1、半导体制程概论萧宏半导体制程概论萧宏目標 解釋金屬化製成的元件應用 列出最常使用的三種材料 列出三種金屬沉積的方法 說明濺鍍製程 解釋在金屬沉積製程中高真空需求的目的Hong Xiao,Ph.D.金屬化製程 定義 應用 物理氣相沉積 vs.化學氣相沉積 方法 真空 金屬 製程 未來的趨勢Hong Xiao,Ph.D.金屬化製程 處理在晶圓表面沉積金屬薄膜.Hong Xiao,Ph.D.應用 金屬連線 匣極和電極 微-鏡面(micro-mirror)融合(Fuse)Hong Xiao,Ph.D.CMOS:標準金屬化製程P型晶圓N型井區P型井區STIn+n+USGp+p+金屬金屬1,AlCuBPS
2、GWP型磊晶層TiSi2TiN,ARCTi/TiNHong Xiao,Ph.D.應用:局部連線Hong Xiao,Ph.D.應用:局部連線 取決於金屬化製程 最常使用的是銅鋁合金 8090年代的技術：鎢栓塞 鈦,焊接層 TiN,阻擋層,附著與抗金屬反射鍍膜層 未來使用的是 銅!Hong Xiao,Ph.D.以銅當導體連線的IC剖面圖P型磊晶層P型晶圓N型井區P型井區n+STIp+p+USGWPSGWFSGn+M1CuCoSi2Ta 或 TaNTi/TiNSiNCuCuFSGHong Xiao,Ph.D.材料設計光罩光罩IC 生產廠房測試 封裝最後測試t加熱製程微影製程蝕刻與光阻剝除離子佈植與光
3、阻剝除金屬化化學機械研磨介電質沉積晶圓晶圓製造流程圖Hong Xiao,Ph.D.應用:匣極和電極 Al 匣極和電極 多晶矽代替鋁作為匣極的材料 金屬矽化物 WSi2 TiSi2 CoSi2,MoSi2,TaSi2,Pt,Au,在DRAM電容器作為電極Hong Xiao,Ph.D.問與答 我們是否能夠根據圖形尺寸的縮小情況以同比例縮減金屬線的比例?R=r l/wh.當我們根據元件圖形尺寸將所有維度縮小(長度 l,寬度 w,和 高度 h)，電阻會增加 電路的速度變慢，消耗更多的功率Hong Xiao,Ph.D.應用:微鏡面(Micro-mirror)數位投影顯示 鋁鈦合金 小晶粒，高反射力“家庭
4、劇院”Hong Xiao,Ph.D.應用:融合(Fuse)可程式化唯讀記憶體(PROM)高電流產生的熱，會熔化鋁線形成斷路 多晶矽被用來作為融合的材料(fuse materials)Hong Xiao,Ph.D.導電薄膜Hong Xiao,Ph.D.導電薄膜 多晶矽 金屬矽化物 鋁合金 鈦 氮化鈦 鎢 銅 鉭 Hong Xiao,Ph.D.多晶矽 匣極與局部連線的材料 1970年代中期取代鋁而成為匣極材料 具高溫穩定性 離子佈植後的高溫退火所必要的 鋁匣極無法用在自我對準源極/汲極佈植 重度摻雜 以LPCVD製程在高溫爐沉積Hong Xiao,Ph.D.金屬矽化物 金屬矽化物的電阻率比多晶矽低
5、很多 TiSi2,WSi2,和 CoSi2 都是常用的選擇Hong Xiao,Ph.D.金屬矽化物 TiSi2 和 CoSi2 氬濺射從晶圓表面移除原生氧化層 Ti 或 Co 沉積 退火製程形成金屬矽化合物 Ti 或 Co 不與SiO2反應,金屬矽化物在矽和Ti 或Co接觸之處形成 濕式蝕刻製程剝除未反應的Ti 或 Co 選擇性的再次退火以增加傳導率Hong Xiao,Ph.D.自我對準的鈦金屬矽化物的形成步驟多晶矽匣極多晶矽匣極匣極氧化層匣極氧化層n-n-n+n+Ti鈦沉積多晶矽匣極多晶矽匣極匣極氧化層匣極氧化層n-n-n+n+TiSi2TiSi2Ti退火產生金屬矽化物多晶矽匣極多晶矽匣極匣
