第10章物理气相淀积

1、第十章物理气相淀积物理气相淀积10.1 物理气相淀积（物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）n在半导体制造工艺中，所用到的物理气相淀积主要包括蒸发蒸发和溅射溅射。n不同于化学气相淀积，物理淀积的过程中没有大规模的化学反应产生，参与淀积的原材料也不需要是气相。10.2 蒸发（蒸发（Evaporation） 蒸发是将待蒸发的材料放置进坩埚（crucible），在真空系统中加热，利用其在高温时具有的饱和蒸气压来进行淀积 在蒸发器中通过保持高真空环境，蒸气分子的平均自由程（MFP）增加，并且在真空腔里以直线形式运动，直到它撞到表面凝结形成薄膜。蒸发台的基本结构蒸发台的基本结

2、构硅片硅片放气放气机械泵机械泵初级抽初级抽气泵气泵扩散泵扩散泵冷阱冷阱坩埚坩埚淀积材料淀积材料真空腔真空腔2nPJkTM根据气体分子平均速度的公式以及通量的定义，可以得出单位时间通过一个平面的气体分子数为：其中，P是腔内压力，M是原子质量。将此速率乘以原子质量就得到了表示质量蒸发速率的Langmuir表达式：其中Pe是坩埚内材料的平衡蒸气压。2MEeMRPkT10.2.1 蒸发速率公式蒸发速率公式假定坩埚开口有恒定面积A，且对流和热传导保持整个坩埚内材料的温度近似为恒定，则坩埚内材料的质量消耗速率为：2MLeMRP AkT242edP AMRrkT淀积速率等于单位面积到达的质量速率除以膜的质量

3、密度：其中，r是坩埚和圆片放置的球半径，是膜的质量密度。 蒸发的最大缺点是不能产生均匀的台阶不能产生均匀的台阶覆盖。覆盖。当半导体制造进入到VLSI和ULSI技术时，金属化需要能够填充具有高深宽比的孔，并且产生等角的台阶覆盖。蒸发的另一严重缺点是对淀积合金的限制。淀积合金的限制。由于不同材料的蒸气压不同，使得精确控制被淀积合金的最后组分很困难。蒸发的这些缺点导致了它在IC生产中被淘汰。10.2.2 蒸发的局限性蒸发的局限性台阶覆盖（台阶覆盖（step coverage）n标准的蒸发工艺不能在深宽比大于1.0的图形上形成连续膜。改进方式：改进方式：a. 蒸发过程中旋蒸发过程中旋转圆片转圆片b.

4、加热圆片，促加热圆片，促使到达圆片的原使到达圆片的原子沿表面扩散。子沿表面扩散。行星式载盘装置示意图行星式载盘装置示意图 饱和蒸气压饱和蒸气压n在一定温度下，封闭室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出的压力，称为该物质的饱和蒸气压。此时蒸发物表面液相、气相处于动态平衡，即单位时间内凝聚的分子数与蒸发的分子数相等。n物质的饱和蒸气压随温度的上升而增大，在一定温度下，各种物质的饱和蒸气压不相同，且具有恒定的数值。10.2.3 蒸发系统：坩埚加热技术n电阻加热n电感加热n电子束加热 系统10.3 溅射溅射 为了获得更好的台阶覆盖和间隙填充，发展了溅射金属化工艺。溅射是一个物理过程，是物理气

5、相淀积形式之一。在溅射过程中，高能粒子撞击具有高纯度的靶材料固体平板，撞击出原子。这些原子穿过真空，最后淀积在硅片上凝聚形成薄膜。简单平行金属板直流溅射系统简单平行金属板直流溅射系统尾气e-e-e-DC 二极管溅射装置衬底 1) 电场产生 Ar+ 离子 2) 高能Ar+ 和金属靶撞击 3) 将金属原子从靶中撞出.阳极 (+)阴极 (-)氩原子电场金属靶等离子体 5) 金属淀积在衬底上 6) 用真空泵将多余物质从腔中抽走4) 金属原子向衬底迁移.进气溅射过程从靶的表面撞出金属原子溅射过程从靶的表面撞出金属原子+0高能Ar+ 离子被溅射的金属原子金属原子阴极 (-)弹回的氩离子和自由电子复合形成中

