soc工艺课件ch8物理气相淀积

1、P1微电子制造工艺概论第8章 物理气相淀积P28.1PVD概述8.2真空系统及真空的获得8.3真空蒸镀8.4溅射8.5PVD金属及化合物薄膜本章主要内容P3物理气相淀积物理气相淀积（Physical vapor deposition，PVD）是利用某种物理过程实现物质转移，将原子或分子由（靶）源气相转移到衬底表面形成薄膜的过程。 淀积方法：真空蒸镀：在高真空环境加热原材料使之气化，源气相转移到衬底，在衬底表面凝结形成薄膜的工艺方法。溅射：在一定的真空环境下电离气体，使之形成等离子体，带正电的气体离子轰击靶阴极，逸溅出的靶原子等粒子气相转移到衬底表面形成薄膜的工艺方法。 PVD常用来制备金属薄膜

2、:如Al, Au, Pt, Cu，合金及多层金属。8.1PVD概述P48.2真空系统及真空的获得 低真空：1760Torr，102105Pa中真空：10-31Torr，10-1102Pa高真空：10-710-3Torr，10-510-1Pa超高真空：10-7Torr， 10-5Pa 1atm=760Torr ， 1Torr=133.3Pa 半导体工艺设备一般工作在低、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。P5阀门气体的量：用压力与体积乘积（PV）表示；气体流量Q：单位时间内流过管道某一恒基面气体的量。气体的流量通常用标准体积来衡量，即相同气体在0C和1atm下所占的体积。1

3、标准升是273K、1atm下占据1升空间的气体。入射气体流量为Q，假定气体以均匀压力P1流过真空室，导率为C的导管与真空泵相连，泵入口压力为P2，气体导管的导率C定义为：8.2.1真空系统简介d(PV)Qdt 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大，真空泵放在接近真空处；12-QCPPP6pQdVSPdtmdGqdt8.2.1真空系统简介真空泵的抽速Sp：单位时间内排出气体的体积，取决于真空泵入口处的气压；一个抽速为1000L/min的泵，在泵入口压力为1atm时，能抽出的气体为1000slm。如果在泵

4、入口压力为0.1atm时，在此压力下仍保持抽速为1000L/min，而泵能排出的最大气体流量变为100slm。气体的流速常采用质量流量qm来表征，若气体质量为G（分子量为M，密度为的气体）时P78.2.2真空的获得方法 真空泵：以物理方式抽取真空室气体提高室内真空度的设备。 初、中真空度的获得采用机械泵。通过活塞、叶片、柱塞的机械运动将气体正向移位。 三个步骤：捕捉气体、压缩气体、排出气体。 机械泵也称为压缩泵。 压缩比：压缩泵气体出口和入口的压力比成为压缩比。P8 旋转叶片机械泵主要由定子、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

5、离心力紧贴在定子内壁的两块旋片。 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。 机械泵是初级真空设备，入口的极限真空度可达0.1Pa。旋片泵工作原理图旋片泵工作原理图 1-泵体;2-旋片;3-转子;4 -弹簧;5-排气阀 8.2.2真空的获得方法P9扩散泵 高、超高真空度的获得通常实在初级泵气体入口串接次级泵，常用的次级泵是扩散泵，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。 原理：通过加热使扩散泵油挥发，蒸汽流碰到水冷的泵体后凝结回流的

6、过程中携带气体分子到达泵体底部，之后被初泵抽走。8.2.2真空的获得方法扩散泵剖面照片P10涡轮分子泵涡轮分子泵 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。 原理：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。 涡轮分子泵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。 动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度（一般为150400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 。8.2.2真空的获得方法涡轮分子泵涡轮分子泵P118.2.3真空度的测量电容式压力计：测

7、量真空室和参考容积之间的压力差产生机械偏移量得到真空度的方法。热偶规：利用热电偶的电势与温度有关，而温度与气体的热传导有关的原理测量真空度。电离规：热阴极发射电子电离气体分子，离子被收集集所收集，根据收集的离子流量来测量气体的压强。复合真空计：由热偶规与热阴极电力计组成。BA规（热阴极电离规） ：一种阴极与收集极倒置的热阴极电离计。P12 真空蒸镀又称真空蒸发，将装有衬底的真空室抽吸至高真空度，加热原材料使其升华，形成源蒸汽流入射到衬底表面，在衬底凝结形成固态薄膜的一种工艺。 三个基本过程：蒸发过程气相输运过程成膜过程； 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

