工艺原理之PVD（六）

集成电路工艺原理,北京大学微电子学系DepartmentofMicroelectronicsPekingUniversityMay27,2020,第六章物理气相淀积,6.1真空蒸发制膜基本原理6.2蒸发源6.3气体辉光放电6.4溅射6.5PVD工艺的台阶覆盖,薄膜淀积为了使器件与外部相连，需要淀积金属层并且进行图形化。实际上，当今复杂的IC包含多层（目前已达十几层）相互电隔离的金属层。在金属层之间需要淀积介质层以便实现电学隔离。在金属层间淀积薄膜还可以阻止金属间的互扩散，保护器件和电路免受污染。下面我们将介绍一些目前使用的淀积薄膜方法。,薄膜淀积方法物理淀积：真空蒸发阴极溅射分子束外延化学淀积：液相淀积（电镀）气相淀积（CVD）,物理气相淀积定义：利用物理过程实现源物质（原子或分子）转移到衬底（硅）表面上的过程基本方法：真空蒸发、溅射,6.1.1真空蒸发设备6.1.2汽化热和蒸汽压6.1.3真空度与分子平均自由程6.1.4蒸发速率6.1.5淀积速率6.1.6多组分薄膜的蒸发方法,6.1真空蒸发制膜基本原理,蒸发是一种应用较早而且简单直观的薄膜淀积方法。需要蒸发的材料被放在真空腔内，由电阻丝加热。以蒸发Al为例，一小段Al线被放在钨灯丝或蒸发舟上。需要淀积薄膜的衬底被放在真空腔内正对蒸发源的位置上。在真空条件下，对蒸发源加热，使蒸发材料蒸发。由于是在真空下，气压很低，蒸发的分子或原子可以不受阻碍地到达衬底表面并淀积成薄膜。一般来说，电阻丝蒸发会产生严重的污染。电子束蒸发是采用电子束来加热蒸发源，可以降低污染，但是产生的X射线会导致器件的退化。因此，在现代IC制造工艺线上很少采用蒸发来进行淀积，只有在对上述问题要求不高的简单器件制造中采用蒸发技术。,概念：利用蒸发材料在高温时具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从源表面逸出，形成蒸汽流，再在衬底表面凝结成固态薄膜优点：设备简单，操作容易，成膜速率快、厚度控制比较精确，所得薄膜纯度较高缺点：薄膜与衬底附着力小，重复性不好，台阶覆盖差,6.1.1真空蒸发设备组成部分真空系统：提供真空环境蒸发系统：放置蒸发源，对源加热及测温基板及加热系统：放置衬底（硅片），对衬底加热及测温,蒸发过程：加热蒸发过程（对蒸发源加热至熔点）气化原子或分子在蒸发源及硅片间输运淀积过程（飞到衬底表面上的原子或分子在表面凝结、成核生长和成膜的过程）飞到衬底表面上的原子或分子在其上移动能力弱衬底表面温度低，到衬底表面立即成核气相固相,蒸发的关键：高的真空环境如果真空度低被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体分子碰撞，因此运动方向不断改变，很难保证淀积到衬底上，严重时难以形成均匀连续的薄膜残余气体中的氧和水汽，将使源（金属）原子或分子在输运过程中氧化，同时也将使加热的衬底（硅）表面氧化残余气体及所含杂质的原子或分子将淀积在衬底上，从而严重影响淀积薄膜的质量,6.1.2汽化热（H）和蒸汽压（P）汽化热HH：克服固相（或液相）的原子束缚蒸发到真气中形成自由（具有一定动能）原子或分子所需的能量（主要用于克服原子间“吸引力”，形成动能的比例小）常用金属：H4eV/原子；动能0.1-0.2eV/原子,饱和蒸汽压PP：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表现出的压力在被蒸发物质的分压降到饱和蒸汽压以下时才有净蒸发一定T下，不同材料的P不同，但一定材料的P恒定P10-2托（133.310-2Pa）的T为蒸发温度（淀积速率合适）。一般来说，要进行有效的蒸发淀积，蒸发源物质的蒸气压应达到一定值。对大多数常用金属，需加热到熔化之后难熔金属Ta、W、Mo、Ti的蒸发温度高，W在3000度下P10mTorr，而K在室温下就有高蒸汽压,6.1.3真空度与分子平均自由程分子平均自由程：粒子两次碰撞之间飞行的平均距离kT/(21/2d2P)T：绝对温度d：气体分子直径P：气体压强P越小，越大。