限為100mT）的要求來折中確定的。

3）真空度：濺射腔體必須具備一定的真空度，一般≤5.0E-7Torr即可。真空度低，沉積的膜易被氧化或與某些殘氣反應(yīng)，影響薄膜性質(zhì)。

4）襯底溫度：PVD工藝中一個重要因素。溫度變化會影響膜的許多參數(shù)，如：應(yīng)力、均勻性、電阻率及臺階覆蓋、淀積速率等。

5）濺射功率：離子要轟擊靶材必須具備一定的能量，這能量對不同的工藝有具體要求，具體是由所要成膜特性所定。濺射功率最直接影響到濺射速率。

6）磁場：磁場最直接影響到濺射速率及膜的均勻性。

7）間距：指圓片到靶的距離，一般為4 ~ 6cm。它最直接影響到濺射速率及膜的均勻性。

inline監(jiān)控以及offline監(jiān)控

Inline監(jiān)控主要包括thickness、Uniformity、defects，而offline監(jiān)控則包括：thickness、particle、temperature、Uniformity、RS、backside pressure等。

氮化鈦(TiN) 的作用

1）當作擴散阻障層(diffusion barrier layer)， 阻障鋁與氧化硅之間的擴散。

2）當作粘著層(glue layer)，鎢與氧化硅附著力不好，在二者之間加入氮化鈦可以增加彼此的粘著力。

3）當作反反射層(ARC layer), 為了在微影技術(shù)制程中為達到高的分辨率，所以需一層抗反射層鍍膜以減少來自鋁的高反射率。

加Cu作用

電流在鋁金屬層移動時，鋁原子會沿著晶粒界面而移動，若此現(xiàn)象太過劇裂，會導(dǎo)致金屬線斷路，添加少量的銅可以防止鋁線斷線，添加0.5%的銅，而太多銅，會造成蝕刻困難(銅的氯化物不易揮發(fā))。

常見異常

薄膜區(qū)出來的wafer在鏡檢處可能會出現(xiàn)表面發(fā)灰、發(fā)花色差、黑點、背面沾污、水跡等。其原因可能是由于工藝或設(shè)備異常所致，例如表面發(fā)灰可能是由于Al工藝片表面反射率低，可能為機臺漏真空導(dǎo)致。黑點是由于圓晶表面在長膜前或長膜中掉落顆粒導(dǎo)致長完膜呈現(xiàn)黑點異?，F(xiàn)象。另外，圓晶表面呈現(xiàn)出不規(guī)則花色條紋色差可能是由于膜厚不均勻或其他原因所致。

審核編輯：湯梓紅