LPCVD 與 PECVD 的差異:溫度、膜質、階梯覆蓋性、應力、用途比較

兩者都是讓氣體原料反應來形成薄膜的 CVD,但提供反應能量的方式不同。LPCVD 在減壓的爐管中僅以 600~800 ℃ 左右的熱進行反應,因此能形成緻密、含氫少的薄膜,且在階梯上也能均勻沉積。PECVD 以電漿分解原料氣體,因此可在 300~400 ℃ 左右的低溫成膜,在形成導線後的製程中也能使用。但膜中含有大量氫,密度偏低。

項目LPCVDPECVD
反應的能量僅靠熱以電漿(射頻放電)分解、活化原料氣體
溫度(典型範圍)600~800 ℃ 左右300~400 ℃ 左右
壓力(典型範圍)數十至數百 Pa數百 Pa 左右
處理方式立式爐管的批次處理。將 100 片以上的晶圓排列後一次成膜以單片式為主流。在噴灑頭電極下方逐片處理晶圓
膜質緻密,組成接近化學計量比。蝕刻速率慢密度偏低,組成容易偏離。蝕刻速率快
氫含量(以氮化膜為例)數 % 以下以 Si-H 或 N-H 的形式約 10~30%
階梯覆蓋性屬於表面反應控制,因此在階梯上也能以接近均勻的厚度沉積多半不如 LPCVD。可依原料與條件加以改善
薄膜應力氮化膜具有約 1 GPa 的大拉伸應力。膜加厚後容易破裂可透過高頻與低頻功率的比例等,在壓縮到拉伸之間調整
產能每次處理含升溫、降溫在內耗時較長,但可同時處理多片成膜速率快,每片的處理時間短
可使用的製程形成導線之前(仍可承受高溫的階段)形成導線之後也能使用
主要薄膜與用途多晶矽、LOCOS 或 STI 遮罩與間隙壁用的氮化膜、TEOS 氧化膜層間介電膜、保護膜、銅的擴散阻障膜、SiON 抗反射膜、硬遮罩

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

LPCVD
在可承受高溫的製程中,以緻密性、純度與階梯覆蓋性為優先時。例如閘極的多晶矽、元件隔離或間隙壁的氮化膜等製作電晶體的前段製程。
PECVD
底層無法承受高溫時。例如形成鋁或銅導線後的層間介電膜或保護膜,以及需要調整應力的氮化膜。
選用的參考
首先依熱預算(溫度最高可以提高到多少)決定可用的方式。接著比較所需的膜質、覆蓋性、應力與處理速度來選擇。

常見問題

為什麼 PECVD 能在低溫下成膜?

因為電漿中的高能電子撞擊原料氣體,將其分解為容易反應的自由基與離子。即使不把氣體或晶圓本身加熱到高溫,反應也能進行,因此相對於熱 CVD 的 600~800 ℃,可在 300~400 ℃ 左右成膜。

為什麼形成導線後不能使用 LPCVD?

因為需要 600~800 ℃ 左右的高溫,會使鋁導線熔化或變形,銅導線與 low-k 膜也會劣化。導線製程一般必須將溫度控制在 400 ℃ 左右以下,因此使用 PECVD。

PECVD 的膜含氫量高,會造成什麼問題?

膜的密度會下降,濕式蝕刻的速率變快。此外,若在後續的熱處理中氫脫離,膜可能收縮而改變應力。因此需要緻密性或純度的薄膜會選用 LPCVD。

為什麼 LPCVD 一次處理多片晶圓,膜厚仍能一致?

因為減壓後氣體分子的擴散變快,成膜速率由表面反應而非氣體供應決定(表面反應控制)。只要表面溫度一致,即使晶圓以數 mm 的間隔排列,各處都能沉積出幾乎相同厚度的薄膜。

理解度檢測

關於電漿輔助CVD(PECVD)的主要優點,下列何者正確?

  1. A需要比熱CVD更高的溫度
  2. B薄膜中完全不含氫
  3. C可在比熱CVD更低的溫度下成膜
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正確答案:C. 可在比熱CVD更低的溫度下成膜

電漿CVD利用電漿中電子的能量使原料氣體分解、活化,因此能以約300~400 ℃的溫度成膜,低於僅靠熱反應的熱CVD(約600~800 ℃)。用於鋁或銅配線形成後等無法高溫的製程,沉積層間絕緣膜與保護膜。另一方面,薄膜中容易含有源自原料氣體的氫,膜質有劣於熱CVD的傾向。

關於低壓CVD(LPCVD)的特徵,下列何者正確?

  1. A因在低壓下進行,膜厚均勻性佳,且可一次處理大量晶圓
  2. B因在大氣壓下進行,裝置最為簡單
  3. C因使用電漿,可在室溫成膜
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正確答案:A. 因在低壓下進行,膜厚均勻性佳,且可一次處理大量晶圓

LPCVD是減壓至數十~數百Pa左右進行的熱CVD。減壓後氣體分子的擴散變快,成膜速率由表面反應決定(表面反應限速),因此即使將晶圓以數mm的間隔直立排列100片以上,也能得到均勻的薄膜。階梯覆蓋率也佳,用於多晶矽、氮化矽膜、TEOS氧化膜等的成膜。溫度高達600~800 ℃左右,無法用於配線形成之後。

就相同材料的薄膜比較時,高溫熱CVD膜一般優於電漿CVD膜的點為下列何者?

  1. A成膜溫度低
  2. B成膜速率一定較快
  3. C薄膜緻密,氫等雜質少
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正確答案:C. 薄膜緻密,氫等雜質少

在高溫熱CVD中,原料充分反應而形成緻密的薄膜,源自原料的氫等雜質也少,組成也接近化學計量比。例如LPCVD氮化膜的氫在數%以下,而電漿CVD的氮化膜有時含有20%左右。電漿CVD雖可低溫成膜,但膜較疏鬆,蝕刻速率有偏快的傾向,因此需依製程的溫度限制與所需的膜質來區分使用。

  1. 關於以電漿CVD沉積之氮化矽膜的特徵,下列何者正確?
  2. 作為將電漿CVD氮化矽膜的應力從壓縮調整到拉伸的方法,下列何者被使用?
  3. CVD中使階梯覆蓋率(保形性)變好的條件,下列何者正確?

前往薄膜沉積(CVD與PVD)的練習題

相關名詞的解說

LPCVD(低壓化學氣相沉積)
在減壓下進行的熱CVD。由於氣體分子擴散較快,膜厚均勻性與階梯覆蓋率良好,且可在立式爐管中一次處理大量晶圓。用於多晶矽與氮化膜的成膜。
PECVD(電漿輔助化學氣相沉積)
以電漿分解原料氣體來沉積薄膜的CVD。可在比熱CVD更低的溫度下成膜,用於導線製程的絕緣膜等。
階梯覆蓋率
表示薄膜在階梯與孔洞的側壁和底部,相較於平坦部分能以多均勻的厚度成膜的指標。ALD表現非常好。
CVD(化學氣相沉積)
化學氣相沉積。利用原料氣體的化學反應,在晶圓上沉積薄膜的方法。
保護層(Passivation)
形成於晶片最上層,保護內部電路免受水氣、汙染與機械刮傷的薄膜。使用氮化矽或聚醯亞胺等。

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