微电子工艺原理_第6讲_薄膜工艺物理气相淀积.ppt

2020 04 20 1 1 第六讲薄膜工艺之物理气相淀积 主讲人 李方强 2020 04 20 2 引言 在集成电路制造工艺中 常常需要在硅片的表面淀积各种固体薄膜 薄膜厚度一般在纳米到微米的数量级 薄膜材料可以是金属 半导体或绝缘体 淀积薄膜的主要方法热氧化 干法氧化 湿法氧化 加氯氧化等 物理淀积 真空蒸发镀膜 溅射镀膜 分子束外延等 化学汽相淀积 cvd 常压cvd 低压cvd 等离子增强cvd 汽相外延等 外延生长 同质外延 异质外延 正外延 反外延 2020 04 20 3 薄膜的生长三阶段 晶核的形成 聚集成束 形成连续膜 2020 04 20 4 薄膜特性要求 1 台阶的覆盖能力2 低的膜应力3 高的深宽比间隙填充能力4 大面积薄膜厚度的均匀性5 大面积薄膜的介电 电学 折射率特性6 高纯度和高密度7 与衬底或下层膜有好的粘附能力 2020 04 20 5 2020 04 20 6 2020 04 20 7 2020 04 20 8 2020 04 20 9 2020 04 20 10 2020 04 20 11 薄膜工艺主要内容 一 物理气相淀积二 化学气相淀积三 外延生长技术 12 一 物理气相淀积 pvd 1真空蒸发法原理2设备与方法3加热器4气体辉光放电5溅射 13 物理气相淀积 利用某种物理过程 如用真空蒸发和溅射方法实现物质转移 即原子或分子由源转移到衬底 硅 表面淀积成薄膜 包含两种工艺方法 真空蒸发 高真空 溅射 等离子体辉光放电 pvd常用来制备金属薄膜 如al au pt cu 合金及多层金属 物理气相淀积定义 14 1真空蒸发法制备薄膜的基本原理 真空蒸发即利用蒸发材料在高温时所具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备 1在真空条件下 2加热蒸发源 使原子或分子从蒸发源表面逸出 3形成蒸汽流并入射到硅片衬底表面凝结形成固态薄膜 这种物理淀积方法 制备的一般是多晶金属薄膜 2020 04 20 15 真空蒸发法的特点 优点 设备简单 操作容易所制备的薄膜纯度较高 厚度控制较精确 成膜速率快生长机理简单 缺点 所形成的薄膜与衬底附着力较小工艺重复性不够理想台阶覆盖能力差 16 蒸镀过程 源受热蒸发 气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运 被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积 凝结 成核 生长 成膜 17 1 1基本参数 汽化热 h被蒸发的原子或分子需克服固相或液相的原子间束缚 而蒸发到真空中并形成具有一定动能的气相原子或分子所需的能量 常用金属材料汽化热 原子 分子 在蒸发温度下的动能 原子 分子 饱和蒸汽压p在一定温度下真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力蒸发温度在饱和蒸汽压为133 3 10 2pa时所对应的物质温度 2020 04 20 18 蒸发速率蒸发速率和温度 蒸发面积 表面的清洁程度 加热方式有关 工程上将源物质 蒸发温度和蒸发速率之间关系绘成为诺漠图 蒸汽压 19 蒸镀为什么要求高真空度 蒸发的原子 或分子 的输运应为直线 真空度过低 输运过程被气体分子多次碰撞散射 方向改变 动量降低 难以淀积到衬底上 真空度过低 气体中的氧和水汽 使金属原子或分子在输运过程中氧化 同时也使加热衬底表面发生氧化 系统中气体的杂质原子或分子也会淀积在衬底上 影响淀积薄膜质量 20 1 2真空的获得 初真空 0 1 760torr 10 105pa中真空 10 4 10 1torr 10 2 10pa高真空 10 8 10 4torr 10 6 10 2pa超高真空 10 8torr 10 6pa 1atm 760torr 1torr 133 3pa 半导体工艺设备一般工作在初 中真空度 而在通入工作气体之前 设备先抽至高 超高真空度 21 气体流动及导率 气体动力学 气流用标准体积来测量 指相同气体 在0 和1atm下所占的体积 质量流速qm g s 气体流量q l atm min g 在体积v内气体的质量 