8、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；8.3真空蒸镀P13 蒸发过程：蒸发源原子从液（固）表面溢成为蒸汽原子的过程； 蒸汽压：指在液（固）表面存在该物质的蒸汽，这些蒸汽对液（固）表面产生的压强就是该液（固）体的蒸汽压。 平衡(饱和)蒸汽压：一定的温度下，与同种物质的液态(或固态)处于平衡状态的蒸汽所产生的压强叫饱和蒸汽压。蒸汽压蒸汽压8.3.1工艺原理蒸发过程常用金属的平衡蒸汽压温度曲线P14蒸镀真空示意图8.3.1工艺原理蒸发过程 真空蒸镀中，源被加热，只有当处于加热温度的源的平衡蒸汽压高于室内源蒸汽的分压时才会有净蒸发。 真

9、空室内源的加热温度越高，其平衡蒸汽压越高于室内蒸汽分压，蒸发速率也就越快。 蒸发温度：在平衡蒸汽压为1.333Pa时所对应的物质温度。 铝：1250C；钨：3000C；P1522kTd P气象输运过程：源蒸汽从源到衬底表面之间的质量输运过程。分子平均自由程：粒子两次碰撞之间飞行的平均距离。 其中，d为原子的半径；真空室的真空度越高，蒸汽原子的平均自由程就越大。假设衬底到表面的距离为L，为避免从源到衬底表面蒸汽原子因碰撞被散射或能量降低，分子的平均自由程应大于L。蒸镀时必须保持室内真空度足够高，使从源溢出的原子以直线形式到达衬底表面。蒸发速率与蒸发源材料、蒸发温度、蒸发源与衬底的几何空间位置、表

10、面的清洁程度、加热方式等因素有关。 8.3.1工艺原理气相输运过程P16成膜过程：到达衬底的蒸发原子在衬底表面先成核再成膜的过程。成核：蒸发原子到达衬底表面的附着原子由于扩散运动，在表面移动，如果碰上其它原子便凝结成团，当原子团达到临界大小时就趋于稳定。成核最容易发生在表面应力高的结点位置。成膜：随着蒸汽原子的进一步淀积，岛状成核原子团不断扩大，直至延展至连续薄膜。真空蒸镀所淀积的薄膜一般是多晶态或无定型薄膜。8.3.1工艺原理成膜过程P178.3.2蒸镀设备 设备由四部分组成：真空室：蒸发过程提供真空环境，金属钟罩和平台构成；真空系统：包含多级真空泵、阀门、真空规及真空管路；检测系统：对薄膜

11、厚度、淀积速率、成分进行检测装置；控制台：进行真空蒸镀的操作平台（电控和机械部分）；P188.3.2蒸镀设备蒸蒸镀主要采用的加热器类型及性能：电阻加热蒸镀电感加热蒸镀电子束加热蒸镀P19电阻加热器电阻加热器 利用电功率使源蒸发，加热材料制成螺旋式（丝状源）、锥形篮式（颗粒状源）、舟式（粉末状源）、坩埚式等式样。 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（面/点蒸发）。 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。8.3.2蒸镀设备电阻加热器P208.3.2蒸镀设备电感加热器电感加热器电感加热器 利用电感在导电的金属源

12、中产生的涡流电功率来对源进行加热的。 一般由氮化硼制成坩埚，金属线圈绕在坩埚上。 线圈上加载射频功率，坩埚内的原材料就感应出涡流电流，电热使源蒸发。 相对于电阻加热，蒸镀薄膜纯净，单功率更大。P21电子束电子束(EB)加热加热 利用电子在电场作用下，获得动能轰击处于阳极的蒸发材料，使其加热汽化。 优点：电子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：电子束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；设备复杂，价格昂贵。8.3.2蒸镀设备电子束加热器P22(a)单源蒸发法单源蒸发法(b)多源同时蒸发法多源同时蒸发法8.3.3蒸镀工艺真空蒸

