工艺技术_半导体制造工艺培训教材

学习情景三 薄膜制备子情景4 物理气相淀积 半导体制造工艺第2版 书名 半导体制造工艺第2版书号 978 7 111 50757 4作者 张渊出版社 机械工业出版社 物理气相淀积 概念 物理气相淀积 简称PVD 它是以物理方式进行薄膜淀积的一种方式 用途 集成电路中的金属薄膜一般都采用物理气相淀积方式制备 方式 蒸发 蒸镀 和溅射 溅镀 蒸发 通过加热被蒸镀物体 利用被蒸镀物体在高温时 接近其熔点 的饱和蒸汽压 进行薄膜淀积 又称热丝蒸发 溅射 利用等离子体中的离子 对被溅镀物体 粒子靶 进行轰击 使气相等离子体内具有被溅镀物体的粒子 这些粒子淀积到硅晶片上形成溅射薄膜 溅射系统示意图 热丝蒸发 分类 真空钨丝蒸发和电子束蒸发真空钨丝蒸发真空知识1标准大气压 760mmHg 760Torr1mmHg 1Torr 133Pa粗真空 760 10Torr低真空 10 10 3Torr中真空 10 3 10 5Torr高真空 10 5 10 8Torr超高真空 10 8Torr以上 源材料蒸发的目的是为了形成良好的欧姆接触 管芯内部互联以及引出电极引线 为了达到这个目的 所选用的源材料必须满足以下几个条件 有良好的导电性能 容易与硅形成良好的欧姆接触 便于键合和引出金属线 适合用蒸发工艺 与二氧化硅粘附性好 没有毒害 便于光刻 价格便宜 在半导体器件和集成电路制造中 选用铝材料作为蒸发源 原因 铝和P型和N型硅都能形成低电阻的欧姆接触 而且对二氧化硅附着力强 易于蒸发和光刻 导电能力强 价格便宜 除此之外 也用金 镍铬 铅等 真空设备机械泵又称真空旋转泵 用来获得低真空的一种抽气设备 能从一个大气压开始抽气 真空度可达10 3Torr 机械泵结构示意图 油泵扩散 原理 当机械泵抽气达到10 2Torr以后 再要抽气 就要用到油扩散泵了 它的起始点必须在10 2Torr 工作时用电炉加热扩散泵油 使之沸腾 产生大量油蒸汽 油蒸汽通过各级喷嘴以较高的速率喷射出来 系统中的气体分子不断作扩散运动 一旦与油蒸汽分子相撞 就被油蒸汽分子带走 因为油蒸汽分子的质量大 并且作定向运动 所以气体分子就会被油蒸汽分子带到前方 蒸发设备 真空蒸发设备又叫真空镀膜机 组成部分 真空镀膜室 抽气系统 测量系统 真空镀膜室 钟罩 蒸发源加热器 衬底加热器 蒸发源加热器一般采用钨丝绕制而成 蒸发系统示意图 加热材料应满足 要与蒸发材料的熔液有良好的浸润性 即被蒸发材料熔化后能很好的粘在上面而不掉下来 熔点必须高于蒸发金属的熔点 以免在蒸发时 加热器本身熔化 可加工成各种形状 并能重复使用 与蒸发金属间的互熔度必须很小 以免造成蒸发膜玷污或合金化 大多采用钨丝作为加热材料 加热器形状 加热器材料的几何形状直接影响蒸发速率和膜的质量 它们的几何形状和尺寸需要根据蒸发材料的性质 状态 蒸发量及衬底面积而定 通常有以下几种形状 为增大加热丝和源材料的粘合面积 使蒸发源分布均匀 提高蒸发速率及增加加热丝的使用次数 实际中加热丝的做法是 在粗的钨丝上绕上 0 5mm的细钨丝 或者采用几股细钨丝绞合成多股丝 然后加工成所需形状 蒸发操作过程 蒸发前准备工作蒸发源加热器处理一般钨丝表面会有脏物 一定要很好地清洗 清洗可用10 20 NaOH或KOH溶液煮几次 或用10 20 NaOH溶液电解 然后用冷 热去离子水冲洗至中性 烘干备用 初次使用的钨丝应空蒸一次 空蒸相当于高温热处理 以去除钨丝中的一些杂质 