使残余气体的压强保持在足够低的水平，才能使源原子或分子的平均自由程远大于源位置与衬底位置之间的距离,简单推导：碰撞次数p=d2Ln令p1，则L1/d2n考虑分子运动的严格结果：1/(21/2d2n)由理想气体定律：PnkT所以：kT/(21/2d2P),6.1.4蒸发速率直接关系薄膜的淀积速率影响蒸发速率的因素：温度、蒸发面积、表面清洁度、加热方式等最大影响因素是蒸发源温度，因为温度越高，源物质的平衡蒸汽压越大（随温度上升增加很快）,6.1.5淀积速率分子速率分布概率:p(v)=4m/2kT3/2v2exp(-mv2/2kT)v为分子速率m为分子质量vx=vy=vz=(2kT/m)1/2Jn=vxtSN/2tS=Nvx/2=(N2kT/2m)1/2=(1/2kTm)1/2P单位时间通过一个平面的气体分子数,6.1.6多组分薄膜的蒸发方法单源蒸发法：按组分比例制成合金靶；要求合金靶中各组分材料的蒸汽压应该接近多源同时蒸发：用多个坩埚，在每个坩埚中放入一种材料，在不同温度下同时蒸发多源顺序蒸发：不同材料放在不同坩埚中，按顺序蒸发，并根据组分控制各层层厚，之后通过高温退火形成所需的多组分薄膜,6.2蒸发源,6.2.1电阻加热源6.2.2电子束加热源6.2.3激光束加热源6.2.4高频感应加热源,真空蒸发设备的主要差别表现在对蒸发源的加热方式上,6.2.1电阻加热源利用电流通过加热源时所产生的焦耳热来加热蒸发材料特点：结构简单，价廉易制，操作方便，蒸发速率快分为两大类：直接加热源：加热体即为待蒸发材料的载体。主要加热体材料有钨、钼、钽、石墨间接加热源：耐高温的陶瓷材料、石墨作为坩锅,对加热体材料的要求：熔点高。必须高于蒸发材料的蒸发温度（一般为10002000）饱和蒸气压低。以保证蒸发过程中具有最小的自蒸发量，从而不影响真空度、不对淀积薄膜造成污染化学性质稳定。高温下不与蒸发材料发生化学反应蒸发材料对加热体材料的“浸润性”浸润性：面蒸发、蒸发稳定不浸润：点蒸发，亲和差，容易脱落，如Ag在W上,6.2.2电子束蒸发源电阻加热不能满足难熔金属和氧化物材料的蒸发，特别是不能满足实现高纯度的膜电子束加热是以动能电子轰击处于阳极的蒸法材料，使蒸发材料加热汽化电子束蒸发的优点：电子束轰击能量密度高，可使熔点在3000以上的材料熔化，可蒸发W、Mo、Ge、SiO2、Al2O3等；蒸发速率高高纯度淀积：容器用水冷却，避免容器材料的蒸发污染及与蒸发材料的反应热效率高：热量直接加在蒸发材料表面，且热传导和热辐射损失少,电子束蒸发缺点：化合物受轰击会分解，对淀积薄膜的结构和性质产生影响一次电子和二次电子电离气体分子，影响膜质量结构复杂、设备昂贵加速高压产生软X射线分子束外延（MBE）设备中常使用这一种蒸发源,6.2.3激光加热源用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料加热常用光源：连续输出的CO2激光器，波长10.6微米，在这个波长下，很多介质材料和半导体材料的吸收率高通常是将蒸发材料制成粉末以增加吸收，适于蒸发那些成份比较复杂的合金或化合物材料,特点：聚焦激光束功率密度高，可达106W/cm2以上，可蒸发任何高熔点材料。因此，对于淀积含有不同熔点材料的化合物薄膜，可保证成份比例材料蒸发速率高，蒸发过程容易控制激光束光斑小，局部加热材料，防止坩埚材料污染，提高淀积薄膜纯度真空室内装置简单，容易获得高真空大功率激光器昂贵，影响广泛应用,6.2.4高频感应加热蒸发源由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成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，直至汽化蒸发特点：可采用大坩埚，增加蒸发表面，所以蒸发速率大蒸发源温度均匀、稳定，不易产生飞溅温度控制精度高，操作较简单大功率高频电源价格昂贵，同时需对高频电磁场进行屏蔽，防止外界电磁干扰,6.3气体辉光放电,6.3.1直流辉光放电6.3.2辉光放电中的碰撞过程6.3.3射频辉光放电,溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即射向固体表面的离子都是来源于气体放电,6.3.1直流辉光放电放电类型无光放电区（基于自然电离）汤生放电区（a作用、g作用）辉光放电区首先发生在阴极的边缘和不规则处；电流增加与有效放电面积增大相关；电流密度与阴极材料、形状以及气体种类、压强等有关反常辉光放电区整个阴极均成为有效放电区域，即整个阴极全部由辉光（离子层）覆盖；电流增加与放电极板间电压升高相关；溅射选在反常辉光放电区电弧放电,非自持放电,自持放电,等离子体是一种由正离子、电子、光子以及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的，其中正、负带电粒子数相等的，宏观上呈现电中性的物质存在形态。