13、镀工艺参数和方法：薄膜特性、衬底情况、设备条件。薄膜特性（根据材料特性确定蒸发方法和温度）：单质材料：由平衡蒸汽压曲线确定源大致蒸发温度；多组分材料：先确定蒸发方式，再确定蒸发温度。 单源蒸发（平衡蒸汽压接近）、多源同时蒸发（蒸发温度和平衡蒸汽压相差很大）、多源顺序蒸发。P238.3.3蒸镀工艺衬底情况：衬底情况：冷蒸：衬底不加热的蒸镀方式；如光刻剥离技术（蒸镀前在衬底表面已有了光刻胶图形。蒸镀薄膜时，所蒸镀的薄膜在光刻胶处断裂，以利于光刻胶剥离也从光刻胶顶剥离掉薄膜）热蒸：衬底加热的蒸镀方式；设备条件：设备条件：电子束蒸镀是使用最多的设备，可以制备薄膜材料范围很广，如常用金属，合金等。但对衬

14、底有辐射，MOS器件的金属化系统采用电感蒸镀设备；工艺步骤：准备抽真空 预蒸蒸发取片。预蒸：不开挡板，加热源蒸汽，去除源表面的不纯物质；蒸发：打开挡板开始蒸镀。薄膜厚度满足，立即关断挡板。P248.3.4蒸镀薄膜的质量及控制真空度真空度台阶覆盖特性台阶覆盖特性蒸发速率蒸发速率 P25蒸镀的真空度蒸镀的真空度：真空室内的真空度是所淀积薄膜纯度、致密度高低的关键： 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

15、或分子也会淀积在衬底上，严重影响淀积薄膜的纯度。8.3.4蒸镀薄膜的质量及控制真空度P26在有深宽比为在有深宽比为1的微结构衬底上蒸镀薄膜的台阶覆盖的微结构衬底上蒸镀薄膜的台阶覆盖8.3.4蒸镀薄膜的质量及控制台阶覆盖 台阶的覆盖特性台阶的覆盖特性：通过加热和衬底旋转能够改善真空蒸镀的台阶覆盖特性。 加热：温度升高，蒸发原子在衬底表面的扩散速率提提高； 衬底旋转：改善衬底高形貌投射出阴影区的薄膜覆盖问题。P278.3.4蒸镀薄膜的质量及控制蒸发速率蒸发速率对薄膜质量有重要影响。蒸发速率对薄膜质量有重要影响。提高蒸发速率：有利于减小真空室残余气体对源蒸汽和衬底表面的碰撞，提高淀积薄膜的纯度和与衬

16、底的结合力，以及表面质量。蒸发速率过快：蒸汽原子气相输运中的相互碰撞会加剧，动能有所降低，甚至引起蒸汽原子相结团后再淀积，导致薄膜表面不平坦等质量问题。实际中，需考虑薄膜的具体应用要求。P288.4溅射溅射溅射是指利用气体反常辉光放电时气体等离子化产生的离子对阴极靶轰击，使阴极物质飞溅出来淀积到基片上形成薄膜的一种PVD工艺。将溅射分解为四个过程：等离子体产生过程；离子轰击靶过程；靶原子气相输运过程；淀积成膜过程；等离子体的产生过程指一定真空度的气体中通过淀积加载电场，气体被击穿形成等离子体，出现辉光放电现象。P29离子轰击靶过程是指等离子体中的离子在电场作用下加速轰击阴极靶，靶原子飞溅离开靶

17、表面的过程。离子轰击固体表面（离子能量E）：反弹回气相（E很小）；吸附在固体表面（E10keV）；溅射原子（10eVE10keV），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。8.4.1工艺原理离子轰击靶过程P30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（溅射产额）：入射一个离子所溅射出的原子个数。溅射率越高，可淀积到衬底原子就越多，薄膜淀积速度就越快。溢出靶的原子流密度F为 F=Sj+ S为溅射率，j+为轰击靶的离子浓度。

18、8.4.1工艺原理离子轰击靶过程P318.4.1工艺原理离子轰击靶过程影响溅射率的因素影响溅射率的因素入射离子：能量、入射角、靶原子与入射离子质量比、入射离子种类；靶：靶原子量、结晶方向、表面原子结合状态等；温度：温度超过某一范围，溅射率迅速增加；氩等离子体中溅射率氩等离子体中溅射率/ /能量：能量：E100eV，溅射率随能量的平方增加；100eVE750eV，溅射率略有增加；E1000eV，发生离子注入；P32溅射率与入射离子种类的关系：原子量；原子序数(周期性)；惰性气体的溅射率最高。 溅射率与靶的关系：随靶原子序数增加而增大。8.4.1工艺原理离子轰击靶过程P33靶原子的气相传输：从靶面

