化学气相沉积简介

钨化学气相沉积系统简介

前言

钨化学气相沉积（WCVD）工艺因其优异的空隙填充能力成为铝工艺通孔和接触的主要金属化技术。钨在集成电子学中通常被用作高传导性的互连金属、金属层间的通孔（Via）和垂直接触的接触孔（Contact）以及铝和硅间的隔离层（图1）。

虽然钨可以通过蒸发的方法来沉积，不过物理溅射（PVD）和化学气相沉积（CVD）还是首选的技术。化学气相沉积薄膜相比物理溅射薄膜有很多优势：低电阻率、对电迁移的高抵抗力，以及填充小通孔时优异的平整性。

另外，化学气相沉积工艺的阶梯覆盖能力先天地超过物理溅射工艺，垂直接触和通孔可以很容易地被填充且没有空 缺。化学气相沉积的钨还可以在金属和硅上进行选择性沉积。化学气相沉积方法的钨可以由氟化钨（WF6）制备而成。最常见的WCVD工艺主要反应气体有六氟化钨（WF6）以及氢气（H2）或甲硅烷（SiH4）。

钨化学气相沉积系统（WCVD SYSTEM）是半导体集成电路制造设备中常用来生成钨金属连接的化学气相沉积系统。它结合高温，真空环境，通过化学气体参与反应，在晶圆表面产生工艺性能优异的钨金属薄膜，该金属薄膜经过化学机械研磨系统（CMP）研磨后，即得到钨金属连接线。钨化学气相沉积（WCVD）是热化学气相沉积（HIGH TEMPERATURE

CVD）的一种，其沉积发生的激活能量是由高温衬底提供的，反应气体先在混合器里面混合，然后流入工艺腔内发生化学反应，并在晶圆表面形成纯钨薄膜。

系统介绍

钨化学气相沉积系统一般由主机和工艺腔组成。

主机是传送芯片的机构，由机械手将芯片传送到各腔。传送方式由工艺模式决定，工艺模式一般有单片单腔和单片多腔两种。单片单腔是指单个晶圆在单一工艺腔完成所有工艺反应。单片多腔是指单个晶圆在多个工艺腔参加反应，即在每个工艺腔完成部分反应。两种模式各有所长，单片单腔模式每个工艺腔相互独立，将生产中不可控因素对晶圆的影响减到最低并有利于工艺腔维护。单片多腔模式可以提高生产效率。使用者可以灵活的根据不同的工艺模式来选择不同的工艺顺序和传送方式。

- 1 - 化学气相沉积

1 前言

化学气相沉积CVD(Chemical Vapor Deposition)是利用加热，等离子体激励或光辐射等方法，使气态或蒸汽状态的化学物质发生反应并以原子态沉积在置于适当位置的衬底上，从而形成所需要的固态薄膜或涂层的过程。

一般地说，化学气相沉积可以采用加热的方法获取活化能，这需要在较高的温度下进行；也可以采用等离子体激发或激光辐射等方法获取活化能，使沉积在较低的温度下进行。另外，在工艺性质上，由于化学气相沉积是原子尺度内的粒子堆积，因而可以在很宽的范围内控制所制备薄膜的化学计量比；同时通过控制涂层化学成分的变化，可以制备梯度功能材料或得到多层涂层。在工艺过程中，化学气相沉积常常在开放的非平衡状态下进行，根据耗散结构理论，利用化学气相沉积可以获得多种晶体结构。在工艺材料上，化学气相沉积涵盖无机、有机金属及有机化合物，几乎可以制备所有的金属（包括碳和硅），非金属及其化合物（碳化物、氮化物、氧化物、金属间化合物等等）沉积层。另外，由于气态原子或分子具有较大的转动动能，可以在深孔、阶梯、洼面或其他形状复杂的衬底及颗粒材料上进行沉积。为使沉积层达到所需要的性能，对气相反应必须精确控制。

正是由于化学气相沉积在活化方式、涂层材料、涂层结构方面的多样性以及涂层纯度高工艺简单容易进行等一系列的特点，化学气相沉积成为一种非常灵活、应用极为广泛的工艺方法，可以用来制备各种涂层、粉末、纤维和成型元器件。特别在半导体材料的生产方面，化学气相沉积的外延生长显示出与其他外延方法（如分子束外延、液相外延）无与伦比的优越性，即使在化学性质完全不同的衬底上，利用化学气相沉积也能产生出晶格常数与衬底匹配良好的外延薄膜。此外，利用化学气相沉积还可生产耐磨、耐蚀、抗氧化、抗冲蚀等功能涂层。在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。经过CVD处理后，表面处理膜密着性约提高30%，防止高强力钢的弯曲，拉伸等成形时产生的刮痕。

化学气相沉积的设备

化学气相沉积工艺装置主要由反应室、供气系统和加热系统组成。反应室是CVD中最基本的部分，常采用石英管制成，其壁可分为热态和冷态。

在室温下，进行化学气相沉积的原料不一定都是气体，如果源物质有液态原料，需加热形成蒸汽或气态反应剂反应，形成气态物质导入沉积区，由载流气体携带入炉;如果源物质有固体原料，一般是通过一定的气体与之发生气—固或气—液反应，形成适当的气态组分，将产生的气态组分输送入反应室，在这些反应物载入沉积区之前，一般不希望它们之间相互反应，因此，在低温下会相互反应的物质在进入沉积区之前应隔开。

前两种类型是反应器壁和原料都不加热，即所谓的冷壁反应器，一般地，这类反应器的反应物在室温下是气体或者具有较高蒸汽压的物质;后两种类型的原料区和反应器壁是加热的，即所谓的热壁反应器，反应器的加热是为了防止反应物的冷凝。

(摘自于表面处理手册)

紧固件

论述物理气相沉积和化学气相沉积的优缺点

物理气相沉积技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。 物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。

真空蒸镀基本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基体表面上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料，使蒸发成气相，然后沉积在基体表面，历史上，真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。

溅射镀膜基本原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+)，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。如果采用直流辉光放电，称直流(Qc)溅射，射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。 电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电，阴极表面快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至“异华”镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。

离子镀基本原理是在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子部分电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下，离子沉积于基体表面形成薄膜。

物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：

(1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。

(2)镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应。