6、性原子10.3.1 溅射作用机理溅射作用机理 高能离子在轰击高能离子在轰击靶材的时候，会发靶材的时候，会发生四种情况：生四种情况： E10eV：表面简：表面简单反射。单反射。 E10eV：吸附于表：吸附于表面，释放出能量。面，释放出能量。 10eVE10KeV：深入到：深入到衬底衬底。溅射产额溅射产额溅射产额溅射产额S：定义为从靶上被溅射出的原子数与入定义为从靶上被溅射出的原子数与入射到靶上的离子数之比射到靶上的离子数之比 。溅射产额由以下几个因素决定：溅射产额由以下几个因素决定：1。轰击离子的能量和质量。轰击离子的能量和质量2。轰击离子的入射角。轰击离子的入射角3。靶材料组分和它的几何因素。

7、靶材料组分和它的几何因素4。轰击离子的种类。轰击离子的种类5。靶材的温度。靶材的温度n对于每一种靶材料，都存在一个对于每一种靶材料，都存在一个能量阀值能量阀值Eth，低于此阀，低于此阀值，不会发生溅射。阀值能量一般在值，不会发生溅射。阀值能量一般在1030eV之间。之间。n当靶原子质量大于入射原子质量的五倍时：阀值能量由当靶原子质量大于入射原子质量的五倍时：阀值能量由下式给出：下式给出： 01 ()thUE 其中，其中，U0是靶材料的蒸发热，是靶材料的蒸发热，是能量传递参数，由是能量传递参数，由下式给出：下式给出：122124()M MMM其中其中M1和和M2分别是入射原子和靶原子的原子质量。

8、分别是入射原子和靶原子的原子质量。溅射产额与入射离子能量的关系溅射产额与入射离子能量的关系溅射产额溅射产额S最初随轰最初随轰击离子能量的增加击离子能量的增加而而指数上升指数上升；其后；其后出现一个出现一个线性增大线性增大区，并逐渐达到一区，并逐渐达到一个平坦的最大值并个平坦的最大值并呈呈饱和状态饱和状态；如果；如果再增加再增加E则因产生则因产生离子注入效应而使离子注入效应而使S值值开始下降。开始下降。阀值阀值溅射产额与角度的依赖性溅射产额与角度的依赖性1lncosgastagMESME高能量溅射的产额高能量溅射的产额近似为：近似为：其中，其中，是靶的法线是靶的法线与入射离子速度矢与入射离子速度

9、矢量间的夹角。量间的夹角。溅射产额与入射离子种类的关系1）依赖于入射离子的原子量入射离子的原子量，入射离子的原子量越大，则溅射率越高；2）与入射离子的原子序数入射离子的原子序数有关，呈现出随离子的原子序数周期性变化的关系。3）在周期表每一横排中，凡电子壳层电子壳层填满的元素作为入射离子时，就有最大的溅射率。 因此，入射离子多采用惰性气体，同时还能避免与靶材料起化学反应。 通常选用氩（氩（Ar）为工作气体。溅射产额与入射离子原子序数的关系溅射产额与温度的关系溅射产额与温度的关系溅射率与靶材温溅射率与靶材温度的依赖关系，度的依赖关系，主要主要靶材物质靶材物质的升华能相关的的升华能相关的某温度值某温

10、度值有关：有关：在低于此温度时，在低于此温度时，溅射率几乎不变；溅射率几乎不变；超过此温度时，超过此温度时，溅射率将急剧增溅射率将急剧增加。加。10.2.2 溅射的优点溅射的优点 相对于传统的金属化方法蒸发而言，溅射具有相对于传统的金属化方法蒸发而言，溅射具有如下的优点：如下的优点： a) 具有淀积并保持复杂合金原组分的能力；具有淀积并保持复杂合金原组分的能力； b) 能够淀积高温熔化和难熔金属；能够淀积高温熔化和难熔金属； c) 能够在大直径的硅片上控制淀积均匀薄膜；能够在大直径的硅片上控制淀积均匀薄膜； d) 具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清 除硅片