6、極氧化層匣極氧化層n-n-n+n+TiSi2TiSi2濕式剝除鈦薄膜Hong Xiao,Ph.D.矽化鎢 加熱 CVD 製程 WF6 當作鎢的源材料 SiH4 作為矽的源材料.多晶金屬矽化物堆疊結構在多重步驟製程中進行蝕刻 用氟化學品蝕刻WSix 用氯化學品蝕刻多晶矽 光阻剝除 快速加熱退火增加矽化鎢的晶粒尺寸和導電率Hong Xiao,Ph.D.鋁 最常當作連線使用的金屬 第四佳的電傳導金屬 銀1.6 mWcm 銅1.7 mWcm 金 2.2 mWcm 鋁2.65 mWcm 1970年代中期以前曾被用作匣極的材料Hong Xiao,Ph.D.鋁矽合金 在源極/汲極的區域中，鋁金屬線可以直接與
7、矽接觸 矽會熔解入鋁中，鋁會擴散進入矽中 尖突現象 鋁的尖突物穿透摻雜接面 使源極/汲極與基片形成短路 通常1%就可以讓矽在鋁中達到飽和 在攝氏400 C 時的加熱退火會在矽鋁介面形成矽鋁合金Hong Xiao,Ph.D.p+p+尖突現象N型矽鋁鋁鋁SiO2Hong Xiao,Ph.D.電遷移 鋁是一種多晶態材料 包含很多小型的單晶態晶粒 電流通過鋁線 電子不斷的轟擊晶粒 較小的晶粒就會開始移動 這個效應就是電遷移(electromigration)Hong Xiao,Ph.D.電遷移 電遷移會造成金屬線的撕裂 高電流密度在剩下的金屬線 加劇電子轟擊 引發更進一步的鋁晶粒遷移 最後造成金屬線的
8、崩潰 影響IC晶片的可信賴度 鋁金屬線：老房子將有火災的危害Hong Xiao,Ph.D.電遷移的預防 當少量百分比的銅與鋁形成合金，鋁的電遷移抵抗性會被顯著的改善 銅扮演了鋁晶粒間的黏著劑角色，並且防止他們因電子轟擊而遷移 Al-Si-Cu 合金被使用 Al-Cu(0.5%)是最常使用的連線金屬Hong Xiao,Ph.D.鋁合金沉積 物理氣相沉積(PVD)濺鍍 蒸鍍 加熱蒸鍍法 電子束蒸鍍法 化學氣相沉積 乙烷氫化鋁 DMAH,Al(CH3)2H 加熱製程Hong Xiao,Ph.D.PVD vs.CVD CVD:表面上的化學反應 PVD:表面上沒有化學反應 CVD:較好的階梯覆蓋(50%
9、to 100%)和間隙填充能力 PVD:較差的階梯覆蓋(15%)和間隙填充能力Hong Xiao,Ph.D.PVD vs.CVD PVD:品質較高，純度較好的沉積薄膜,導電性較高，容易沉積合金 CVD:薄膜中總是有不純度，導電性低，合金很難沉積Hong Xiao,Ph.D.鋁的一些基本資料Hong Xiao,Ph.D.鈦 應用 形成金屬矽化物 鈦的氮化作用 潤濕層 焊接層Hong Xiao,Ph.D.焊接層 降低接觸窗的電阻.鈦可以清除氧原子 防止形成高電阻率的WO4 和 Al2O3.使用TiN 作為擴散阻擋層 避免鎢擴散進入基片Hong Xiao,Ph.D.鈦PSGTiSi2n+鈦鎢鋁-銅鈦
10、的應用Hong Xiao,Ph.D.鈦的基本資料Hong Xiao,Ph.D.氮化鈦 阻擋層 防止鎢擴散 附著層 幫助鎢附著在氧化矽的表面 抗反射層鍍膜(ARC)降低反射率和改進金屬圖案化微影技術的解析度 防止小丘狀突出物和控制電遷移 可以藉由PVD 和 CVD製程來沉積Hong Xiao,Ph.D.氮化鈦 PVD 阻擋層,附著層以及抗反射層鍍膜(ARC)反應式濺鍍，利用氬氣和氮氣以Ti為靶材 在電漿中N2 分子被分解 氮自由基(N)N和 Ti在鈦表面形成 TiN層 氬離子會將TiN分子轟擊離開靶材，沉積在晶圓表面Hong Xiao,Ph.D.氮化鈦CVD 阻擋層和附著層 比PVD 有較佳的階
11、梯覆蓋 金屬有機製程(MOCVD)350 C TDMAT,TiN(CH3)24 無法用在金屬層間的接觸窗孔上Hong Xiao,Ph.D.氮化鈦 鈦 PVD 鈦的氮化反應表面有NH3(ammonia)快速加熱退火製程Hong Xiao,Ph.D.鎢 填充接觸窗或金屬層間的接觸窗孔形成栓塞 接觸窗孔會變的更小與更窄 PVD Al 合金:不好的階梯覆蓋和空洞 CVD W:有非常好的階梯覆蓋和間隙填充能力 比PVD Al 合金(2.9 到 3.3 mWcm)有較高的電阻性:8.0 to 12 mWcm 僅使用在局部連線和不同層間的栓塞Hong Xiao,Ph.D.接觸窗金屬化製程的演化AlSiCuS