具有一定导电性。,辉光放电属于等离子体中粒子能量和密度较低、放电电压较高的一种类型，其特点是质量较大的重粒子，包括离子、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。对于气压为1Pa左右的辉光放电等离子体来说电子、离子和中性粒子的总密度为3104cm-3，而其中电子和离子只占万分之一左右电子的平均动能约2eV，平均运动速度约9.5105ms-1，对应温度为23000K离子和中性原子的能量只是电子能量的1%2%左右，温度只有300500K。对于Ar+离子和Ar原子，平均速度只有5102ms-1在整个放电过程中，电子充当着主要的导电和碰撞电离作用,等离子鞘层自偏压效应电子与离子具有不同速度的一个直接后果任何浸没于等离子体中的物体，包括阴极和阳极，其表面相对于等离子体都呈负电位，因此在其表面附近形成一个积累吸引正离子、排斥电子的等离子鞘层鞘层厚度依赖于电子的密度和温度，典型值100mm在鞘层中，电子密度较低，因而碰撞电离率较小而成为暗区阴、阳极间的电压几乎都降落在鞘层区域，而等离子体内的电势为常数由于外电场的叠加，阴极鞘层加大，阳极鞘层减小,6.3.2辉光放电中的碰撞过程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。更准确地说，电子与其它粒子的非弹性碰撞是维持自持放电的主要机制非弹性碰撞中可能发生许多不同过程：电离过程，如e-+ArAr+2e-这一过程使电子数目增加，从而使放电得以持续。其反过程称为复合激发过程，如e-+O2O2+e-其中星号表示相应的粒子已处于能量较高的激发态分解反应，如e-+CF4CF3+F+e-这一过程中，分子被分解为两个反应基团，其化学活性将远高于原来的分子中性原子、离子之间的碰撞过程也同时发生,6.3.3射频辉光放电在一定气压下，当阴阳极之间所加交变电压的频率在射频范围（530MHz，如13.56MHz），会产生稳定的射频辉光放电特点：在周期性射频电场中，带电粒子不容易到达电极和器壁而离开放电空间，这就相对地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以从高频电场中获得足够的能量并使气体分子电离，只要有较低的电场就可以维持放电。另外，阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿的必要条件射频电场可以通过任何一种类型的阻抗耦合进入淀积室，所以电极可以是导体，也可以是绝缘体。据此，射频辉光放电在溅射技术中得到广泛应用射频放电激发源：高频电场直接激发（E型放电）；高频磁场感应激发（H型放电）,6.4溅射,6.4.1概念6.4.2溅射特性6.4.3溅射方法,6.4.1概念,溅射：获得加速的离子轰击固体靶材表面时，通过表面原子碰撞，发生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出的过程溅射的应用：制备薄膜，即飞溅出的靶材原子淀积在衬底材料上清洁固体表面（反溅）与蒸发的不同之处：发生动量转移，打出的原子的动能大（1050eV，而蒸发出的原子的动能只有0.10.2eV），有方向性。因此淀积时在衬底表面上有较大的迁移能力，成膜与衬底有更高的粘附力。,溅射是在辉光放电中发生的,溅射法淀积的优点：1.具有淀积复杂合金、化合物并保持其原组分的能力2.可淀积难熔金属3.可在直径200mm或更大的硅片上均匀地淀积4.可在淀积前原位刻蚀5.成膜质量好6.台阶覆盖好于蒸发方法,溅射的基本步骤：1.在真空腔中产生氩离子2.氩离子在电场中加速，轰击靶材3.撞出靶原子4.靶原子从靶附近迁移到硅片表面，凝聚成核,溅射与蒸发相同，也是在真空室内进行的。材料源和衬底（晶片）被相对平行地放在与高压源相连的极板上。