半导体制造之薄膜工艺讲解

薄膜工艺

薄膜沉积技术主要分为CVD和PVD两个方向。PVD主要用来沉积金属及金属化合物薄膜,分为蒸镀和溅射两大类，目前的主流工艺为溅射。CVD主要用于介质/半导体薄膜，广泛用于层间介质层、栅氧化层、钝化层等工艺。

薄膜机台工艺原理是将所需的溶液或气体加热或冷却，并使用适当的压力和流量使之穿过预定阀门，以控制所需的物理过程。这些过程可能包括气相沉积、离子束外延、溅射和物理沉积等。设备原理是使溶液或气体流经或进入被涂覆物表面，以使所需的物理过程发生。

薄膜区域主要包括等离子体增强型CVD，LPCVD，MO-CVD设备和PVD设备等机台，主要用于沉积TI、AL、W、ALSICU、TIN、ALCU、BPSG、TIN、SION、SIO2等薄膜。不同薄膜的淀积原理和流程不同，例如金属W的淀积，主要分为三个过程：SIH4浸润、成核、大批淀积。通过SiH4浸润产生Si和H2，Si与WF6反应形成薄层W,最后WF6与H2发生反应大面积产生W。

真空蒸镀原理是对金属材料进行加热使之沸腾后蒸发并沉积到硅片表面。该方法优点在于工艺简单、操作容易，所以制备的薄膜纯度较高，生长机理简单，但是形成的薄膜台阶覆盖率和粘附能力都较差，所以热蒸发法只限于早期的中小规模集成电路制造。电子束蒸镀工艺的优点是蒸发速度快、无污染、可精确控制膜厚等，可以实现ULSI上的金属薄膜沉积，但是在ULSI工艺中的通孔、接触孔等，使用电子束蒸发无法进行孔内的金属覆盖。

直流溅射DCPVD：靶材只能是导体，主要用于沉积金属栅。是利用电场加速带电离子，使离子和靶材表面原子碰撞，将后者溅射出来射向衬底，从而实现薄膜的沉积。使用DCPVD溅射绝缘材料时会导致正电荷在靶材表面积累，靶材的负电性减弱直至消失，导致溅射终止，因此不适用绝缘材料沉积；另外，DCPVD启辉电压高，电子对衬底的轰击强。射频溅射RFPVD：适合各种金属和非金属材料。采用射频电源作为激励源，轰击出的靶材原子动能较DCPVD更小，因此既可以沉积金属也可以沉积非金属材料，但由于台阶覆盖率能力不如CVD，一般多用CVD沉积绝缘材料；RFPVD在改变薄膜特性和控制粒子沉积对衬底损伤方面有独特优势，因此可以用来配合直流磁控PVD使用，来降低DCPVD对圆片上的器件的损伤。

磁控溅射是一种在靶材背面添加磁体的PVD方式，利用溅射源在腔室内形成交互的电磁场，延长电子的运动路径进而提高等离子体的浓度，最终实现更多的沉积。磁控PVD等离子体浓度更高，可以实现极佳的沉积效率、大尺寸范围的沉积厚度控制、精确的成分控制等，主要用于Al金属籽晶层、TiN金属硬掩膜，在当前金属薄膜PVD中处于主导地位。

溅射工艺条件

1）工艺气体：工艺气体应不与要沉积的薄膜反应，所以气体仅局限于惰性气体Ar2是最常用的，既便宜又可保证足够的离化率 。

2）工艺压力：压力的范围是由辉光放电所要保证一定的气体离化率（磁控溅射的下限是2～3mT）和气体离子轰击出靶原子运动的平均自由程（上限为100mT）的要求来折中确定的。

3）真空度：溅射腔体必须具备一定的真空度，一般≤5.0E-7Torr即可。真空度低，沉积的膜易被氧化或与某些残气反应，影响薄膜性质。

4）衬底温度：PVD工艺中一个重要因素。温度变化会影响膜的许多参数，如：应力、均匀性、电阻率及台阶覆盖、淀积速率等。

5）溅射功率：离子要轰击靶材必须具备一定的能量，这能量对不同的工艺有具体要求，具体是由所要成膜特性所定。溅射功率最直接影响到溅射速率。

6）磁场：磁场最直接影响到溅射速率及膜的均匀性。

7）间距：指圆片到靶的距离，一般为4 ~ 6cm。它最直接影响到溅射速率及膜的均匀性。

inline监控以及offline监控

Inline监控主要包括thickness、Uniformity、defects，而offline监控则包括：thickness、particle、temperature、Uniformity、RS、backside pressure等。

氮化钛(TiN) 的作用

1）当作扩散阻障层(diffusion barrier layer)， 阻障铝与氧化硅之间的扩散。

2）当作粘着层(glue layer)，钨与氧化硅附着力不好，在二者之间加入氮化钛可以增加彼此的粘着力。

3）当作反反射层(ARC layer), 为了在微影技术制程中为达到高的分辨率，所以需一层抗反射层镀膜以减少来自铝的高反射率。

加Cu作用

电流在铝金属层移动时，铝原子会沿着晶粒界面而移动，若此现象太过剧裂，会导致金属线断路，添加少量的铜可以防止铝线断线，添加0.5%的铜，而太多铜，会造成蚀刻困难(铜的氯化物不易挥发)。

常见异常

薄膜区出来的wafer在镜检处可能会出现表面发灰、发花色差、黑点、背面沾污、水迹等。其原因可能是由于工艺或设备异常所致，例如表面发灰可能是由于Al工艺片表面反射率低，可能为机台漏真空导致。黑点是由于圆晶表面在长膜前或长膜中掉落颗粒导致长完膜呈现黑点异常现象。另外，圆晶表面呈现出不规则花色条纹色差可能是由于膜厚不均匀或其他原因所致。

审核编辑：汤梓红