前言

鎢化學(xué)氣相沉積（WCVD）工藝因其優(yōu)異的空隙填充能力成為鋁工藝通孔和接觸的主要金屬化技術(shù)。鎢在集成電子學(xué)中通常被用作高傳導(dǎo)性的互連金屬、金屬層間的通孔（Via）和垂直接觸的接觸孔（Contact）以及鋁和硅間的隔離層。

雖然鎢可以通過(guò)蒸發(fā)的方法來(lái)沉積，不過(guò)物理濺射（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）還是首選的技術(shù)。化學(xué)氣相沉積薄膜相比物理濺射薄膜有很多優(yōu)勢(shì)：低電阻率、對(duì)電遷移的高抵抗力，以及填充小通孔時(shí)優(yōu)異的平整性。

另外，化學(xué)氣相沉積工藝的階梯覆蓋能力先天地超過(guò)物理濺射工藝，垂直接觸和通孔可以很容易地被填充且沒(méi)有空 缺。化學(xué)氣相沉積的鎢還可以在金屬和硅上進(jìn)行選擇性沉積。化學(xué)氣相沉積方法的鎢可以由氟化鎢（WF6）制備而成。最常見(jiàn)的WCVD工藝主要反應(yīng)氣體有六氟化鎢（WF6）以及氫氣（H2）或甲硅烷（SiH4）。

鎢化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)（WCVD SYSTEM）是半導(dǎo)體集成電路制造設(shè)備中常用來(lái)生成鎢金屬連接的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)。它結(jié)合高溫，真空環(huán)境，通過(guò)化學(xué)氣體參與反應(yīng)，在晶圓表面產(chǎn)生工藝性能優(yōu)異的鎢金屬薄膜，該金屬薄膜經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨系統(tǒng)（CMP）研磨后，即得到鎢金屬連接線。鎢化學(xué)氣相沉積（WCVD）是熱化學(xué)氣相沉積（HIGH TEMPERATURE CVD）的一種，其沉積發(fā)生的激活能量是由高溫襯底提供的，反應(yīng)氣體先在混合器里面混合，然后流入工藝腔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在晶圓表面形成純鎢薄膜。

系統(tǒng)介紹
鎢化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)一般由主機(jī)和工藝腔組成。

主機(jī)是傳送芯片的機(jī)構(gòu)，由機(jī)械手將芯片傳送到各腔。傳送方式由工藝模式?jīng)Q定，工藝模式一般有單片單腔和單片多腔兩種。單片單腔是指單個(gè)晶圓在單一工藝腔完成所有工藝反應(yīng)。單片多腔是指單個(gè)晶圓在多個(gè)工藝腔參加反應(yīng)，即在每個(gè)工藝腔完成部分反應(yīng)。兩種模式各有所長(zhǎng)，單片單腔模式每個(gè)工藝腔相互獨(dú)立，將生產(chǎn)中不可控因素對(duì)晶圓的影響減到最低并有利于工藝腔維護(hù)。單片多腔模式可以提高生產(chǎn)效率。使用者可以靈活的根據(jù)不同的工藝模式來(lái)選擇不同的工藝順序和傳送方式。

機(jī)械手是主機(jī)的重要部件，一般由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)外部磁極，通過(guò)磁耦合驅(qū)動(dòng)內(nèi)部機(jī)械手臂動(dòng)作。這種設(shè)計(jì)能保證機(jī)械手高速穩(wěn)定的運(yùn)行。

工藝腔功能與結(jié)構(gòu)

工藝腔是進(jìn)行化學(xué)氣體反應(yīng)的場(chǎng)所。工藝腔體構(gòu)成一個(gè)高溫，真空的適合工藝反應(yīng)的密閉環(huán)境。晶圓由背壓吸附在電阻加熱器表面均勻加熱至高溫400攝氏度以上，化學(xué)反應(yīng)氣體經(jīng)過(guò)流量控制器調(diào)節(jié)流量后在工藝腔體內(nèi)均勻分布并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，腔體內(nèi)部氣體壓力由節(jié)流閥控制調(diào)節(jié)并保持穩(wěn)定以達(dá)到工藝氣體反應(yīng)要求。

下面簡(jiǎn)單介紹一下工藝腔主要部件。

●工藝腔
每臺(tái)主機(jī)可以外掛多個(gè)工藝腔。工藝腔由腔體和腔蓋組成，腔體內(nèi)部主要裝載電阻加熱器及工藝組件。由于電阻加熱器溫度很高，為保持腔體表面溫度不致過(guò)高，腔體內(nèi)部有循環(huán)水路降低并保持溫度，腔體一般保持特定的工藝溫度，由循環(huán)冷卻液保持溫度，冷卻液由各50％乙二醇和去離子水組成，經(jīng)熱交換器進(jìn)行熱量交換。

腔蓋可以將工藝腔與大氣隔離，形成一個(gè)高真空的密閉工藝環(huán)境。腔蓋內(nèi)部部件是工藝氣體及射頻源的通路，主要由冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及氣體組件構(gòu)成。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)用于保持腔蓋溫度穩(wěn)定在室溫，目的是防止化學(xué)反應(yīng)時(shí)鎢沉積在腔蓋內(nèi)部淋浴頭工藝件表面，影響工藝特性。氣體組件由兩條氣路組成，兩組互不反應(yīng)的氣體分別由氣柜流至腔蓋內(nèi)部，經(jīng)兩條氣路至一個(gè)混合器混合后，經(jīng)由兩個(gè)各有上百個(gè)網(wǎng)孔的淋浴頭工藝件均勻分布，最后在工藝腔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