12、iO2SiO2洞AlSiCuSiO2SiAlCuW大開口的接觸窗，PVD金屬可填入小開口的接觸窗，使用PVD填入金屬的情形使用CVD鎢填入小開口的接觸窗SiSiHong Xiao,Ph.D.鎢 CVD WF6 為鎢的源材料 和SiH4 反應形成核層(nucleation layer)和H2 反應形成巨量的鎢沉積 需要一層氮化鈦來幫助鎢的黏附Hong Xiao,Ph.D.鎢的基本資料Hong Xiao,Ph.D.鎢TiN/Ti二氧化矽W 栓塞和 TiN/Ti 阻擋層/附著層Hong Xiao,Ph.D.銅 較低的電阻性(1.7 mWcm),較低的功率消耗和較高的IC速度 高電遷移抵抗力 較佳的可
13、靠度 銅對二氧化矽的附著能力極差 擴散速率很高，重度金屬污染 非常難進行乾式蝕刻 銅鹵素化合物的揮發性很低Hong Xiao,Ph.D.銅沉積 PVD 的種晶層(seed layer)ECP 或 CVD 巨量層(bulk layer)沉積 退火製程通常是緊跟著巨量銅(bulk copper)沉積後進行 增加晶粒的尺寸 改進導電率Hong Xiao,Ph.D.銅的基本資料Hong Xiao,Ph.D.鉭 阻擋層 防止銅擴散 濺鍍沉積Hong Xiao,Ph.D.坦的基本資料Hong Xiao,Ph.D.鈷 主要被用來形成矽化鈷(CoSi2).利用濺鍍製程來沉積Hong Xiao,Ph.D.矽化鈷
14、 矽化鈦晶粒尺寸:0.2 mm 不能用在0.18 mm 的匣極 矽化鈷可以使用 金屬矽化合物製程Hong Xiao,Ph.D.矽化鈷:製程 預沉積，氬離子濺鍍清潔 鈷濺渡沉積 第一次退火,600 CCo+Si CoSi 剝除未反應的鈷 第二次退火,700 CCo+Si CoSi2Hong Xiao,Ph.D.鈷的基本資料Hong Xiao,Ph.D.金屬薄膜的特性Hong Xiao,Ph.D.金屬薄膜的測量 厚度.應力 反射係數 薄片電阻Hong Xiao,Ph.D.金屬薄膜厚度 場發射鎗電子顯微鏡(TEM)和 掃描式電子顯微鏡(SEM)輪廓量測器 4點探針 X-光螢光分析儀(X-ray Fl
15、uorescence Spectrometer,XRF)XRF 聲學法Hong Xiao,Ph.D.TEM 和 SEM 截面(cross section)TEM:非常薄的薄膜,數百 SEM:薄膜可以到數千Hong Xiao,Ph.D.問與答 為什麼SEM的相片通常是黑白的?二次電子發射時的強度拍下來的 提供強烈或微弱的訊號 照片:明亮點與晦暗點，黑白影像 SEM 照片經過影像分析後可再以人工著色Hong Xiao,Ph.D.輪廓量測器 較厚的薄膜(1000),量測之前需要先執行圖案化蝕刻製程 探針可以檢測並紀錄細微的表面輪廓Hong Xiao,Ph.D.基片薄膜平台探針薄膜厚度輪廓訊號輪廓量測
16、器示意圖Hong Xiao,Ph.D.四點探針 測量薄片電阻 假設金屬薄膜的電阻率在整個晶圓表面皆為常數，因此四點探針就常被用來監測金屬薄膜的厚度Hong Xiao,Ph.D.聲學量測法 新技術 量測不透明的薄膜厚度 非接觸性製程，可以量測晶圓產品Hong Xiao,Ph.D.聲學量測法 雷射光射在薄膜表面 光感測器量測其反射強度 0.1 ps 雷射脈衝將表面加熱5 到 10 C 熱膨脹會引起聲波 當聲波傳遞到不同材料界面時，一部分的聲波將會從界面反射回來 當回波到達薄膜表面將會引起反射係數的改變.Hong Xiao,Ph.D.聲波法測量 聲波會在薄膜中來回產稱回音 薄膜厚度可以藉由下列方程式
