原子層化學氣相沉積(Atomic Layer Chemical Vapor Deposition, ALCVD)

顧名思義,原子層化學氣相沉積(ALCVD )是一種逐層沉積原子層級厚度的薄膜沉積技術,ALCVD利用氣體前驅物在基材表面進行選擇性化學吸附反應時, 在達到單一飽和吸附層狀態後,即不再產生表面吸附反應,因此在薄膜成長過程中, 利用此一自我限制的反應特性,即可以實現原子級厚度的薄膜成長。由於優異的均勻覆蓋率與順應性, ALCVD程技術被認為是未來IC製程技術中, 進行超薄與極小結構之薄膜沉積極重要之 CVD 技術,可被應用的製程模組包括高介電係數閘極介電層與銅金屬連線技術裡的Cu晶種層與阻障層。圖一為利用Al(CH3)3H2O作為反應物以成長高介電質三氧化二鋁的 ALCVD沉積步驟示意圖,首先在適當的溫度使基材表面產生氫氧基 , 接著將? Al(CH3)3? 前驅物通入反應腔,Al(CH3)3OH表面官能基發生反應,生成物甲烷(CH4),並在高溫狀態下脫附離開表面,當表面層的OH基完全反應完畢, Al(CH3)3 便不再吸附在基材表面 ,此時利用Ar氣體流過表面,以帶走殘留表面的雜質,接著通H2O氣體,H2O與表面上的甲基(CH3)反應生成OH表面官能基與 CH4體分子,兩個相鄰的OH 基交互作用而發生脫水反應,鋁原子於是與氧原子形成化學鍵結,當表面所有的CH3 基全被 OH基取代,氧化鋁第一原子層於是產生 ,接著通進Ar氣體,帶走殘留表面的雜質,如此便完成一個循環(cycle) ,理論上,現在表面上已經成長出了一層非常均勻的原子級厚度的薄膜生成物,要增加薄膜厚度,只須重覆前述的循環步驟。 ALCVD沉積法一般可分為加熱式爐管 (thermal) ALCVD與電漿輔助ALCVD,圖二Thermal ALCVD的設施示意圖。

 

 

 

(Cu)製程的發展早期因無合適的乾蝕刻技術而停滯,一直到鑲嵌(damascene)製程的提出而有所突破。隨著半導體技術的進步,元件尺寸不斷地縮小至奈米的領域,銅導線技術也成為標準製程,使用銅做為導線材料有三項主要的優點:(1) 銅的電阻值比鋁低30 %(~1.7 μΩ-cm)(2) 栓塞(via)阻抗值降低10~20倍,(與鋁在0.13 μm中的應用作比較)(3)銅的電子遷移(electromigration)阻抗值為鋁的30~100倍。但是銅原子很容易經由擴散而與矽或是氧化矽形成矽化銅,造成IC特性劣化與故障,而且銅金屬與大多數介電薄膜的附著性不佳,為了有效解決這方面的問題,須在銅導線與介電層間沉積一層擴散阻障層(diffusion barrier layer)來防止銅的擴散。 目前絕大多數的業者是選用鉭(Ta)或是鉭的氮化物,即氮化鉭(TaNx)來作為阻障層材料。其本身除了具備低電阻率的特性外,Ta對於Cu的附著性佳,而TaNx又與一般氧化介電層有著不錯的附著能力,因此目前業界主要採行的方式是PVD-Ta/TaNx的疊層架構。另外在銅導線形成部份,主要以電鍍銅為主,由於阻障層的電阻率對電鍍製程而言仍屬過高,因此在電鍍需一銅晶種層 (seed layer) 的沉積。為了提升阻障層與晶種層在鑲嵌結構表面的階梯覆蓋能力,薄膜的沉積主要採用改良式的PVD技術,如準直管或離子化? PVD(I-PVD)來進行金屬鍍膜製程。這些PVD技術,預估將可能被持續應用至65 nm的製程技術節點,然而當進入次65 nm技術範疇後, ALCVD技術被認為是唯一可以沉積超薄薄膜的製程技術,因為ALCVD擁有披覆性良好,膜厚均勻,又具低電阻的薄膜沉積效果,因此被認為將是未來IC 製程技術中,用以在極小結構內沉積超薄薄膜極為重要的CVD技術。

 

圖三 本實驗室的 PE-ALCVD系統

 

在銅金屬連線技術研究工作中,我們利用電漿增強原子層化學氣相沉積(PE-ALCVD)成長諸如TaN等擴散阻障層及銅晶種層,圖三為我們實驗室的 PE-ALCVD系統實體相片。為了能達捯小於10 nm的膜厚,可以選擇適當的沉積循環次數來控制沉積厚度,一次循環過程包含四個步驟:首先利用Ar等惰性氣體連帶出金屬前驅物的揮發氣體,使其吸附於基材表面上;持續一段短暫時間後,進行腔體抽真空與Ar淨化(purge);第三階段則是通入H2N2,並導入RF電漿進行反應;最後關閉RF電漿,停止通入H2N2,再進行腔體抽真空與Ar淨化。所有的過程與一般加熱式ALCVD一樣,但多了電漿輔助的部份,以此法所沉積的TaN薄膜,其含N量較少,因此薄膜的電阻率(res-istivity)較小。當金屬薄膜厚度尺寸縮小的同時,薄膜電阻會隨之增加, 因此我們採取PE-ALCVD的沉積方式來減小電阻上升的問題。選擇合適的反應前驅物,是ALCVD製程技術上中最重要的工作 ,一般為固態或液態的金屬有機化合物或鹵化物。在TaTaNx擴散阻障層的研究部份,我們將以TaCl5 作為前驅物,若欲沉積TaNx薄膜,則通入N2並以RF電漿活化來形成TaNx結構, 其反應步驟原理如圖四所示;若只需要沉積Ta金屬薄膜,則在上述之第三階段不需通入N2,因此整個Ta/TaNx疊層將可以一連續製程來完成。另外,由於H2 電漿可用來還原Ta(V)H2 電漿處理條件將與薄膜密度及電阻率有關,這亦是我們研究的重點。

 

圖四 反應步驟原理

 

Selected publications

1.      C.-C. Chang, F.-M. Pan and C.-W. Chen, “Pore sealing of mesoporous silica low-k dielectrics by oxygen and argon plasma treatments”, Microelectron. Eng., 86 (2009) 2241-2246.

2.      C.-C. Chang, F.-M. Pan and C.-W. Chen, "Effect of surface reduction treatments of plasma-enhanced atomic layer chemical vapor deposited TaNx on Adhesion with Copper", J. Electrochem. Soc., 157 (2010) G62-66.

3.     C.-C. Chang and F.-M. Pan, “In-situ Two-step Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition of Ru/RuNx Barriers for Seedless Copper Electroplating”, J. Electrochem. Soc., 158 (2011) G97-G102.