钨化学气相沉积系统简介

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。

机械手是主机的重要部件，一般由直流电机驱动外部磁极，通过磁耦合驱动内部机械手臂动作。

这种设计能保证机械手高速稳定的运行。

工艺腔功能与结构工艺腔是进行化学气体反应的场所。

工艺腔体构成一个高温，真空的适合工艺反应的密闭环境。

晶圆由背压吸附在电阻加热器表面均匀加热至高温400摄氏度以上，化学反应气体经过流量控制器调节流量后在工艺腔体内均匀分布并进行化学反应，腔体内部气体压力由节流阀控制调节并保持稳定以达到工艺气体反应要求。

下面简单介绍一下工艺腔主要部件。

●工艺腔每台主机可以外挂多个工艺腔。

工艺腔由腔体和腔盖组成，腔体内部主要装载电阻加热器及工艺组件。

由于电阻加热器温度很高，为保持腔体表面温度不致过高，腔体内部有循环水路降低并保持温度，腔体一般保持特定的工艺温度，由循环冷却液保持温度，冷却液由各50％乙二醇和去离子水组成，经热交换器进行热量交换。

腔盖可以将工艺腔与大气隔离，形成一个高真空的密闭工艺环境。

腔盖内部部件是工艺气体及射频源的通路，主要由冷却水循环系统及气体组件构成。

冷却水循环系统用于保持腔盖温度稳定在室温，目的是防止化学反应时钨沉积在腔盖内部淋浴头工艺件表面，影响工艺特性。

气体组件由两条气路组成，两组互不反应的气体分别由气柜流至腔盖内部，经两条气路至一个混合器混合后，经由两个各有上百个网孔的淋浴头工艺件均匀分布，最后在工艺腔内发生化学反应。

腔盖的另一个主要作用是射频源的阳极。

当工艺腔进行一段时间工艺后，较厚的钨沉积在腔内壁将影响工艺特性，此时需要清理沉积的钨。

一般通过射频（RF）或微波（MICROW A VE）方法进行清理。

如美国应用材料公司200毫米钨化学气相沉积系统（WCVD SYSTEM）采用射频（RF）清理钨沉积，射频源经调节器至腔盖气箱形成射频阳极，产生高压射频，电离三氟化氮（NF3）气体为氟（F）等离子，用氟(F)等离子与钨（W）反应，进行清理。

为防止三氟化氮（NF3）气体在腔盖气路内被射频源电离，气路组件采用梯度压降通路件均匀降低高电压，即在两条气路管外套两个陶瓷电阻，该电阻可线性降低电压，保证三氟化氮（NF3）气体在进入腔体后再被电离。

在设备的定期保养和清洗中，电阻加热器及工艺组件需要表面研磨和清洗，以延长使用寿命和减少故障次数。

●电阻加热器钨沉积是化学反应，热量是促进化学反应的重要条件。

电阻加热器是工艺主要部件，对工艺特性影响相当大。

加热器中心有一个纯电阻元件，能快速加热至高温并均匀传递热量至晶圆表面，晶圆靠热传导传递热量，当背面有真空压力时，热传导能力更强。

晶圆在进行工艺反应时靠压差吸附在加热器表面，腔内即表面压力大，背面有真空及氩气（Ar）控制，压力小。

加热器边缘有一圈气孔用于小流量氩气（Ar）及氢气（H2）控制晶圆边缘压力，能有效防止边缘沉积钨和改善工艺均匀性。

●射频调节器及刻蚀终点检测系统上面提到过，射频源是用氟（F）离子清理工艺清除沉积钨。

射频调节器的作用是通过调节阻抗使射频源与工艺腔达到谐振，从而使得最大射频作用于离子工艺。

射频调节器内部部件主要为电感和电容，工作原理是两个直流电机分别驱动电感，电容，调节至适当角度，达到并保持谐振。

刻蚀终点检测系统的作用是通过检测氟（F）离子浓度来决定钨（W）是否被完全刻蚀。

其工作原理为通过检测特定波长的光，来确定刻蚀是否结束。

氟（F）等离子体会发射波长为704纳米的光波，它们透过波段为700～750纳米的滤光器，被光学传感器感应，再转换为电信号传给主控制器。

当刻蚀开始时，氟(F)离子与钨（W）大量反应，光波信号很弱，随着刻蚀进行，钨（W）被逐渐刻蚀，氟（F）离子开始增加，光波信号加强，最后钨（W）被完全刻蚀，氟（F）离子趋于饱和，光波信号不再增加，显示刻蚀结束。