17、計算d=Vs Dt/2 Vs 是音速，Dt 兩個峰值之間時間的改變量 回波的衰退率和薄膜密度有關.可以用來測量多層結構中每一種薄膜的厚度Hong Xiao,Ph.D.聲學法測量金屬薄膜示意圖幫浦雷射反射到光感測器反射率改變量時間(psec)102030405060708090第一反射峰值第二反射峰值第三反射峰值TEOS SiO2TiNDtDtd=vsDt/2聲波反射Hong Xiao,Ph.D.TiN 厚度 d=VsDt/2 在TiN 薄膜中的聲速Vs=95/ps Dt 25.8 ps d=1225 Hong Xiao,Ph.D.均勻性 厚度的均勻性(事實上指的是非均勻性)、薄片電阻和反射係數
18、在製程的發展和製程的維護上都被例行的檢視.可已經由晶圓上的多點位置測量計算出來Hong Xiao,Ph.D.均勻性量測的取點分佈 14329876514131211102524232221201918171615323130292827264948474645444342414039383736353433132541769823455點9點49點Hong Xiao,Ph.D.均勻性 49點量測，標準差3s 的非均勻性，是一般製程的普及定義 清楚的定義非均勻性 相同一組量測資料，不同的定義會引起不同的非均勻性結果 5點和9點量測，通常使用在製程監視和控制上Hong Xiao,Ph.D.應力 薄
19、膜和基片之間材料的不匹配 收縮式應力與 伸張型應力 高收縮式應力會引起小丘狀突出物 不同層間的金屬線短路 高伸張型應力會引起薄膜或是連線破裂或脫落(peels)Hong Xiao,Ph.D.收縮式應力引起小丘狀突出物基片力力金屬Hong Xiao,Ph.D.基片力力金屬伸張型應力產生破裂Hong Xiao,Ph.D.有幫助的應力 鋁比矽有較高的熱膨脹速率aAl=23.610-6 K-1,aSi=2.610-6 K-1 室溫下晶圓會形成伸張型應力 當後續晶圓的加熱製程時，張力會變小 金屬退火(450 C)介電質沉積(400 C)Hong Xiao,Ph.D.問與答 為什麼氧化矽薄膜在室溫時，收縮
20、式應力較受偏愛?氧化矽的熱膨脹係數(aSiO2=0.510-6 K-1)比矽基片低 假如在室溫時具有伸張型應力，則當晶圓在後續製程被加熱時，張力會變的更大Hong Xiao,Ph.D.反射係數 反射係數的改變即表示製程狀況的走勢 薄膜的晶粒呎吋與表面平滑度的函數 晶粒尺寸較大，則反射係數較低 愈平滑的金屬表面就會有較高的反射係數 簡單、快速和非破壞性的步驟 經常在半導體廠中的金屬化區間內進行Hong Xiao,Ph.D.薄片電阻 4點探針 廣泛的用在測定薄膜的厚度 假設晶圓上的電阻率都相同 比輪廓量測器、SEM 和聲學量測法要快且便宜Hong Xiao,Ph.D.薄片電阻 薄片電阻(Rs)可以
21、表示成Rs=r/t 假如薄膜的厚度t 已知，藉著測量Rs，可以計算出薄膜的電阻率(r)；或是電阻率已知，可以計算出薄膜厚度Hong Xiao,Ph.D.金屬線的電阻LAR=rLAR=電阻 ,r=導體的電阻率L=長度,A=線的橫截面面積rIHong Xiao,Ph.D.twIL通入電流I並測量電壓V,電阻:R=V/I=rL/(wt)對一個方型的薄片,L=w,所以 R=r/t=Rs Rs的單位:每平方歐姆(W/r)薄片電阻的觀念Hong Xiao,Ph.D.薄片電阻Hong Xiao,Ph.D.薄片電阻II你確定兩者的電阻是相同的嗎？Rs=r/tRs=r/tHong Xiao,Ph.D.薄片電阻
22、問與答兩條傳導線都是用相同的金屬薄膜及相同的長寬比例來圖案化，他們的線電阻是否一樣?答：是.Hong Xiao,Ph.D.四點探針工具 最常使用來量測薄片電阻的工具 電流施加在兩個探針之間，在另外兩個探針之間量測電壓A 假如P1和P4 間的電流是 I,Rs=4.53 V/I,V is 是P2 和 P3 間的電壓 假如P1和P3 間的電流是 I,Rs=5.75 V/I,V is 是P2 和 P4 間的電壓 兩個方程式是在假設薄膜區域無線大時推導的，晶圓上的薄膜量測卻不正確Hong Xiao,Ph.D.S1S2S3P1P2P3P4VI薄膜基片四點探針測量Hong Xiao,Ph.D.金屬化學氣相沉
