物理气相淀积

1、天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 Chap.5 物理气相淀积 (PVD) ICIC中的薄膜及其制备方法中的薄膜及其制备方法 1 淀积的概念及淀积的概念及PVDPVD和和CVDCVD 2 3 溅射的基本原理及方法溅射的基本原理及方法 4 5 真空蒸发的基本原理及过程真空蒸发的基本原理及过程 薄膜淀积中的台阶覆盖问题薄膜淀积中的台阶覆盖问题 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 单个完整的CMOS结构 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 IC中的薄膜 v 介电薄膜介电薄膜（SiOSiO2 2，SiNSiN）：用来隔）：用来隔

2、离导电层，作为扩散及离子注入离导电层，作为扩散及离子注入 的掩蔽膜，或是防止掺杂物的流的掩蔽膜，或是防止掺杂物的流 失，或用来覆盖器件免受杂质，失，或用来覆盖器件免受杂质， 水汽或刮伤的损害。水汽或刮伤的损害。 v 多晶硅多晶硅（PolysiliconPolysilicon）：）：MOSMOS器件器件 的栅淀积材料，多层金属导通材的栅淀积材料，多层金属导通材 料或浅结的接触材料。料或浅结的接触材料。 v 金属薄膜金属薄膜（铝，铜或金属硅化（铝，铜或金属硅化 物）：形成低阻值金属连线，欧物）：形成低阻值金属连线，欧 姆接触及整流金半接触。姆接触及整流金半接触。 介质（SiN） Al 多晶硅 多晶

3、硅栅 介质（SiO2） 场氧化SiO2 n+n+ 栅氧化层 P-Si MOSFET的剖面图 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 ULSI对薄膜性能的要求 厚度均匀厚度均匀 高纯度以及高密度高纯度以及高密度 可控制组分及组分的比例可控制组分及组分的比例 薄膜结构的高度完整性薄膜结构的高度完整性 良好的电学特性良好的电学特性 良好的附着性良好的附着性 台阶覆盖好台阶覆盖好 低缺陷密度低缺陷密度 介质（SiN） Al 多晶硅 多晶硅栅 介质（SiO2） 场氧化SiO2 n+n+ 栅氧化层 P-Si MOSFET的剖面图 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原

4、理 薄膜制备方法 薄膜制备薄膜制备 热氧化热氧化(Oxidation): SiO2 物理气相淀积物理气相淀积(PVD):金属膜、介质膜金属膜、介质膜 化学气相淀积化学气相淀积(CVD):介质膜、多晶硅、金属介质膜、多晶硅、金属 外延生长法外延生长法(Epitaxy):硅器件工作区硅器件工作区 PVD： Physical Vapor Deposition CVD：Chemical Vapor Deposition 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 淀积过程 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺

5、原理 PVD与CVD v PVD：物理过程；固态源；台阶覆盖差，纯度高，适合淀积金属：物理过程；固态源；台阶覆盖差，纯度高，适合淀积金属 v CVD：化学过程；气态源；台阶覆盖好，纯度较差，适合淀积介质：化学过程；气态源；台阶覆盖好，纯度较差，适合淀积介质 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 台阶覆盖（step coverage, gap fill） 台阶覆盖就是指淀积薄膜的表面形貌与半导体表面的各台阶覆盖就是指淀积薄膜的表面形貌与半导体表面的各 种台阶形状的关系。种台阶形状的关系。 共形（保形）覆盖（共形（保形）覆盖（conformalconformal） 天津工业大

6、学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 v 非共形覆盖非共形覆盖 F1 F2 F3 入射（到达角）入射（到达角） 表面迁移（温度，压力）表面迁移（温度，压力） 再发射再发射 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 到达角（Arriving Angle） 到达角越大，淀积原子到达角越大，淀积原子 到达该点的几率越大，到达该点的几率越大， 则该点淀积速率越大。则该点淀积速率越大。 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 表面迁移（surface mobility）及再发射 表面迁移主要取决与温度和压力：表面迁移主要取决与温度和压力： 温度温度越高，