19、溢出的原子气相质量输运到达衬底的过程。淀积成膜过程：到达衬底的靶原子在衬底表面先成核再成膜的过程，和蒸镀成膜过程一样，当靶原子碰撞衬底表面时，或是一直附着在衬底上，或是吸附后再蒸发而离开。溅射工艺衬底温度通常是室温，但随着溅射淀积的进行，受二次电子的轰击，衬底的温度将有所升高。通常溅射制备的多晶态或无定型态薄膜。8.4.1工艺原理P348.4.2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，溅射速率很慢。 工作气压是一个重要参数：工作气压较低时，原子电离成离子的概率较低，随着气压的升高，原子电离概率增加，溅射放电电流增加，薄膜淀积速率提高。工作气压升高到某一值时，靶原子在飞向衬底

20、的过程中受到过多的散射，淀积到衬底上的概率反而下降。气压和淀积速率的关系气压和淀积速率的关系P358.4.3射频溅射 在射频电场作用下，气体电离为等离子体。靶相对于等离子体而言是负极，被轰击溅射；衬底放置电极与机壳相连，鞘层压降很小，与等离子体基本等电位。 可溅射介质薄膜，如SiO2等； 缺点：淀积速率低，设备复杂，价格较高，存在辐射污染。多用于绝缘介质薄膜制备。13.56MHz4cddcAAVVP368.4.3磁控溅射 磁控溅射是在阴极靶面上建立一个磁场，以控制二次电子的运动，延长电子飞向阳极的行程，使其尽可能多产生几次碰撞电离从而增加了离子密度。（直流/磁控溅射离子密度0.0001%/0.

21、0003% 只能制备金属导电薄膜。 优点：提高了溅射效率；降低了系统内工作气体的气压；减少了二次电子对衬底的轰击，降低了衬底的损伤。P378.4.5其他溅射方法反应溅射 用化合物作靶可实现多组分薄膜淀积，但得到的薄膜往往与靶的化学组成有很大的差别。可采取反应溅射，在溅射室通入反应气体，如：O2，N2，H2S，CH4，生成： 氧化物：Al2O3，SiO2，In2O3等 碳化物：SiC，WC，TiC等 氮化物：TiN，AlN，Si3N4等 硫化物：CdS，ZnS等 各种复合化合物P388.4.6溅射薄膜的质量及改善方法溅射与蒸镀质量的比较：溅射薄膜的保形覆盖特性好于蒸镀薄膜；溅射薄膜附着性好于蒸镀

22、薄膜；溅射薄膜较蒸镀薄膜密度大，针孔少；溅射薄膜的淀积速率较蒸镀慢，膜厚可控性和重复性好；薄膜纯度较高；溅射工艺需要与薄膜成分相适应的高纯度靶材；P398.4.6溅射薄膜的质量及改善方法 改善溅射薄膜的保形覆盖特性的方法： 充分升高衬底温度（温度越高，表面扩散迁移快）； 在衬底上加射频偏压，有助于溅射材料的再淀积； 采用强迫填充技术； 采用准直溅射技术；P408.5 PVD金属及化合物薄膜铝铝及铝合金薄膜淀积铝及铝合金薄膜淀积 铝的电阻率低，为2.7cm； 制作铝膜内电极，与衬底硅形成欧姆接触淀积之后高温退火。退火中硅-铝互扩散，在界面硅的一侧出现铝的“尖楔”，可能导致结穿通。硅在铝中的固溶度只有1%，界面处硅向滤重扩散，而留下的硅被铝填充。 减少尖契的方法：1）共蒸发方法：使用含硅1%左右的铝；2）在铝和硅衬底之间夹一层阻挡层； 铝的抗电迁移特性差，在铝中掺入2%的铜可改善；P41优点：a.低的电阻率，只有铝的62%缺点： a.在标准的芯片制造条件下铜有受侵蚀的趋向。b.缺少对铜切实可行的干法刻蚀方法。c.对二氧化硅和低k值聚合物等介质材料的粘附性差。制备多层铜互连的工艺：(1)先把金属膜制成图形，接着再进行介质淀积。(2)先把