Chap5 物理气相沉积

在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成半导体薄膜：Si介质薄膜：SiO2，Si3N4,BPSG，…金属薄膜：Al，Cu，W，Ti，…Deposition1）化学气相淀积—ChemicalVaporDeposition(CVD)一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）物理气相淀积—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某种物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。例如：蒸发evaporation，溅射sputtering两类主要的淀积方式除了CVD和PVD外，制备薄膜的方法还有:铜互连是由电镀工艺制作旋涂Spin-on镀/电镀electrolessplating/electroplatingChap5物理气相沉积PVD是以物理方式进行薄膜淀积的一种技术。在集成电路生产中，金属薄膜在欧姆接触、互连、栅电极和肖特基二极管等方面，都有很广泛的应用。PVD有两种方法：蒸镀法（EvaporationDeposition）和溅镀法（SputteringDeposition）。前者是通过加热被蒸镀物体，利用被蒸镀物体在高温（接近其熔点）时的饱和蒸汽压，进行薄膜淀积，又称热丝蒸发。后者是利用等离子体中的离子，对被溅镀物体（又称离子靶）进行轰击，使气相等离子体内具有被溅镀物体的粒子（原子），这些粒子淀积到硅晶体上形成溅镀薄膜，又称溅射。ð蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种ð溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上在薄膜淀积技术发展的最初阶段，蒸发法用的多。其优点：较高的淀积速率、相对高的真空度、较高的薄膜质量。缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元化合金薄膜时组分难以控制。溅射法优点：淀积多源化合金薄膜时，化学成分容易控制、淀积的薄层与衬底附着性好等。溅射技术制备薄膜的技术已基本取代真空蒸发法。5.1真空蒸发法制备薄膜的基本原理蒸发：材料的温度低于熔化温度时，产生蒸气的过程，称为升华，而熔化时产生蒸气的过程称为蒸发。热蒸发：蒸发材料，使其原子或分子蒸发，又称。真空知识：PVD一般是以单质的固体材料为源，然后设法将它变为气态，再在衬底表面淀积而成薄膜。当一个系统中残留1Pa的空气时，由理想气体状态方程可以计算出，在室温下，每立方厘米空间约有2.4*1014个气体分子。这些气体分子不仅严重妨碍了铝、金、铬等金属蒸发分子由源向衬底的降落淀积，而且使每立方厘米衬底表面每秒钟要遭受到1018个空气分子的撞击，这个数值已远远超出了金属淀积膜的原子密度，这些物质夹在薄膜中，必然会破坏薄膜的成分与质量。所以，PVD法要求正式淀积之前，必须彻底地抽除淀积室内的残留气体，即在低气压（又称本底真空度）下，才能开始淀积。本底真空度，依据淀积方法，淀积物性质而异。如蒸铝要比蒸金要求更低的本底真空度。这是因为铝易被氧化之故。真空度越高，淀积室内气体分子越少，使得蒸发材料的原子或分子所走的路程就越长。通常我们把大量原子或分子，两次间碰撞自由飞行的平均长度称为原子或分子的平均自由程（L)。原子的平均自由程与气体压强成反比。也就是说，P越低，则L就越大。例如当P=1mmHg时，L=5*10-5cm;P=10-6mmHg时，L=5000cm。这就是要想源材料的原子或分子所走的路程越长，就必须将淀积室抽成高真空。生产上常用的是10-5~10-6mmHg，而蒸发源到衬底的距离大约在10~30cm之间，即平均自由程远远大于源到衬底的距离，当源分子或原子从源材料脱离以后，就可以直线形式射到衬底上。当然这不是绝对的，碰撞肯定也有的，只不过这种碰撞几率小到可以忽略不计。一、真空蒸发设备三大部分（1）真空系统：为蒸发过程提供真空环境（2）蒸发系统：放置蒸发源，以及加热和测温装置。（3）基板及加热：放置衬底，对衬底加热装置及测量装置。真空蒸发法过程：（1）蒸发过程:被蒸发物质从凝聚相（固相或液相）转化为气相的过程——所需能量为汽化热Hv（2气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程（3）被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程即气相分子在衬底上吸附、成核和生长蒸发原理图二、汽化热和蒸汽压三、真空度与分子平均自由程四、多组成薄膜的蒸发方法单源蒸发法：单源，合金溶液多源同时蒸发法：多坩埚，同时蒸发多源顺序蒸发法：多坩埚，按顺序蒸发5.2蒸发源1.电阻加热源利用电流通过加热源时所产生能够的焦耳热来蒸发材料。蒸发中出现的质量问题：（1）铝层厚度控制不合适铝层厚度是蒸铝工艺中一个主要的参数。太薄，在键合工序容易开焊造成半导体器件或集成电路断路，严重影响成品率。如果太厚，电极图形看不清，增加了光刻难度。腐蚀时间一长，容易造成脱胶，钻蚀现象。（2）铝层表面氧化蒸铝后出现铝层发黄或发灰，这说明表面被氧化及其他合金物出现，杨画册铝层不仅难以光刻核键合，而且影响器件性能。造成铝层氧化有以下原因：1）钨丝纯度不够，杂质含量太多或清洁处理得不够；2）真空度低或真空零件不干净；3）蒸发时挡板打开的过早，即在，铝溶液表面的氧化层还未去掉时就开始蒸发。因而把赃物也蒸发上去了；4）衬底加热温度较高，并且取片过快；5）扩散泵抽气率不高，在蒸发时，各部分加热后放出的气体未及时抽走；6）真空系统中出现慢性漏气。