质量密度 2020 04 20 22 c与电导率一样并联相加 串联时倒数相加若大量气体流过真空系统 要保持腔体压力接近泵的压力 就要求真空系统有大的传导率 管道直径 泵放置位置 泵入口压力 气体传导率c 泵的抽速sp 体积置换率 23 1 3真空泵 初 中真空度的获得用活塞 叶片 柱塞 隔膜的机械运动将气体正向移位有三步骤 捕捉气体 压缩气体 排出气体压缩比 2020 04 20 24 旋片泵旋片泵主要由定子 转子 旋片 定盖 弹簧等零件组成 其结构是利用偏心地装在定子腔内的转子和转子槽内滑动的借助弹簧张力和离心力紧贴在定子内壁的两块旋片 当转子旋转时 始终沿定子内壁滑动 旋片泵工作原理图1 泵体 2 旋片 3 转子 4 弹簧 5 排气阀 两个旋片把转子 定子内腔和定盖所围成的月牙型空间分隔成a b c三个部分 不断地进行着吸气 压缩 排气过程 从而达到连续抽气的目的 2020 04 20 25 在泵腔内 有二个 8 字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上 由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动 在转子之间 转子与泵壳内壁之间 保持有一定的间隙 可以实现高转速运行 压缩比30 1 罗茨泵 2020 04 20 26 在0 位置时下转子从泵入口封入v0体积的气体 当转到45 位置时该腔与排气口相通 由于排气侧压强较高 引起一部分气体返冲过来 当转到90 位置时 下转子封入的气体 连同返冲的气体一起排向泵外 这时 上转子也从泵入口封入v0体积的气体 当转子继续转到135 时 上转子封入的气体与排气口相通 重复上述过程 180 位置和0 位置是一样的 转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体 27 高 超高真空度的获得 在微电子加工领域 高真空泵分为两类 1 转移动量给气态分子而抽吸气体 2 俘获气体分子 抽吸腐蚀性 有毒 大流量气体 扩散泵 分子泵 抽吸通入的小流量气体或工艺前抽吸腔室 低温泵 2020 04 20 28 扩散泵 靠高速蒸汽射流来携带气体以达到抽气的目的工作原理当油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕真空时 油锅可开始加热 沸腾时喷嘴喷出高速的蒸气流 热运动的气体分子扩散到蒸气流中 与定向运动的油蒸气分子碰撞 气体分子因此而获得动量 产生和油蒸气分子运动方向相同的定向流动 到前级 油蒸气被冷凝 释出气体分子 即被前级泵抽走而达到抽气目的 适用于高真空 但入口真空也要求较高 一般前要接机械泵压缩比可达108 油扩散泵主要由泵体 扩散喷嘴 蒸气导管 油锅 加热器 扩散器 冷却系统和喷射喷嘴等部分组成 2020 04 20 29 涡轮分子泵 1958年 联邦德国的w 贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子 使气体产生定向流动而抽气的真空泵 动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度 一般为150 400米 秒 具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动 压缩比可达109 涡轮分子泵主要由泵体 带叶片的转子 即动叶轮 静叶轮和驱动系统等组成 2020 04 20 30 低温泵cryopump coldpump cryogenicpump cryovacuumpump lowtemperaturepump 利用低温表面冷凝气体真空泵 又称冷凝泵 抽气原理在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板 它使气体凝结 并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力 从而达到抽气作用 低温泵是获得清洁真空的极限压力最低 抽气速率最大的真空泵 广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产 以及分子束研究 