23、積法 廣泛的用來沉積金屬 非常好的階梯覆蓋性和間隙填充能力 可以填充微小的接觸窗孔以使金屬連接在一起.較差的品質，電阻率比PVD金屬薄膜高.主要用來作為栓塞和局部連線 不用在長距離連線中Hong Xiao,Ph.D.金屬 CVD 反應室製程反應室抽智幫浦加熱平台晶圓製程氣體射頻功率Hong Xiao,Ph.D.金屬 CVD 鎢,矽化鎢,鈦,和 氮化鈦 加熱製程，外在的熱量提供化學反應所需的自由能 射頻系統主要是用在製程反應室的電漿清潔過程Hong Xiao,Ph.D.金屬化學氣相沉積法製程的步驟 晶圓送進反應室 活動(Slip)閥門關閉 設定第二製程氣體的溫度與壓力 所有製程氣體注入，開始沉積
24、 主要製程氣體停止注入，第二製程氣體繼續 所有製程氣體停止注入 以氮氣吹除淨化反應室 活動(Slip)閥門開啟，機械手臂將晶圓取出Hong Xiao,Ph.D.金屬CVD反應室清潔步驟 反應室開始抽氣 設定淨化氣體的壓力與溫度 射頻開啟，開始電漿清潔步驟 射頻關閉，開始淨化反應室 設定第二製程氣體的壓力和溫度 主要製程氣體注入，開始沉積適應層(seasoning layer)主要製程氣體終止，第二製程氣體繼續 終止所有製程氣體 以氮淨化反應室 反應室準備下一次的沉積Hong Xiao,Ph.D.面積=A面積=B面積=A垂直的側壁傾斜的側壁A B垂直與傾斜式的接觸窗口Hong Xiao,Ph.D
25、.鎢 CVD 基本資訊鎢的來源氣體:六氟化鎢(WF6)添加反應物:氫(H2)溫度:400-475 C 100%的階梯覆蓋性Hong Xiao,Ph.D.典型的鎢 CVD 製程 晶圓送至反應室 設定壓力和氣體流量(H2,SiH4)成核反應開始發生(矽烷減少WF6)巨量沉積時改變壓力和氣體流量 巨量沉積發生(H2 減少WF6)幫浦抽除反應室氣體並且開始吹除淨化 晶圓送出反應室Hong Xiao,Ph.D.鎢 CVD 的化學反應矽上的成核步驟(形成所謂的選擇性鎢)2 WF6+3 Si 2 W(s)+3 SiF4附著層上的成核步驟2 WF6+3 SiH4 2 W(s)+3 SiF4+6 H2巨量沉積W
26、F6+3 H2 W(s)+6 HFWF6和水氣反應WF6+3 H2O WO3+6 HFHong Xiao,Ph.D.鎢種晶層與巨量層二氧化矽Ti/TiN 阻擋層和附著層金屬鎢種晶層鎢巨量層Hong Xiao,Ph.D.矽化鎢 CVD 和 RTP WF6 和 SiH4 作為 CVD 源氣體 匣極蝕刻之後退火 比矽化鈦的電阻率要高，所以普及性較低Hong Xiao,Ph.D.矽化鎢 當作匣極和局部連線 矽源氣體:SiH4 和 SiH2Cl2(DCS)鎢源材料是 WF6 SiH4/WF6:低溫,400 C,DCS/WF6:溫度較高,575 CHong Xiao,Ph.D.矽化鎢:CVD300 to
27、400 CWF6+2 SiH4 WSi2+6 HF+H2 製程窗口較寬，更成熟的製程500 to 600 C WF6+3.5 SiH2Cl2 WSi2+1.5 SiF4+7 HCl 較佳的薄膜階梯覆蓋性 更低的氟濃度Hong Xiao,Ph.D.矽烷為基礎的 Wsix製程WF6+2 SiH4 WSi2(s)+6 HF+H2 和鎢CVD 製程的成核步驟類似.主要的不同在於SiH4/WF6的流動速率比例 比例低於 3:1,鎢沉積 比例高於 10:1,矽化鎢沉積Hong Xiao,Ph.D.DCS為基礎的 Wsix製程2 WF6+7 SiH2Cl2 2 WSi2+3 SiF4+14 HCl 需要較高
