第五章物理气相淀积

1、第五章第五章 物理气相淀积物理气相淀积(PVD)(PVD)河北工业大学微电子研究所河北工业大学微电子研究所引言引言 薄膜淀积是芯片加工过程中一个至关重要的工艺步骤，通过淀积工艺可以在硅片上生长导各种导电薄膜层导电薄膜层和绝缘薄膜层绝缘薄膜层，比如金属（Cu、W、Au）、多晶硅、二氧化硅（SiO2）以及氮化硅（Si3N4），作为欧姆接触、互连栅电极和肖特基二极管等方面的用膜。铂、钛等在多层互连膜中常用作粘附或阻挡层。 各种不同类型的薄膜淀积到硅片上，在某些情况下，这些薄膜成为器件结构中的一个完整部分，另外一些薄膜则充当了工艺过程中的牺牲品，并且在后续的工艺中被去掉。 本章将重点讨论薄膜淀积的原理

2、、过程和所需的设备及多晶硅、SiO2等绝缘材料薄膜的淀积。金属和金属化合物薄膜的淀积将在第9章中介绍。ULSIULSI硅片上的多层金属硅片上的多层金属芯片中的金属层芯片中的金属层物理气相沉积物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD)：利用某种物理过程，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象。蒸发：蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。溅射：溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出

3、并被溅射到晶片上。5.1 真空蒸发法制备薄膜的基本原理5.2 蒸发源5.3 气体辉光放电5.4 溅射讲课内容讲课内容5.1 5.1 真空蒸发法制备薄膜的基本原理真空蒸发法制备薄膜的基本原理热蒸发：蒸发材料在真空室中被加热到足够温度时，其原子或分子就会从表面逸出，热蒸发：蒸发材料在真空室中被加热到足够温度时，其原子或分子就会从表面逸出， 这种现象叫做热蒸发。这种现象叫做热蒸发。饱和蒸汽压饱和蒸汽压：在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸汽在与固体或液体平衡过程在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸汽在与固体或液体平衡过程* *中中 所表现出的压力，所表现出的压力，称为该温度下的饱和蒸汽压。相反，一定的饱

4、和蒸汽压对应一定的温度，规定饱和蒸汽压为饱和蒸汽压为133.3133.310102 2PaPa时的温度，为蒸发温度时的温度，为蒸发温度。温度一定，不同物质饱和蒸气压不同，但是有恒定值。大部分金属需融化后才能有效蒸发，而Mg、Zn直接升华。*实际上在真空蒸发制薄时，因为真空室内其它部位的温度都比蒸发源低得多，蒸发原子或分子被凝结因而不存在这种平衡过程。蒸发法薄膜沉积设备结构示意图（1）真空系统（2）蒸发系统（加热、测温）（3）基板及加热系统放置硅片、衬底加热、测温）蒸发过程：（1）加热接近或到熔点，固体汽化，溢出（2）汽化原子或分子在源与基片间的输运（3）被蒸发原子或分子在衬底的淀积成膜 机械泵

5、高真空阀高真空泵工艺腔(钟罩)坩锅蒸发金属载片盘汽化热（汽化热（H)H)：真空蒸发系统的能源将蒸发材料加热到足够温度，使其原子或分子获得足够能量，克服固相（或液相）的原子束缚而汽化到真空环境中，并形成具一定动能的气相原子或分子，该能量即为汽化热。必须保持真空环境的理由必须保持真空环境的理由： （1）如果真空度很低真空度很低，被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体的分子碰撞，运动方向不断改变，很难保证被蒸发的原子或分子有效地淀积在衬底上。（2）如果真空度太低真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子或分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表面发生氧化。如铝易被氧化的缘故。一般要

6、求本底压强低于10-4l0-5pa。（3）系统中残余气体及所含的杂质原子或分子也会淀积在衬底上，从而严重地影响了淀积薄膜的质量。PdkT22气体平均自由路程 与气体压强P有如下关系：k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度（K）；d为气体分子的直径；系统气体压强越小，真空度越高，平均自由程就越大。例：当系统中残留有lPa的空气时,由理想气体方程可估算出,在室温下，每立方厘米约有2.41014个气体分子,这些气体分子不仅严重妨碍了金、铝等蒸气分子由源向衬底的降落,且使每平方厘米衬底表面每秒要遭受约1018个空气分子的撞击，这些物质夹杂在淀积膜中，必然破坏膜的成分与结构。1 1、 元素的蒸发速率元素的蒸发速