● 气体组件气体组件由一组阀和流量控制器构成，主要作用是调节加热器背压及边缘压力。

组阀与流量控制器配合可以保持加热器中心真空压力以吸附晶圆和调节背压。

流量控制器通过自带的特殊控制器调节气体压力。

背压控制压力检测装置是一个毫乇级真空压力计，它与组阀连接，检测压力信号给背压流量控制器。

●真空系统真空系统由干泵、隔离阀、节流阀、真空压力计和真空管路组成。

其主要作用是保持工艺腔真空压力和排放工艺气体。

干泵真空度可达0.1毫乇。

气体压力通过节流阀调节，它是通过控制电机驱动挡片角度实现的。

真空压力计检测真空压力，可以精确到毫乇级，用于检测不同范围真空压力。

结语随着铜工艺的发展，尤其是单镶嵌和双镶嵌流程的引入，在0.13微米及后续技术中，铜由于其极低的电阻率在互联金属应用中取代了钨。

不过到目前为止，由于铜的迁移问题以及在互补金属氧化物半导体（CMOS）中的中毒效应，钨仍然是接触应用中唯一的候选者。

由于工艺上的考量，不同工艺其设计重点也都不尽相同。

本文只介绍了一些较为常见的配置，希望读者对钨化学气相沉积系统有一些基本了解。

WCVD在集成电路中的应用2006-2-13作者：康健 Applied Materials China -- 半导体国际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淀积，不过溅射和化学气相淀积（CVD）还是首选的技术。

CVD薄膜相比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的优异的平整性。

CVD钨还可以提供在金属和硅上进行选择性淀积。

CVD方法的钨可以由氯化钨、氟化钨和羟基钨制备而成。

最常见的CVD工艺主要反应气体有六氟化钨以及氢气或甲硅烷，下面将作详细讨论。

SiH4浸泡时的反应：SiH4 => si+ H2成核时：SiH4 + WF6 => W + SiH4 + HFSi + WF6 => W + SiH4大批淀积时：WF6 + H2 => W + HFWCVD工艺一般由四个步骤组成：加热并用SiH4浸泡（Soak），成核（Nucleation），大批淀积（Bulk Deposition）和残余气清洗（Purge）。

（图2）因为WCVD受热激发或化学反应的限制，所以晶圆需要先充分加热为后续反应做准备。

SiH4浸泡在一些技术文章中也被称作SiH4引发。

在这一步中SiH4分解成Si和H2形成一薄层的无定形硅。

在成核这一步中，SiH4和氢气的混合气体与WF6源气体反应形成了一薄层钨，这一薄层钨作为后续钨层的生长点。

成核层的均匀度和淀积速率取决于前期加热是否充分或预热时间是否足够长。

通过增加反应压强，可以缩短预热时间。

成核是整个淀积过程中非常关键的一步，并且对后续膜的均匀度和其他特征有强烈的影响。

因为钨与氧化物粘着力不强并且WF6会和硅发生反应，所以在WCVD淀积之前必须先淀积一层粘着层和一层阻挡层，例如，Ti/TiN或TiW。

Ti和氧化物有非常好的粘连性，并能够在源/漏区和硅反应形成TiSix，这样大大减小了接触电阻。

而且，Ti一般通过物理气相方法（PVD）制取，标准PVD 淀积的Ti的阶梯覆盖性能很差，而且会和WF6反应。

因此，在接触孔或通孔上有必要在WCVD前淀积第二层TiN阻挡层。

这个粘着层/阻挡层使得钨能够完全地粘连在接触孔或通孔的氧化物上，并有效地防止WF6与硅衬底和氧化物发生反应。

如果没有粘着层/阻挡层而钨淀积反应直接在硅上进行，WF6与下层的硅反应导致硅的消耗以及对衬底的侧向侵蚀。

另外，形成的Wsix的电阻率相对TiSix也很高。

目前，在工业界Ti/TiN 是防止钨与硅衬底反应的最好阻挡，所以它是首选的粘着层/阻挡层。

因为WF6和H2反应的压强大，淀积速率高，所以大批淀积这一步生长的钨占整个反应钨量的90％以上。

清洗步骤是为了把未反应的气体和副产品清出反应腔，通常的方法是用大量Ar和N2充入反应腔借助真空泵抽走。

WCVD主要有两个问题：气相反应（GPR）和WF6腐蚀。

（图3）GPR是因为在SiH4/WF6混合气体中SiH4比例很高，这使得SH4和WF6在未到达晶圆表面前就发生反应。

这可以通过控制SiH4的比例来控制。

当高浓度的WF6暴露在Ti/TiN堆叠膜上方时，如果TiN阻挡层不足于阻止WF6的扩散，WF6将会直接和Ti反应形成“火山”，这就是WF6腐蚀。

随着Cu工艺的发展，尤其是单镶嵌和双镶嵌流程的引入，在0.13微米及后续技术节点中，Cu由于其极低的电阻率在互联金属应用中取代了W。

不过到目前为止，由于Cu的迁移问题以及在CMOS中的中毒效应，W仍然是接触应用中唯一的候选者。