11、除硅片表面沾污和本身的氧化层；表面沾污和本身的氧化层； e) 可以获得良好的台阶覆盖和间隙填充可以获得良好的台阶覆盖和间隙填充 。【习题】【习题】n（书P157 19题）某电介质材料位于两条平行的金属线之间，长度L1cm，宽度W0.28m，厚度T0.3 m ，间隔S0.36 m 。计算（a）延迟时间，已知金属是铝，电阻率为2.67 .cm ，电介质是氧化物，介电常数k为3.9；（b）计算RC延迟时间，已知金属是铜，其电阻率为1.7 .cm，电介质是有机聚合物，介电常数k为2.8；（c）试比较（a）和（b）的计算结果，RC延迟时间能减少多少？ 解：0() ()LWLRCkWTS溅射机实物图溅射机

12、实物图 PVD多腔集成设备多腔集成设备溅射对台阶覆盖的改善溅射对台阶覆盖的改善n对衬底加热，增强表面扩散作用。n在圆片上加RF偏压，使圆片被高能离子轰击，有助于溅射材料的再淀积。n加入准直器，对入射离子的方向校正。准直溅射系统准直溅射系统表明溅射薄膜覆盖通孔的剖面图Ar靶准直器准直溅射系统10.3.3 溅射系统溅射系统nDC （直流）溅射：（直流）溅射：淀积各类金属或导体材料薄膜。nRF(射频）溅射射频）溅射：淀积各类导电性差的非金属材料薄膜。n磁控溅射：磁控溅射：通过磁场改变电子轨迹提高溅射速率。nIMP（离子化的金属等离子体）溅射（离子化的金属等离子体）溅射：溅射的金属被离子化，在偏压的作

13、用下被淀积。真空溅射室及等离子体辉光放电图真空溅射室及等离子体辉光放电图磁控溅射机结构图磁控溅射机结构图磁控溅射工作原理磁控溅射工作原理 磁控溅射的基本原理基本原理是以磁场来改变电子的运动方向,并束缚和延长电子的运动轨迹,从而提高了电子对工作气体的电离几率，有效地利用了电子的能量。因此，使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效(高速)。 同时，受正交电磁场束缚的电子,又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上(基片温升少) 。 磁控溅射工作原理示意磁控溅射工作原理示意NSSNNSe1e2 eeArAr+e1B基片基片溅射靶溅射靶靶原子电子的螺旋式运动电子的螺旋式运动电子在磁场中受电子在磁场中受到洛

14、伦兹力的作到洛伦兹力的作用，而改为螺旋用，而改为螺旋式的方式运动式的方式运动。磁场磁场B的方向垂直于电场方向的方向垂直于电场方向螺旋运动的半径螺旋运动的半径rmeveB/q 磁控溅射的优点磁控溅射的优点1）磁控溅射可得到很高的溅射速率很高的溅射速率；2）在溅射金属时还可避免二次电子轰击避免二次电子轰击而使基板保持接近冷态，这对使用单晶和塑料基板具有重要意义；3）磁控溅射电源可为DC也可为RF放电工作，故能制备各能制备各种材料种材料。 磁控溅射存在的问题磁控溅射存在的问题1）在对强磁性材料进行溅射时，因几乎所有磁通都通过磁性靶，须对靶源进行专门处理。2）使用绝缘材料靶会使基板温度上升；3）靶的利用率较低(约30)，这是由于靶侵蚀不均匀的原因。【附】剥离（【附】剥离（Lift-off） 工艺工艺n利用蒸发对高深宽比图形的覆盖性差的特点，用于难以刻蚀的一类贵金属或常见金属图形的制备，如Ni，Fe，Au，Pt等。n工艺设备简单，只需要一个显影液槽。n广泛的用于实验室研究。Lift