7、率在一定的温度下，每种液体或是固体都有特定的平衡蒸汽压。只有当环境中被蒸发物质的分压降低到它的平衡蒸汽压以下时，才有可能存在物质的净蒸发。单位源物质表面物质的净蒸发速率为：其中，为一个介于01的系数，Pe和Ph分别为该物质的平衡蒸汽压和实际情况下的分压。当1，且Ph0时，取最大值。RTPhPeNA2)(蒸发速率与蒸发温度、蒸发面积、表面清洁度、加热方式有关。因平衡蒸汽压随温度变化很快，故温度是影响蒸发速度最主要因素温度是影响蒸发速度最主要因素。实际生产常用表征蒸发物质、蒸发温度和蒸发速率关系的卡谟图。2 2、 纯元素的蒸发形式纯元素的蒸发形式1）以单个原子的形式蒸发进入气相： 这种情况下，即使

8、是当温度达到了元素的熔点，其平衡蒸气压也低于10-1Pa。要利用蒸发方法进行沉积，就需要将物质加热到物质的熔点以上。大多数金属的热蒸发属于这种情况。2）以原子团的形式蒸发进入气相： 如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等物质，在低于熔点的温度下，元素的平衡蒸气压已经相对较高。这种情况下，可以直接利用由固态物质的升华现象，实现元素的气相沉积。3）石墨C：没有熔点，其升华所需的温度又相当高，在实践中多利用石墨电极间的高温放电过程来使碳元素发生蒸发。3 3、 化合物与合金的热蒸发化合物与合金的热蒸发 “在利用蒸发法制备化合物或合金薄膜时，为何常需要考虑薄膜成分偏离蒸发源成分”。（1 1）化合物）化合物 薄

9、膜成分偏离源物质的原因：蒸发出来的物质蒸气可能不同；气相分子还可能发生一系列的化合与分解反应。（2 2）合金）合金 由于原子间的结合力小于化合物中原子间的结合力，因此，合金中各元素的蒸发过程可近似视为各元素相互独立的蒸发过程，就像纯元素蒸发过程一样。 但即使如此，合金在蒸发和沉积过程中也会产生成分的偏差，为什么？但即使如此，合金在蒸发和沉积过程中也会产生成分的偏差，为什么？解决办法解决办法：使用足量的物质作为蒸发源，即尽量减小组元成分的相对变化率；向蒸发容器内不断地、每次加入少量被蒸发物质，实现同步蒸发；加热双蒸发源或多蒸发源，分别控制和调节每个组元的蒸发速率。如在利用蒸发法沉积-V化合物薄膜

10、的情况下，可以使用所谓的三温度法，即分别设置低蒸气压的族元素和蒸气压较高的V族元素的各自的蒸发温度，同时调节薄膜沉积时的衬底温度，以获得所需的薄膜成分与薄膜组织。5.2 蒸发源蒸发源各种形状的电阻加热源各种形状的电阻加热源1、电阻加热源、电阻加热源直接加热源直接加热源：加热体和待蒸发材料的载体为同一物质（W、Mo、Ta、C等）。间接加热源间接加热源：待蒸发材料放入坩锅中进行间接加热（高温陶瓷、石磨等）。特点特点：结构简单、廉价、易制作。蒸发源材料与镀膜材料湿润状态蒸发源材料与镀膜材料湿润状态3、电弧蒸发、电弧蒸发源源 （1）电弧蒸发法：用欲蒸发的材料制成放电的电极，依靠调节真空室内电极间距的方

11、法来点燃电弧，瞬间的高温电弧将使电极端部产生蒸发从而实现物质的沉积。控制电弧的点燃次数或时间就可以沉积出一定厚度的薄膜。 （2）优缺点 1）优点：避免电阻加热材料或坩埚材料的污染；加热温度高，适用于溶点高、同时具有一定导电性的难熔金属、石墨等的蒸发；简单廉价。 2）缺点：在放电过程中容易产生微米量级大小的电极颗粒的飞溅，从而会影响被沉积薄膜的均匀性。4、激光、激光加热源加热源（1）激光蒸发法：高功率激光器产生的高能激光束，可在瞬间将能量直接传递给被蒸发物质，使之发生蒸发镀薄。 （2）优缺点 1）优点：避免电阻加热材料或坩埚材料的污染；加热温度高；蒸发速率高；蒸发过程容易控制；特别的优点是：适用