铝丝的处理用甲苯或丙酮去油 用浓度为85 温度为60 70 的磷酸溶液腐蚀1min 以去除表面的氧化层腐蚀后用冷 热去离子水冲洗干净 然后用无水乙醇脱水 并放在盛有无水乙醇的容器中备用 石墨加热衬底的处理石墨衬底的清洁用王水 浓盐酸和浓硝酸按3 1比例配比 煮沸二次 每次煮10min 然后用去离子水煮沸 一直到中性 烘干 在真空中加温 时间为1 2h 以去除石墨中的杂质 蒸铝过程打开机械泵放气阀门 打开电源开关和机械泵开关及真空室放气阀门 开启钟罩 将处理好的铝丝挂好 放好硅片 降下钟罩 关闭真空室放气阀门 抽气到5 10 2Torr 打开低真空阀门 打开烘烤电源开关 逐步升温 使温度达到1300 关闭烘烤电源开关 待衬底温度降低到100 时开始蒸发 打开蒸发开关 将钨丝通电加热 并逐步加大电压 铝丝随温度升高逐步熔化 并开始挥发 当熔融的铝层表面的杂质挥发以后 迅速打开挡板 使纯净的铝淀积到硅片上数秒钟后关闭挡板 开始蒸发 待铝膜淀积到一定厚度时 关闭蒸发开关 待衬底温度降低到150 左右 关闭高真空 预真空阀门及扩散泵加热开关 待温度降到70 以下时 打开真空室放气阀门 通入氮气或空气 开启钟罩 取出硅片 蒸发中出现的质量问题 铝层厚度控制不合适铝层厚度是蒸铝工艺中一个主要参数 一般铝层为1 2 m 如果铝太薄 在键合工序中容易开焊 造成半导体器件或集成电路断路 严重影响成品率 如果铝层太厚 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 铝层厚度大小是由蒸发源到硅片距离 蒸发时间 硅片加热温度以及真空度等因素决定的 实际中 源距大于7cm 硅片加热温度为180 220 电子束蒸发 原理 高速电子流打在蒸发源表面上 使蒸发源熔化 以变成蒸汽分子 淀积在硅片衬底上 电子束蒸发优点膜纯度高 钠离子玷污少钨丝蒸发钠离子玷污严重的原因与钨丝的制造有关 制造时用NaOH清洗 不可避免的带进大量的Na 蒸发源加热时 温度较高不可避免的造成钨 铝金属和杂质的相互扩散 使钨丝中的Na 进入蒸发源中 并伴随铝一起蒸发到硅片表面 同时Na 在氧化层中有很大的溶解度 在480 合金时 Na 会渗入到氧化层中 造成Na 玷污 光刻腐蚀方便钨丝蒸发利用钨丝作为铝源承载体 在蒸发过程中 由于高温下钨 铝直接接触而变成合金 因此在蒸发的铝膜中含有钨或其他金属杂质 这给光刻带来一定困难 电子束蒸发时 铝是放在用水冷却的紫铜坩埚中内 坩埚有较高的热传递性和充分的接触面积 当铝源中心熔化蒸发时 与坩埚接触的四壁和底部仍处于固态 防止铜铝反应 所以电子束蒸发所得到的铝膜纯度高 易于光刻 线条整齐 镀膜层均匀电子束蒸发时采用行星式转动机构 硅片在空间不断旋转 因此镀膜十分均匀 钨丝蒸发时硅片是固定不动的 节省大量钨丝和铝源钨丝蒸发时每根钨丝使用5 8次就得更换 而电子束蒸发采用屏蔽灯丝结构 灯丝寿命较长 使用得当 可以使用一年 并省去清洗钨丝的工作 电子束蒸发将铝放在坩埚里 由于坩埚容积大 可放源150g左右 每蒸发一次所用铝源不多 而钨丝蒸发每次都得加铝源 不能产生均匀的台阶覆盖通过片架的 自转 和 公转 在台阶覆盖覆盖方面取得了一些进步 在超大规模集成电路制造技术中 金属化需要能够填充具有高深宽比的小孔 并且产生等角的台阶覆盖 蒸发技术在高深宽比的孔填充方面远远不能满足要求 所以导致蒸发在现代IC生产中被淘汰 蒸发缺点 难以淀积合金材料由于合金是两种金属材料组成 