真空镀膜设备 真空表面分析仪器 离子注入机等方面 31 2设备与方法 设备由三部分组成 真空室抽气系统测试部分蒸发方法 单组份 多组份蒸发 衬底是否加热 冷蒸或热蒸 按加热器分类 32 多组分薄膜的蒸镀方法 a 单源蒸发法 b 多源同时蒸发法 33 3蒸发源 电阻加热蒸镀电子束 eb 蒸镀激光蒸镀高频感应蒸镀 34 3 1电阻加热器 出现最早 工艺简单 但有加热器污染 薄膜台阶覆盖差 难镀高熔点金属问题 对电阻加热材料要求 熔点要高 饱和蒸气压要低 化学稳定性好 被蒸发材料与加热材料间应有润湿性 35 3 2电子束 eb 加热 eb蒸镀基于电子在电场作用下 获得动能轰击处于阳极的蒸发材料 使其加热汽化 优点 eb蒸镀相对于电阻加热蒸镀杂质少 去除了加热器带来的玷污 可蒸发高熔点金属 热效率高 缺点 eb蒸镀薄膜有辐射损伤 即薄膜电子由高激发态回到基态产生的 也有设备复杂 价格昂贵的缺点 36 3 2电子束加热器 37 3 3激光蒸镀 利用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料进行加热 称为激光束加热蒸发法 激光束加热的特点是加热温度高 可避免坩埚的污染 材料蒸发速率高 蒸发过程容易控制 激光加热法特别适应于蒸发那些成份比较复杂的合金或化合物材料 38 3 4高频感应蒸发 高频感应蒸发源是通过高频感应对装有蒸发源的坩埚进行加热 使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失 对铁磁体 致使蒸发材料升温 直至汽化蒸发 2020 04 20 39 4气体辉光放电 溅射的基本过程1 获得一定能量的入射离子 2 入射离子对固体表面进行轰击时 3 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 并可将固体表面的原子溅射出来 热蒸发本质能量的转化溅射本质能量和动量 原子具有方向性溅射过程建立在辉光放电的基础上 2020 04 20 40 在圆柱形玻璃管内的两端装上两个平板电极 里面充以气压约为几pa到几十pa的气体 在电极上加上直流电压 直流辉光放电 暗流区 ab 有外场情况下 中性气体中极少量被宇宙射线激发而电离的带电粒子作定向运动 运动速度随电压的增加加快 当电极间的电压足够大时 因为电离量少而且恒定 带电粒子运动速度达到饱和值 再提高电压 到达电极的电子和离子数目不变 对应的曲线表征为对应电流从 增加 直到一极大值 此区域导电而不发光 4 1原理 2020 04 20 41 直流辉光放电 汤生放电区 bc 电极间电压继续升高时 外电路转移给电子和离子的能量也逐渐增加 电子的运动速度加快 电子与中性气体分子间的碰撞使气体分子电离 产生正离子和电子及二次电子 新产生的电子和原有的电子继续被加速和导致更多气体分子电离 离子和电子数目雪崩式增加 放电电流迅速增大 在汤生放电区 电压受电源高输出阻抗和限流电阻的限制呈一常数 2020 04 20 42 直流辉光放电 辉光放电 ce 汤生放电后 气体突然发生放电击穿现象 电路中的电流大幅度增加 放电电压显著下降 产生这样的负阻现象是因为气体已被击穿 气体内阻随电离度的增加而显著下降 这一阶段也称前期辉光放电 cd 如果再增大电流 电流的增加只与阴极上产生辉光的表面积有关 放电进入电压一定的正常辉光放电区 de 阴极的有效放电面积随电流的增加而增大 而阴极有效放电区的电流密度保持恒定 这一阶段 由于导电粒子数目大大增加 碰撞过程中转移的能量足够高 因此会产生明显的辉光 气体击穿后 电子和正离子来源于电子的碰撞和正离子的轰击 即使不存在自然电离源 导电也将继续进行下去造成自持放电 2020 04 20 43 直流辉光放电 反常辉光放电 ef 整个阴极均成为有效放电区域后 只有增加功率才能增加阴极的的电流密度而增大电流 此时放电电压和电流密度同时增大进入反常辉光放电状态 溅射选在反常辉光放电区 特点 电流增大时 两个放电极板间间电压升高 阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关 原因 辉光已布满整个阴极 再增加电流时 离子层无法向四周扩散 正离子层向阴极靠拢 使正离子层与阴极间距离缩短 正离子轰击阴极 