2.电子束蒸发源(1)基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于阴极的蒸发材料，使蒸发材料加热气化。(2)电子束蒸发的优点：l        膜纯度高，钠离子玷污少l        光刻腐蚀方便l        镀膜层均匀l        节约大量钨丝和铝源l        应用范围广l        铝膜晶粒致密均匀3.激光加热源利用高功率的连续或脉冲激光作为能源对蒸发材料进行加热。4.高频感应加热蒸发源通过高频感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热。5.3气体辉光放电溅射：具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生能量和动量的转移，并能将固体表面的原子溅射出来。基础是辉光放电。1.    直流辉光放电2.    辉光放电中的碰撞过程弹性碰撞：非弹性碰撞：（1）电离过程；（2）激发过程；（3）分解反应3.射频辉光放电5.4溅射溅射是利用等离子体中的离子，对被溅射物体电极进行轰击，使气相等离子体内具有被溅射镀物的粒子，使其淀积到硅片表面并形成薄膜的一种ＰＶＤ方法，因此将高纯粒子从某种物质的表面撞击出原子的物理过程叫溅射。溅射是目前大规模集成电路制造中应用得最广泛的一种镀膜方法，它可以用来淀积不同的金属，包括铝、铝合金、钛、钨钛合金。溅射具有以下优点：１）可在一个面积很大的靶子上进行，这样解决了大尺寸硅片淀积铝膜厚度均匀性的问题２）在选定的工作条件下，膜厚容易控制，只要调节时间就可得到所需厚度3）溅射淀积薄膜的合金，成分要比蒸发容易控制4）改变加在硅片上的偏压和温度，可以控制薄膜的许多重要性能，如台阶覆盖和晶粒结构等。5）在溅射之前进行预溅射，做一番清洁处理，这样可以获得质量更好的薄膜。一、溅射特性1.    溅射阈值：10~30ev取决于靶材料2.    溅射率：被溅射出来的原子数与入射离子数之比，其大小于入射离子的能量、种类、靶材料的种类等有关。3.    溅射原子的能量和速度有5个特点二、溅射方法1.    直流溅射：溅射率低，靶材料有较好导电性时可以很方便的溅射淀积各类金属薄膜。2.    射频溅射：导电性很差的非金属材料的溅射。3.    磁控溅射：店家速率较高，工作气体压力较低，薄膜质量好，是目前应用最广泛的一种溅射淀积方法。4.    反应溅射：在淀积同时形成化合物。5.    偏压溅射：在一般溅射基础上，加一定偏置电压在衬底与靶材料之间，改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和能量。6.    接触孔中薄膜的溅射淀积：带有准直器。7.长投准直溅射技术：不用准直器便能改善接触孔底部覆盖效果的溅射技术。需要解决的问题：1）溅射会导致反应室室壁表面凝结靶材料的原子，从而形成污染；2）远离硅片中心的通孔存在台阶覆盖的不对称性；3）在低压下获得等离子体比较困难。1、直流（DC）溅射只能溅射导电物质a）阳极（anode）上放硅片，阴极（cathode）是靶，真空室作为放电二极管，通入放电气体（如Ar）b）阴极加1－10kV负高压，产生辉光放电，形成等离子体c）正离子被加速至数百-数千伏，撞击在靶材上，将靶材中原子剥离d）这些原子形成蒸汽并自由地穿过等离子体区到达硅表面e）溅射淀积时反应腔里压力在10mtorr左右。在引入放电气体前，真空室basepressure要达高真空（10－6torr以上）直流溅射系统中等离子体结构和电压分布（系统中通入氩气）等离子体中包含同等数量的正氩离子和电子以及中性氩原子大部分的电压降在阴极暗区氩离子轰击阴极靶（如Al）,Al原子被溅射出，通过等离子区淀积到阳极硅片上阴极辉光阳极鞘区等离子体阴极暗区(鞘区)溅射中的主要过程阴极暗区2、射频溅射—也可溅射介质如靶是绝缘材料，不能采用直流溅射，因为绝缘靶上会有电荷的积累。此时可以使用交流电源。13.56MHzRF溅射系统中稳态时的电压分布当两边面积不等时，面积小的电极一边（电流密度大）有更大电压降，并有关系:V2V1Unequalareaelectrodes(leftelectrodesmaller)m=1~2（实验值）一般将靶电极的面积 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 得较小，电压主要降在靶电极，使溅射在靶上发生。硅片电极也可以和反应腔体相连，以增加电压降比值硅片电极也可以单独加上RF偏压，这样在实际淀积前可预先清洁晶片或“溅射刻蚀”.另外一种应用是偏压-溅射淀积（bias-sputterdeposition），在晶片上溅射和淀积同时进行。这可以改善淀积台阶覆盖性3、反应溅射在溅射气体中引入反应活性气体如氧或氮气，可改变或控制溅射膜的特性。如在低温下可制作SiOx、SiNx等钝化膜或多属布线中的绝缘层；TiN、TaN等导电膜或扩散阻挡层直流溅射和RF溅射中，电子和气体分子碰撞的离化效率较低，电子的能量有许多消耗在非离化的碰撞和被阳极收集。通过外加磁场提高电子的离化率,磁控溅射可以提高溅射效率。可溅射各种合金和难熔金属，不会像蒸发那样，造成合金组分的偏离阴极表面发射的二次电子由于受到磁场的束缚,使得高密度等离子体集中在靶附近,而不再轰击硅片，避免了硅片的升温均匀性、重复性好，有良好的台阶覆盖溅射效率提高4、磁控溅射5、准直溅射总结：1.PVD概念，分类；2.真空蒸发概念，过程；3.汽化热，饱和蒸汽压；4.目前对蒸发法加热方式有几种；5.溅射概念，其基础是什么；6.溅射的用途；7.溅射方法有几种，接触孔中薄膜的溅射淀积方法。