而两种金属就会有两种不同的熔点 这使得利用蒸发使合金材料按原合金比例淀积到硅片上是不可能的 溅射 概念 利用等离子体中的离子 对被溅镀物体 粒子靶 进行轰击 使气相等离子体内具有被溅镀物体的粒子 这些粒子淀积到硅晶片上形成溅射薄膜 溅射优点 可在一个面积很大的靶上进行 这样解决了大尺寸硅片淀积铝膜厚度均匀性的问题 在选定工作条件下 膜厚较容易控制 只要调节时间就可以得到所需要厚度 溅射淀积薄膜的合金成分要比用蒸发容易控制 溅射工作原理 产生离子并导向一个靶 离子把靶表面上的原子轰击出来 被轰击出的原子向硅片运动 在硅片表面这些原子凝成薄膜 溅射示意图 辉光放电轰击靶材料的高能粒子是辉光放电产生的 原理 一根玻璃管中充满了压力为1Torr的氩气 两个电极之间的距离为15cm 电压为1 5kv 在玻璃管中引入一个电子 这个电子在两个电极间的电场中加速 这个自由电子有可能碰撞氩原子 把氩原子中的电子激发出来 激发出来的电子就是轰击源材料的轰击源 溅射方式 直流溅射 无法溅射绝缘材料 少用 射频 RF 溅射 可溅射绝缘材料 磁控溅射 溅射优势 与蒸发相比 适合于淀积合金 而且具有保持复杂合金成分的能力 能获得良好的台阶覆盖 蒸发来自于点源 而溅射来自平面源并且可以从各个角度覆盖硅片表面 通过旋转和加热硅片 台阶覆盖还可以得到进一步提高 形成的薄膜与硅片的黏附性比蒸发工艺好 能够淀积难容金属 铜 Cu 制备 CVD淀积铜电镀铜 CuEcp Cu淀积 需要在制备铜互连之前 CVD一层薄Cu种子层 CVD方式用于淀积Cu布线种子层 电镀铜工艺用于同互连线制备 铜电镀 CuEcp ECP是工业上传统的镀膜工艺之一 电镀工艺存在较大污染和难以控制的工艺过程 在半导体工艺中一直未得到采用 直到铜互连技术的被采用 铜电镀工艺优点 成本低工艺简单无需真空支持淀积速率易提高 铜电镀工艺用湿法化学品和电流将靶材上的铜离子转移到硅片表面的过程 系统构造电镀液 硫酸铜 硫酸 水 脉冲直流电流源铜靶材硅片 原理 当电源加在铜靶 阳极 和硅片 阴极 之间时 溶液中产生电流并形成电场 铜靶 阳极 中的铜发生反应转换成铜离子 并在外加电场作用下 向硅片 阴极 定向移动 到达硅片时 铜离子阴极与阴极处的电子发生反应生成铜原子 并被镀在硅片表面 铜电镀 ECP 原理示意图 电镀铜缺陷 填充高深宽比的沟槽不理想 在沟槽的不同部位 电流密度不均匀 沟槽顶部电流密度高 底部电流密度低 加上集成电路特征尺寸不断缩小 沟槽深宽比增大 使得沟槽更加难以得到良好的填充 解决措施 添加剂法加入添加剂是改善高深宽比沟槽的填充性能非常关键的因素 添加剂类型 加速剂抑制剂平坦剂 原理及步骤 添加剂吸附到铜种子层表面 沟槽内首先进行均匀性填充 当加速剂A达到临界浓度时 电镀开始从均匀性填充变成由底部向上填充 抑制剂S大量吸附在沟槽开口处 在和氯离子的共同作用下 通过扩散 淀积的阴极表面形成一层连续抑制电流的单层膜 通过阻碍铜离子扩散来抑制铜的继续沉积 双大马士革工艺 铜的干法刻蚀中 采用传统方式 不能产生易挥发的副产物 因此不适合用干法刻蚀 双大马士革工艺原理 通过层间介质层刻蚀形成孔或槽 确定好线宽和图形间距 然后将铜淀积到刻蚀好图形的表面上 再经过化学机械抛光方式除掉多余的铜 双大马士革工艺流程 第二层金属 1 层间介质淀积PECVD淀积两层SiO2介质 并使用HDPCVD淀积出致密的 没有针孔的刻蚀阻挡层 2 金属2的线槽刻蚀利用光刻 刻蚀工艺刻蚀SiO2至刻蚀阻挡层 刻