电弧放电 fg 随着电流的继续增加 放电电压将再次突然大幅度下降 电流急剧增加 44 辉光放电的各个区 暗区 相当于离子和电子从电场获取能量的加速区 辉光区 相当于不同离子发生碰撞 复合 电离的区域 负辉区 是最亮区域 45 4 2等离子体 等离子体 plasma 是指具有一定导电能力的气体 它由正离子 电子 光子以及原子 原子团 分子及它们的激发态所组成的混合气体 宏观上呈现电中性 辉光放电构成的等离子体中粒子能量 密度较低 放电电压较高 其特点是质量较大的重粒子 包括离子 中性原子和原子团的能量远远低于电子的能量 是一种非热平衡状态的等离子体 46 等离子鞘层 电子 等离子体中电子平均动能2ev 对应温度t 23000k 平均运动速度v 9 5 105m s离子及中性原子处于低能状态 对应温度在t 300 500k 平均速度var 5 102m s等离子鞘层 电子与离子具有不同速度 结果是形成所谓的等离子鞘层 即任何处于等离子中的物体相对于等离子体来讲都呈现出负电位 且在物体表面出现正电荷积累 47 辉光放电中的碰撞过程 弹性碰撞无激发 电离或复合非弹性碰撞动能转变为内能维持了自持放电电离过程 e ar ar 2e 激发过程 e o2 o2 e 分解反应 e cf4 cf3 f e 等离子体中高速运动的电子与其它粒子的碰撞是维持气体放电的主要微观机制 48 4 3射频辉光放电 国际上采用的射频频率多为美国联邦通讯委员会 fcc 建议的13 56mhz 在一定气压条件下 在阴阳电极之间加交变电压频率在射频范围时 会产生稳定的射频辉光放电 2020 04 20 49 射频放电的激发源 e型放电 高频电场直接激发h型放电 高频磁场感应激发 射频辉光放电与直流放电很不相同 电场周期性改变方向 带电粒子不容易到达电极和器壁 减少了带电粒子的损失 在两极之间不断振荡运动的电子可从高频电场中获得足够能量 使气体分子电离 电场较低就可维持放电 阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿必要条件 射频电场可由容抗或感抗耦合进淀积室 电极可以是导体 也可是绝缘体 50 5溅射 微电子工艺中的溅射 是指利用气体辉光放电时 离子对阴极轰击 使阴极物质飞溅出来淀积到基片上形成薄膜的工艺方法 51 5 1工艺机理 在初 中真空度下 真空室通入少量氩或其它惰性气体 加高压或高频电场 使氩等惰性气体电离 正离子在电场作用下撞击靶 靶原子受碰撞溅射 到达衬底淀积成膜 52 入射离子溅射分析 溅射出的原子 获得很大动能 约10 50ev 和蒸镀相比 约0 2ev 溅射原子在基片表面上的迁移能力强 改善了台阶覆盖性 以及与衬底的附着力 53 5 2溅射特性 溅射阈值每一种靶材 都存在一个能量阈值 低于这个值就不会发生溅射现象 溅射阈值与入射离子质量无关 而主要取决于靶特性 溅射率s又称溅射产额s 溅射出的靶原子数 入射离子数 溅射粒子的速度和能量 54 溅射率的影响因素 s与入射离子能量的关系 随着入射离子能量的增加 溅射率先是增加 其后是一个平缓区 当离子能量继续增加时 溅射率反而下降 此时发生了离子注入现象 55 溅射率的影响因素 s与入射离子种类的关系 溅射率依赖于入射离子 其原子量越大 溅射率越高 溅射率也与入射离子的原子序数有密切的关系 呈现出随离子的原子序数周期性变化 惰性气体的溅射率最高 s与靶的关系 随靶原子序数增加而增大 56 溅射率的影响因素 s与离子入射角的关系 s还与靶温 靶晶格结构 靶的表面情况 溅射压强 升华热的大小等因素有关 57 被溅射出的粒子的速度和能量 重靶逸出能量高 轻靶逸出速度高 不同靶逸出能不同 溅射率高的靶 逸出能较低 相同轰击能 逸出能随入射离子质量线性增加 轻入射离子溅射出的靶逸出能量较低 约10ev 重入射离子溅射出的靶逸出能量较大 约30 40ev 靶的逸出能量 随入射离子能量而增加 当入射离子能达1kev时 平均逸出能趋于恒定值 在倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量 58 5 3溅射方法 式 直流溅射射频溅射磁控溅射反应溅射离子束溅射偏压溅射 59 1直流溅射 最早出现 是将靶作为阴极 只能制备导电的金属薄膜 溅射速