28、的沉積溫度 較高的沉積速率 較佳的階梯覆蓋性 氟濃度較低 伸張型應力較少 較少發生薄膜脫落或破裂Hong Xiao,Ph.D.鈦 CVD 高溫(600 C)CVD 鈦在鈦沉積時同時可以和矽反應形成 TiSi2TiCl4+2 H2 Ti+4 HClTi+Si TiSi2Hong Xiao,Ph.D.氮化鈦 CVD 作為鎢栓塞的阻擋層/附著層 較佳的側壁階梯覆蓋性 在 PVD Ti 和 TiN的薄層沉積後，一層CVD TiN(200)的薄層通常被加在接觸窗/金屬層間的接觸窗孔Hong Xiao,Ph.D.CVD 與PVD 沉積的 TiN 層二氧化矽Ti 層金屬PVD TiN 層CVD TiN 層H
29、ong Xiao,Ph.D.CVD TiN 無機化學:TiCl4 和 NH3 在攝氏 400到 700 C:6TiCl4+8 NH3 6 TiN+24 HCl+N2 金屬有機CVD(MOCVD)在攝氏350 C 及 300 毫托:TiN(CH3)24 TiN+有機物Hong Xiao,Ph.D.CVD 鋁 研發來取代鎢栓塞 二甲烷氫化鋁(DMAH),Al(CH3)2H 約在攝氏350 C,DMAH 分解並沉積鋁Al(CH3)2H Al+揮發性有機物 困難在需要1%Cu 來改進抗電遷移的能力Hong Xiao,Ph.D.鋁金屬化製程所使用的群集反應室傳送室傳送室晶圓載入晶圓卸載預先清洗Ti/Ti
30、N PVDTiN CVDAl CVDAl-Cu PVD冷卻Hong Xiao,Ph.D.鋁 CVD/PVD Ti/TiN 阻擋層/附著層沉積 CVD鋁薄膜有好的窗孔填充能力，鋁合金 PVD,TiN PVD 不像鎢薄膜需要利用回蝕刻 不是成熟的技術 很難和銅金屬化製程競爭Hong Xiao,Ph.D.物理氣相沉積(PVD)Hong Xiao,Ph.D.物理氣相沉積 固態材料氣態化(Vaporizing)加熱或濺射步驟 在基片表面上凝結蒸氣 金屬化製程中非常重要的角色Hong Xiao,Ph.D.PVD vs.CVD PVD以物理作用為起點 CVD以化學反應為起點Hong Xiao,Ph.D.PV
31、D vs.CVD:來源 PVD固體材料 CVD氣體或蒸氣Hong Xiao,Ph.D.CVD vs.PVD加熱基板源材料氣體晶圓沉積的薄膜化學反應電漿靶材Hong Xiao,Ph.D.PVD 方法 蒸鍍 濺鍍Hong Xiao,Ph.D.PVD 方法:蒸鍍 燈絲蒸鍍 快閃熱平板(Flash hot plate)蒸鍍 電子束蒸鍍Hong Xiao,Ph.D.晶圓鋁材鋁蒸氣高電流源抽至幫浦 10-6 托熱蒸鍍器Hong Xiao,Ph.D.晶圓鋁材鋁蒸氣電源供應器抽至幫浦 10-6 托電子束電子束蒸鍍示意圖Hong Xiao,Ph.D.PVD 方法:濺鍍 直流二極體 射頻二極體 磁控式磁控式Hon
32、g Xiao,Ph.D.濺鍍製程靶材材料的原子會藉著撞擊離子的動量轉移而物理性的從表面被彈出Ar+Hong Xiao,Ph.D.直流二極體濺鍍系統靶材氬氣電漿晶圓夾盤-V晶圓金屬薄膜Hong Xiao,Ph.D.磁控濺鍍系統示意圖磁鐵腐蝕環溝靶材高密度電漿磁力線Hong Xiao,Ph.D.磁控濺鍍 PVD金屬化製程中最受歡迎的方法 樹叢式(grove)的方式有較多的濺鍍 晶圓有良好的薄膜均勻性Hong Xiao,Ph.D.PVD 反應室中遮蔽護罩裝置靶材遮蔽護罩晶圓夾盤晶圓Hong Xiao,Ph.D.氬氣的應用 濺鍍沉積 濺射蝕刻 在金屬沉積前預先清潔移除原生氧化層 將洞口傾斜式的開口擴大
33、以改善介電質間隙填充 圖案蝕刻 介電質來增強轟擊和損傷的效應Hong Xiao,Ph.D.氬氣的性質 惰性 較重 豐度 大氣成分中的 1%低成本Hong Xiao,Ph.D.氬的基本資料Hong Xiao,Ph.D.濺鍍濺鍍 純度較高的薄膜 均勻性較好 單晶圓,製程控制較佳 較大的晶圓尺寸蒸鍍蒸鍍 不純度較高 批量製程 較便宜的工具濺鍍 vs.蒸鍍Hong Xiao,Ph.D.PVD 真空的要求 真空反應室壁上的殘留氣體 H2O,水和鋁反應形成Al2O3 影響局部連線的導電率 唯一的方法是達到超真空(10-9 托)除去水蒸氣Hong Xiao,Ph.D.PVD 真空的需求 群集工具 階段式真空