腔蓋的另一個(gè)主要作用是射頻源的陽(yáng)極。當(dāng)工藝腔進(jìn)行一段時(shí)間工藝后，較厚的鎢沉積在腔內(nèi)壁將影響工藝特性，此時(shí)需要清理沉積的鎢。一般通過(guò)射頻（RF）或微波（MICROWAVE）方法進(jìn)行清理。如美國(guó)應(yīng)用材料公司200毫米鎢化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)（WCVD SYSTEM）采用射頻（RF）清理鎢沉積，射頻源經(jīng)調(diào)節(jié)器至腔蓋氣箱形成射頻陽(yáng)極，產(chǎn)生高壓射頻，電離三氟化氮（NF3）氣體為氟（F）等離子，用氟(F)等離子與鎢（W）反應(yīng)，進(jìn)行清理。為防止三氟化氮（NF3）氣體在腔蓋氣路內(nèi)被射頻源電離，氣路組件采用梯度壓降通路件均勻降低高電壓，即在兩條氣路管外套兩個(gè)陶瓷電阻，該電阻可線性降低電壓，保證三氟化氮（NF3）氣體在進(jìn)入腔體后再被電離。

在設(shè)備的定期保養(yǎng)和清洗中，電阻加熱器及工藝組件需要表面研磨和清洗，以延長(zhǎng)使用壽命和減少故障次數(shù)。

● 電阻加熱器
鎢沉積是化學(xué)反應(yīng)，熱量是促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的重要條件。電阻加熱器是工藝主要部件，對(duì)工藝特性影響相當(dāng)大。加熱器中心有一個(gè)純電阻元件，能快速加熱至高溫并均勻傳遞熱量至晶圓表面，晶圓靠熱傳導(dǎo)傳遞熱量，當(dāng)背面有真空壓力時(shí)，熱傳導(dǎo)能力更強(qiáng)。晶圓在進(jìn)行工藝反應(yīng)時(shí)靠壓差吸附在加熱器表面，腔內(nèi)即表面壓力大，背面有真空及氬氣（Ar）控制，壓力小。加熱器邊緣有一圈氣孔用于小流量氬氣（Ar）及氫氣（H2）控制晶圓邊緣壓力，能有效防止邊緣沉積鎢和改善工藝均勻性。

● 射頻調(diào)節(jié)器及刻蝕終點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)

上面提到過(guò)，射頻源是用氟（F）離子清理工藝清除沉積鎢。射頻調(diào)節(jié)器的作用是通過(guò)調(diào)節(jié)阻抗使射頻源與工藝腔達(dá)到諧振，從而使得最大射頻作用于離子工藝。射頻調(diào)節(jié)器內(nèi)部部件主要為電感和電容，工作原理是兩個(gè)直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)電感，電容，調(diào)節(jié)至適當(dāng)角度，達(dá)到并保持諧振。

刻蝕終點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的作用是通過(guò)檢測(cè)氟（F）離子濃度來(lái)決定鎢（W）是否被完全刻蝕。其工作原理為通過(guò)檢測(cè)特定波長(zhǎng)的光，來(lái)確定刻蝕是否結(jié)束。氟（F）等離子體會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)為704納米的光波，它們透過(guò)波段為700～750納米的濾光器，被光學(xué)傳感器感應(yīng)，再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給主控制器。當(dāng)刻蝕開始時(shí)，氟(F)離子與鎢（W）大量反應(yīng)，光波信號(hào)很弱，隨著刻蝕進(jìn)行，鎢（W）被逐漸刻蝕，氟（F）離子開始增加，光波信號(hào)加強(qiáng)，最后鎢（W）被完全刻蝕，氟（F）離子趨于飽和，光波信號(hào)不再增加，顯示刻蝕結(jié)束。

● 氣體組件

氣體組件由一組閥和流量控制器構(gòu)成，主要作用是調(diào)節(jié)加熱器背壓及邊緣壓力。組閥與流量控制器配合可以保持加熱器中心真空壓力以吸附晶圓和調(diào)節(jié)背壓。流量控制器通過(guò)自帶的特殊控制器調(diào)節(jié)氣體壓力。背壓控制壓力檢測(cè)裝置是一個(gè)毫乇級(jí)真空壓力計(jì)，它與組閥連接，檢測(cè)壓力信號(hào)給背壓流量控制器。

● 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由干泵、隔離閥、節(jié)流閥、真空壓力計(jì)和真空管路組成。其主要作用是保持工藝腔真空壓力和排放工藝氣體。干泵真空度可達(dá)0.1毫乇。氣體壓力通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)，它是通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)擋片角度實(shí)現(xiàn)的。真空壓力計(jì)檢測(cè)真空壓力，可以精確到毫乇級(jí)，用于檢測(cè)不同范圍真空壓力。

結(jié)語(yǔ)
隨著銅工藝的發(fā)展，尤其是單鑲嵌和雙鑲嵌流程的引入，在0.13微米及后續(xù)技術(shù)中，銅由于其極低的電阻率在互聯(lián)金屬應(yīng)用中取代了鎢。不過(guò)到目前為止，由于銅的遷移問(wèn)題以及在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）中的中毒效應(yīng)，鎢仍然是接觸應(yīng)用中唯一的候選者。由于工藝上的考量，不同工藝其設(shè)計(jì)重點(diǎn)也都不盡相同。本文只介紹了一些較為常見(jiàn)的配置，希望讀者對(duì)鎢化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)有一些基本了解。