7、成膜原子表面迁移越高，成膜原子表面迁移能力越强能力越强，有足够的能量有足够的能量 迁移到到达角小的位置迁移到到达角小的位置，因而台阶覆盖性更好；，因而台阶覆盖性更好； 压力压力越大，淀积速率越快，成膜原子越大，淀积速率越快，成膜原子没有足够的时间进没有足够的时间进 行表面迁移行表面迁移，因为台阶覆盖性能较差。，因为台阶覆盖性能较差。 再发射则主要取决于成膜原子与薄膜之间的作用力。再发射则主要取决于成膜原子与薄膜之间的作用力。 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 台阶覆盖问题的改进 工艺选择及参数优化（淀积方式、温度、设备形式等）工艺选择及参数优化（淀积方式、温度、设备形

8、式等） 器件设计优化（尽量减少深宽比器件设计优化（尽量减少深宽比） 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 5.1 真空蒸发法基本原理 PVD:PVD:利用某种物理过程实现物质的转移，即原子或分利用某种物理过程实现物质的转移，即原子或分 子由源转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜子由源转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜 真空蒸发法真空蒸发法 （EvaporationEvaporation） 设备简单、操作容易、设备简单、操作容易、 纯度较高、成膜快、机纯度较高、成膜快、机 理简单理简单 附着力小、工艺重复附着力小、工艺重复 性差、台阶覆盖性差、性差、台阶覆盖性差、 不适用

9、多组分材料不适用多组分材料 溅射溅射 （sputteringsputtering） 适用于任何物质，不适用于任何物质，不 受蒸气压和膜成分限受蒸气压和膜成分限 制，靶材料与膜成分制，靶材料与膜成分 符合，附着好，台阶符合，附着好，台阶 覆盖较好覆盖较好 设备、操作较复杂设备、操作较复杂 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 真空蒸发设备及蒸发过程 真空蒸发设备：真空蒸发设备： v 真空系统真空系统 v 蒸发系统蒸发系统 v 基板及加热系统基板及加热系统 蒸发过程：蒸发过程： 固固 气气 固固 v 加热蒸发过程加热蒸发过程 v 气相输运过程气相输运过程 v 表面淀积过程表面

10、淀积过程 真空蒸发：真空蒸发：在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分 子从蒸发源表面逸出，形成蒸气流并入射到硅片（衬子从蒸发源表面逸出，形成蒸气流并入射到硅片（衬 底）表面，凝结形成固态薄膜的过程。又称为热蒸发。底）表面，凝结形成固态薄膜的过程。又称为热蒸发。 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 真空蒸发设备 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 蒸发中的几个基本概念 汽化热：汽化热： 克服固相中原子间的吸克服固相中原子间的吸 引力，并形成具有一定引力，并形成具有一定 动能的气相原子和分子。动能的气相原子和分子。

11、饱和蒸气压：饱和蒸气压： 真空室内蒸发物质的蒸真空室内蒸发物质的蒸 气与固态或液态平衡时气与固态或液态平衡时 所表现出来的压力。所表现出来的压力。 真空度与平均自由程真空度与平均自由程： 真空系统中粒子两次碰撞之真空系统中粒子两次碰撞之 间飞行的平均距离称为蒸发间飞行的平均距离称为蒸发 原子或分子的平均自由程。原子或分子的平均自由程。 高真空度的目的：高真空度的目的： v 保证粒子近似直线运动保证粒子近似直线运动 v 避免残余气体使金属或衬底避免残余气体使金属或衬底 发生氧化发生氧化 v 避免残余气体或杂质淀积避免残余气体或杂质淀积 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理

12、多组分薄膜蒸发方法 v单源蒸发法单源蒸发法: : 合金靶中各组分材料蒸气压应该接近合金靶中各组分材料蒸气压应该接近 v多源同时蒸发法多源同时蒸发法： 不同的温度控制，蒸发速率不一致不同的温度控制，蒸发速率不一致 v多源顺序蒸发法多源顺序蒸发法： 需高温退火需高温退火 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 5.2 蒸发源 v 电阻加热源电阻加热源：结构简单，价廉易做结构简单，价廉易做 直接加热源：钨、钼、钽等；熔点高、蒸气压低、化直接加热源：钨、钼、钽等；熔点高、蒸气压低、化 学学 性质稳定；性质稳定；润湿性润湿性好好 间接加热源：耐高温陶瓷和石墨坩埚间接加热源：耐高温陶瓷