34、 裝載平台:10-6 托 傳送室:10-7 到 10-8 托 沉積反應室:10-9 托Hong Xiao,Ph.D.PVD 真空:幫浦 濕式幫浦(oil diffusion pump):大氣壓 到 10-3 托,從生產工廠分階段去除.機械增壓式幫浦(Rough pump):大氣壓 到 10-5 托 渦輪幫浦(Turbo pump):10-2 到 10-7 托 冷凝幫浦(Cryo pump):到 10-10托 離子幫浦(Ion pump):到 10-11托Hong Xiao,Ph.D.金屬化整合製程所使用的群集式反應室PVD 靶材PVD反應室CVD反應室Hong Xiao,Ph.D.接觸窗以及金
35、屬層間的接觸窗口製程 除氣 預洗 鈦 PVD 氮化鈦 PVD 氮化鈦 CVD N2-H2 電漿處理 鎢 CVDHong Xiao,Ph.D.鋁局部連線製程 除氣 預洗 鈦 PVD 鋁-銅 PVD 氮化鈦 PVDHong Xiao,Ph.D.銅局部連線製程 除氣 預洗 鉭 PVD 銅 種晶 PVDHong Xiao,Ph.D.除氣 將晶圓加熱以驅除吸附在晶圓表面的氣體和水氣 否則在沉積製程期間所吸附的氣體與濕氣會逐漸逸出，並引起嚴重的污染而導致所沉積的金屬薄膜帶有高電阻率Hong Xiao,Ph.D.預洗 移除原生氧化層 降低接觸窗電阻 用氬離子濺射 射頻電漿Hong Xiao,Ph.D.氬離子
36、濺射清洗過程金屬原生氧化層Ar+氬氣電漿Hong Xiao,Ph.D.鈦 PVD 降低接觸電阻 低電阻率的較大的晶粒尺寸 晶圓在沉積製程期間通常會加熱到350 C 增加鈦附著原子的表面遷移率 改進階梯覆蓋Hong Xiao,Ph.D.準直式(collimating)濺射系統 使用在Ti 和 TiN 沉積 準直式系統允許金屬原子或分子主要以垂直方向移動 可以到達較深且狹窄的接觸窗/金屬層間的接觸窗孔的底部 改善底層階梯覆蓋Hong Xiao,Ph.D.準直式(collimating)濺射系統電漿準直器磁鐵靶材薄膜金屬層接觸窗口Hong Xiao,Ph.D.金屬電漿系統 Ti,TiN,Ta,和 T
37、aN 沉積 透過感應式耦合的機制，感應式耦合線圈中的射頻電流可以離子化金屬原子 帶正電的金屬原子會以幾乎垂直的方向與帶負電荷的晶圓表面產生撞擊 改善底部階梯覆蓋 降低接觸電阻Hong Xiao,Ph.D.離子化金屬電漿示意圖靶材電漿金屬層接觸窗孔-V射頻感應線圈Hong Xiao,Ph.D.氮化鈦 PVD 反應式的濺鍍製程 Ar 和 N2 N2 分子在電漿中分解 氮自由基與鈦原子反應在靶材表面形成TiN薄層.軋離子從靶材表面濺射出TiN，並重新將其沉積在晶圓表面Hong Xiao,Ph.D.PSGTiSi2n+TiN,PVDTiN 附著層,PVD&CVDWAl-CuTiN ARC,PVDTiN
38、的三種應用Ti焊接層,PVDTi阻擋層,PVDHong Xiao,Ph.D.鋁銅 PVD 超高真空狀態移除水氣，達到低的薄膜電阻率.階段性的真空會使用群集工具的幫浦組合 乾式幫浦,渦輪幫浦和冷凝幫浦 在一個冷凍捕捉器(frozen trap)中藉著冷凝氣體的殘餘物，冷凝幫浦可以幫助PVD反應室達到 10-10 托的壓力Hong Xiao,Ph.D.鋁銅 PVD 標準製程與熱鋁製程 標準製程:鋁-銅合金覆蓋在鎢栓塞上，通常是在鈦和氮化鈦沉積之後才進行的 沉積操作溫度大約在攝氏 200 C 晶粒尺寸較小，容易蝕刻 金屬退火可以形成尺寸較大的晶粒 較低的電阻率 較高 EMRHong Xiao,Ph.