在淀积过程中，先对淀积室进行抽真空，然后向淀积室内通入低压溅射（Ar）气体。加在极板间的电压使氩气电离，从而在两个极板间产生等离子体。覆盖有源材料的极板相对于衬底处于负电位，Ar+离子向覆盖有源材料的极板加速运动，Ar+离子撞击的结果使源材料的原子或分子被溅射出来。被溅射出来的中性原子或分子运动到衬底表面，就可以在表面上淀积成所需的薄膜。直流电源可以用来淀积金属，射频电源可以用来淀积绝缘薄膜。当溅射化合物时，可以通过控制生成该种化合物的反应气体的比例来得到接近理想配比的薄膜。由于溅射可以有效地在低温下淀积低污染的薄膜，所以它已经成为淀积Al和其他金属的主要工业用方法。,6.4.2溅射特性溅射阈值：发生溅射时入射离子所必须具有的最小能量，一般在1030eV，主要与靶材种类相关，而与入射离子无明显相关当靶原子质量大于入射原子质量的5倍时，阈值能量Eth=U0/(1-)U0为靶材的升华热蒸发热为能量传递参数，=4M1M2/(M1+M2)2,溅射率（溅射产额）：平均每个正离子能从靶材上打出的原子数目，用S表示。是表征溅射特性的一个最重要物理量S溅射出的原子数/入射离子数1.S与入射离子能量的关系入射能量增加，S先增加再下降，其间有一个平缓区由溅射转变为离子注入2.S与入射离子种类的关系S随入射离子原子序数呈周期性变化。每个周期中，S随入射离子化学活性的降低而增大，故惰性气体入射离子的溅射率最高，因为与靶材不发生反应；同样化学活性的入射离子（如同族入射），S随原子量的增大而增大,3.S与被溅射物质种类的关系与靶材原子序数相关，呈周期性变化，越活泼则S越小。同一族靶材，质量大则S小4.S与离子入射角的关系入射角是指离子入射方向与靶材表面法线之间案的夹角（q）。倾斜入射则S增大（以1/cosq规律增加），但接近800时，S迅速下降溅射产额近似表示：SMgas/MtargetlnE/E1/cos,影响溅射率的其它因素：靶温靶的晶格结构靶的表面情况靶的升华热溅射压强等,溅射原子的能量和速度重元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出能量，而轻元素靶材被溅射出来的原子有较高的逸出速度不同靶材具有不同的原子逸出能量，而溅射率高的靶材，原子平均逸出能通常较低在相同轰击能量下，原子逸出能量随入射离子质量线性增加，轻的入射离子溅射出的原子的逸出能量较低，约为10eV；重的入射离子溅射出的原子的逸出能量较高，平均达到3040eV，与溅射率的情况相似溅射原子的平均逸出能量，随入射离子能量的增加而增加，当入射离子能量达到1keV以上时，溅射原子平均逸出能量趋于恒定值在倾斜方向逸出的原子具有较高的逸出能量,6.4.3溅射方法（1）直流溅射（2）射频溅射（3）磁控溅射（4）反应溅射（5）偏压溅射（6）离子束溅射等可根据应用要求，将上述各种方法结合起来，比如在直流溅射中，结合进各种施加偏压的方法，发展为偏压溅射将射频技术与反应溅射相结合，构成射频反应溅射法,（1）直流溅射又称为阴极溅射或直流二极溅射内充Ar气工作气体腔内压力0.1torr（气压对溅射影响）淀积速率与溅射气压的关系有极大值淀积速率与溅射功率成正比，与靶材与衬底之间的距离成反比薄膜质量与溅射气压的关系气压较低，薄膜致密度较高；气压较高，薄膜致密度较低阴极、阳极间距10cm（收集尽可能多的出射原子）特点：溅射速率大，可溅射多种金属，不能用于溅射绝缘材料绝缘体带来的问题：靶材上压降高，导致系统工作电压高，靶温太高；靶材（阴极）表面产生正电荷积累，浮置电压使辉光放电熄灭,（2）射频溅射适于各种金属和非金属材料的一种溅射淀积方法高频电场可经由其它阻抗形式耦合进淀积室，不必要求电极一定是导体对于绝缘体靶材，正半周积累的电荷与负半周电子轰击中和过低的频率会使正半周积累电荷过多，大部分时间没有溅射效率频率13.56MHz不受其它信号干扰的频率之一,自偏压效压：在射频电场中，电极会自动处于一个负电位下，导致气体离子对其产生自发地轰击和溅射原因：电子相对离子运动（迁移/扩散）快耦合电容，隔离电源淀积系统结构特点鞘层电压降与电极面积的关系：(V1/V2)=(A2/A1)4加大非溅射电极与溅射电极的面积比，从而相对减弱非溅射电极的自偏压效应,优点：消除了电荷积累，使离子碰撞更加有效，可在低气压（0