13、和石墨坩埚 v 电子束加热源电子束加热源： 更高的能量密度，能蒸发难熔材料更高的能量密度，能蒸发难熔材料 水冷坩埚避免容器材料的蒸发及与蒸发材料之间的反应水冷坩埚避免容器材料的蒸发及与蒸发材料之间的反应 热效率高，热传导和热辐射损失小热效率高，热传导和热辐射损失小 v 激光加热源激光加热源 v 高频感应加热源高频感应加热源 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 电阻丝直接加热蒸发 电阻丝加热源示意图电阻丝加热源示意图 加热螺旋电阻丝 源棒（或源丝） 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 电子束加热源示意图电子束加热源示意图 灯丝 加速栅极 偏转板偏转

14、磁铁 电子束 蒸发原子 蒸气 坩埚 冷却水 电子束蒸发 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 蒸发速率均匀性的控制 平板式基板平板式基板 行星式转动机构的半球形罩行星式转动机构的半球形罩 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 5.3 气体辉光放电（Glow Discharge ） 直流辉光放电：直流辉光放电： 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 气体辉光放电现象 气压逐渐下降气压逐渐下降 原子受激幅度不同原子受激幅度不同 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 5.4 等离子体（Plasma）的产生与应用

15、v 弹性碰撞弹性碰撞 v 非弹性碰撞非弹性碰撞 v 电离过程：电离过程：e-+Ar Ar+ + 2e- v 激发过程：激发过程： e-+O2 O2* + e- v 分解反应：分解反应： e-+CF4 CF3* + F*+ e- 等离子体（等离子体（PlasmaPlasma）：）：一种由正离子、电子、光子、以一种由正离子、电子、光子、以 及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气 体，而且正、负带电粒子的数目相等，宏观上呈现电中体，而且正、负带电粒子的数目相等，宏观上呈现电中 性的性的物质存在形态。物质存在形态。 天津工业大学天津工业大学 集

16、成电路工艺原理集成电路工艺原理 Illustration of Ionization 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 Excitation Collision 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 Relaxation 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 Dissociation 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 等离子体的物理特性 v高度高度电离电离（不同的等离子体电离度不同，（不同的等离子体电离度不同，0.001%- 100%），是电和热的良导体，具有比普通气体大几百，是电和热的良导体，具有

17、比普通气体大几百 倍的比热容倍的比热容； v带带正电的和带负电的粒子密度几乎相等正电的和带负电的粒子密度几乎相等，宏观上宏观上呈呈电电 中性的中性的。 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 物质四态 固体 冰 液体 水 气体 水汽 等离子体 电离气体 温度 00C1000C100000C 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 等离子体的应用 看似看似“神秘神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的的等离子体，其实是宇宙中一种常见的 物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整 个宇宙的个宇宙的99

18、99。 等离子体可分为两种：等离子体可分为两种：高温高温和和低温低温等离子体等离子体。 等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场产等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场产 生来控制等离子体。生来控制等离子体。低温等离子体物理的发展为材料、能低温等离子体物理的发展为材料、能 源、信息、环境空间科学的进一步发展提新的技术和工艺。源、信息、环境空间科学的进一步发展提新的技术和工艺。 如日光灯、如日光灯、PDPPDP等离子电视、等离子电视、ICIC工艺中的等离子体应用工艺中的等离子体应用 。 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 天津工业大学天津工业大学 集成电路工

19、艺原理集成电路工艺原理 PDP的工作原理 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 5.5 溅射（Sputtering） 溅射：溅射：具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入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，并可能将固体表面的原子溅射出来，这种现象称为移，并可能将固体表面的原子溅射出来，这种现象称为溅射溅射。 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 离子入射 具有能量的离子打到材料表面具有能量的离子打到材料表面 会发生的会发生的

20、四种情况四种情况： n很低能量的离子简单反弹；很低能量的离子简单反弹； n能量小于能量小于10eV10eV的离子会吸附于的离子会吸附于 表面，并以声子（热）释放能表面，并以声子（热）释放能 量；量； n能量介于能量介于10eV10eV到到10keV10keV时，能时，能 量传递，发生溅射过程，逸出量传递，发生溅射过程，逸出 的原子一般具有的原子一般具有101050eV50eV的能的能 量，远大于蒸发原子；量，远大于蒸发原子； n能量大于能量大于10keV10keV时，离子注入时，离子注入 过程；过程； 溅射原子 二次电子 反射离子与 中性粒子 入射离子 表面 衬底 损伤 注入溅射 天津工业大学