39、D.鋁銅 PVD 熱鋁製程 填充接觸窗和金屬層間的接觸窗口，減少接觸電阻 數個製程步驟:Ti 沉積 Al-Cu 種晶層在低於攝氏200C的溫度下沉積 巨量 Al-Cu 層在較高的溫度(450C t到 500C)下沉積Hong Xiao,Ph.D.銅金屬化製程Hong Xiao,Ph.D.銅 比鋁的導電性較好 較高的速度和較少的功率消耗 較高的電遷移抵抗性 銅在矽和矽玻璃中的擴散速率都很高,引起重金屬污染，需要擴散阻擋層 乾式蝕刻應用困難，沒有簡單的氣體化合物Hong Xiao,Ph.D.銅 在CMP製程發展金屬鑲嵌製程 Ta 和/或 TaN 作為阻擋層 開始使用在IC生產工廠Hong Xiao
40、,Ph.D.銅 預積清洗 PVD 阻擋層(Ta 或 TaN,或兩者一起)PVD 銅種晶層 電化學電鍍巨量銅層 加熱退火改善導電率Hong Xiao,Ph.D.蝕刻溝槽和金屬層接觸窗孔FSG銅FSG銅氮化矽FSGHong Xiao,Ph.D.PVD沉積Ta阻擋層與銅種晶層TaFSG銅銅銅FSGFSG氮化矽Hong Xiao,Ph.D.FSG銅氮化矽TaFSG銅銅FSG電化學電鍍銅Hong Xiao,Ph.D.FSG銅氮化矽TaFSG銅銅氮化矽銅和鉭的CMP,製程 再以CVD沉積氮化矽密封層Hong Xiao,Ph.D.預洗步驟 氬濺射蝕刻用在預積的清洗步驟上 經常被使用 由於濺射可能產生銅污染的
41、問題 化學式預洗步驟 H2 和 He 的電漿 H 自由基和 CuO2 產生反應4 H+CuO2 Cu+2 H2OHong Xiao,Ph.D.阻擋層 銅擴散進入矽基片中損害微電子元件 需要阻擋層來防止 Ti,TiN,Ta,TaN,W,WN,厚度數百 的Ta層 經常被使用 在將來，Ta 和TaN 的組合會被採用來當阻擋層Hong Xiao,Ph.D.銅種晶層 PVD 銅層厚度約 500 到 2000 提供成核點以形成巨量銅的晶粒和薄膜.種晶層不存在 不會有沉積產生 沉積的品質和均勻性很差Hong Xiao,Ph.D.銅種晶層 銅蒸氣很容易被離子化 低壓時，平均自由路徑較長 銅離子可以被拋入金屬層
42、接觸窗孔和溝槽內 達到好的階梯覆蓋和平滑的薄膜表面 金屬層接觸窗孔非常窄時，PVD銅由於階梯覆蓋很差不再能夠達到種晶層的要求 CVD 銅製程或許可以被應用Hong Xiao,Ph.D.電化學電鍍(ECP)老技術 仍舊被許多工業應用，五金、玻璃、汽車以及電子業.IC工業最近也採用 巨量銅沉積 低溫製程 可以和低-k介電質整合Hong Xiao,Ph.D.電化學電鍍(ECP)硫酸銅(CuSO4)溶液 銅 陽極 含銅種晶層的晶圓作為陰極 固定電流 Cu2+離子擴散並沉基在晶圓上Hong Xiao,Ph.D.銅電化學電鍍法陽極,Cu電流硫酸銅溶液塑膠製的晶片載具Cu2+Cu2+Cu2+Cu2+晶圓陰極
43、，導電環銅薄膜Hong Xiao,Ph.D.金屬層間接觸窗孔和溝槽填充 為了達到較好的間隙填充，大量的正向脈衝電流以極少量的反向脈衝電流會被交互使用.反向電流移除銅，減少洞口的懸凸物.類似 沉積/蝕刻/沉積 製程 添加物幫助減少在溝槽和金屬層間接觸窗孔角落上的沉積，以進一步改善填洞能力Hong Xiao,Ph.D.電鍍法的金屬層接觸窗孔填充硫酸銅溶液Cu2+Cu2+鉭銅USGCu2+Cu2+Cu2+Cu2+USGHong Xiao,Ph.D.銅 CVD 雙-六氟乙酸-丙酮-銅,或 Cu(hfac)2Cu(hfac)2+H2 Cu+2 H(hfac)350 到 450 C 這個溫度對低介電常數材
44、料的製程整合太高Hong Xiao,Ph.D.CuII(hfac)2的化學結構CuOOOOCCCCCHCF3CF3HCF3CF3CHong Xiao,Ph.D.銅 CVD 有機金屬化合物 雙-六氟乙酸-丙酮-銅-乙烯-三甲基矽烷 Cu(hfac)(tmvs):C10H13CuF6O2Si2 Cu(hfac)(tmvs)Cu+Cu(hfac)2+2 tmvs 加熱製程 175 C,1 到 3 托 優良的階梯覆蓋性和間隙填充的能力Hong Xiao,Ph.D.銅 CVD Cu(hfac)(vtms)製程比銅CVD製程更有保證.但是必須面段更有產量保證的銅ECP製程的強大競爭 PVD/CVD 銅種晶層沉積Hong Xiao,Ph.D.