21、天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 溅射过程 v 入射过程中入射离子与靶材之间有很入射过程中入射离子与靶材之间有很 大的能量传递，因而溅射出的原子具大的能量传递，因而溅射出的原子具 有较大的动能（有较大的动能（10-50eV），而真空），而真空 蒸发过程中原子所获得的动能一般只蒸发过程中原子所获得的动能一般只 有有0.1-0.2eV左右；左右； v 因此溅射法的因此溅射法的台阶覆盖能力和附着力台阶覆盖能力和附着力 都比真空蒸发要好，同时辐射缺陷远都比真空蒸发要好，同时辐射缺陷远 小于电子束蒸发，制作复合材料和合小于电子束蒸发，制作复合材料和合 金膜时性能更好金膜时性能更好，是大多数

22、硅基工艺，是大多数硅基工艺 PVD的最佳选择。的最佳选择。 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 溅射特性 v 溅射阈值溅射阈值 EEt，1030ev，取决于靶材，取决于靶材 v 溅射率溅射率S 入射离子能量（一定范围内能量越大，入射离子能量（一定范围内能量越大，S越大）越大） 入射离子的种类（原子量越大，入射离子的种类（原子量越大，S越大，周期性变化）越大，周期性变化） 被溅射物质的种类（与入射离子种类的影响类似）被溅射物质的种类（与入射离子种类的影响类似） 离子入射角（平行和垂直时最小，离子入射角（平行和垂直时最小，70左右最大）左右最大） v 溅射原子的能量和速度溅

23、射原子的能量和速度 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 溅射方法 v 直流溅射直流溅射 v 射频溅射射频溅射 v 磁控溅射磁控溅射 v 反应溅射反应溅射 v 偏压溅射偏压溅射 v 离子束溅射离子束溅射 至真空泵 溅射气体 溅射靶 衬底 阳极 绝缘 V(DC) v 530MHz530MHz的交流电（一般为的交流电（一般为13.56MHz13.56MHz） v 在射频电场中，因为电场周期性地改在射频电场中，因为电场周期性地改 变方向，则电子不容易到达电极和容变方向，则电子不容易到达电极和容 器壁而损失；器壁而损失； v 射频电场可以通过很多类型的阻抗耦射频电场可以通过很多类

24、型的阻抗耦 合进入淀积室，所以电极可以是导体，合进入淀积室，所以电极可以是导体， 也可以是绝缘体。也可以是绝缘体。 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 磁控溅射 S N N S N S e Ar+ Ar e E B 靶原子 e2 基片 溅射靶 溅射的缺点溅射的缺点：较低的薄膜淀积速率；：较低的薄膜淀积速率； 较高的工作气压。较高的工作气压。 磁控溅射的优点磁控溅射的优点：磁场的存在：磁场的存在延长延长 了电子在等离子体中的运动轨迹，了电子在等离子体中的运动轨迹， 提高了与原子碰撞的效率提高了与原子碰撞的效率，提高了，提高了 原子电离的几率，从而在较低的气原子电离的几率，

25、从而在较低的气 压下实现了较高的溅射效率和淀积压下实现了较高的溅射效率和淀积 速率。速率。 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 接触孔中的薄膜溅射淀积 v 溅射原子遵循余弦分布溅射原子遵循余弦分布 某方向上原子的分布概率与该方向与溅射平面法线的某方向上原子的分布概率与该方向与溅射平面法线的 夹角的余弦值成正比夹角的余弦值成正比 v 带准直器的溅射淀积方法带准直器的溅射淀积方法 改善台阶覆盖性能改善台阶覆盖性能 降低淀积速率，增加污染和成本降低淀积速率，增加污染和成本 v 长投准直溅射技术长投准直溅射技术 靶与硅片之间的距离更长，同时在低压下产生等离子靶与硅片之间的距离更长，同时在低压下产生等离子 体体 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 带准直器的溅射淀积 天津工业大学天津工业大学 集成电路工