12、于蒸发那些成分复杂的合金或化合物，这是因为，高能量的激光束可以在较短的时间将物质的局部加热至极高的温度并产生物质的蒸发，在此过程中被蒸发出来的物质仍能保持其原来的元素比例。 2）缺点：也容易产生微小颗粒的飞溅，影响薄膜的均匀性。5、高频感应加热、高频感应加热源源（P121)对真空系统抽真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩气。在正负电极间外加电压的作用下，电极间的气体原子将被大量电离，产生氩离子和独立运动的电子，电子在电场作用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加速飞向阴极靶材料，高速撞击靶材料，使大量的靶材料表面原子获得相当高的能量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。具有一定能量的入射离子轰击固体表面具有

13、一定能量的入射离子轰击固体表面时，在与固体表面的原子发生碰撞时产生能时，在与固体表面的原子发生碰撞时产生能量和动量的转移，并将固体表面（靶）原子量和动量的转移，并将固体表面（靶）原子溅射出来的现象溅射溅射出来的现象溅射。5.3 5.3 气体辉光放电气体辉光放电 气体放电是溅射过程的基础。设有如图3.2a那样的一个直流气体放电体系。开始：开始：电极间无电流通过，气体原子多处于中性，只有少量的电离粒子在电场作用下定向运动，形成极微弱的电流。随电压升高：电离粒子的运动速度加快，则电流随电压而上升，当粒子的速度达饱和时，电流也达到一个饱和值，不再增加（见第一个垂线段）；汤生放电：汤生放电：电压继续升高

14、，离子与阴极靶材料之间、电子与气体分子之间的碰撞频繁起来，同时外电路使电子和离子的能量也增加了。离子撞击阴极产生二次电子，参与与气体分子碰撞，并使气体分子继续电离，产生新的离子和电子。这时，放电电流迅速增加，但电压变化不大，这一放电阶段称为汤生放电。 汤生放电后期称为电晕放电。辉光放电：辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。此时，气体具备了相当的导电能力，称这种具有一定导电能力的气体为等离子体。电流大幅度增加，放电电压却有所下降。导电粒子大量增加，能量转移也足够大，放电气体会发生明显的辉光。电流不断增大，电流不断增大，辉光区扩大到整个放电长度上，电压有所回升，辉光辉光区扩大到整个放电

15、长度上，电压有所回升，辉光的亮度不断提高，叫异常辉光放电，的亮度不断提高，叫异常辉光放电，可提供面积大、分布均匀的等离子体。弧光放电：弧光放电：电压大幅下降，电流大幅增加，产生弧光放电，电弧放电斑点，阴极局部温度大幅升高，阴极自身会发生热蒸发。5.3.2 辉光放电中的碰撞过程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要微观机制。电子与其他粒子的碰撞有弹性（总能量保持不变）、非弹性碰撞（电离、激发、分解反应）两种微观机制。在两个粒子的弹性碰撞过程中，碰撞后的能量满足关系 （5.2）其中M为粒子

16、的质量，E为粒子在碰撞后的相应动能，为运动粒子在碰撞后被偏折的角度。对于辉光放电等离子体中的大多数碰撞来说，相当于高速运动的电子与低速运动的原子或离子的碰撞。由于电子的质量小，因而每次碰撞中所发生的能量转移是很小的，它不会造成气体分子的电离。对于非弹性碰撞来说，碰撞过程中有部分电子动能将转化为粒子的内能，为内能增加值，其最大值为 （5.3）由于近似等于1，而正是碰撞前的电子动能，因为非弹性碰撞可以使电子大部分能量转移给其他质量较大的粒子，如离子或原子，引起其激发或电离。因此电子与其他粒子的非弹性碰撞过程是维持自持放电过程电子与其他粒子的非弹性碰撞过程是维持自持放电过程的主要机制。的主要机制。2

17、2122112cos4MMMMEE21222112cosMMMVMU在非弹性碰撞中可能发生许多不同的过程，其中比较有代表性的是：（1）电离过程，如: （5.4）这一过程使得电子数目增加，从而使得放电过程得以继续。（5.4）式的反过程被称为复合。（2）激发过程，如: （5.5）其中的星号表示相应的粒子已处于能量较高的激发态。（3）分解反应，如: （5.6）在这一碰撞过程中，分子被分解成为两个反应基团，其化学活性将远高于原来的分子。eArAre2eOOe*22eFCFCFe*345.3.3 5.3.3 射频辉光放电射频辉光放电 两极间接上射频（530MHz，国际上多采用13.56MHz）电源后，两

18、极间等离子体中不断振荡运动的电子从高频电场中获得足够的能量，并更有效地与气体分子发生碰撞，并使后者电离，产生大量的离子和电子，此时不再需要二次电子来维持放电过程，射频溅射可以在低压（1Pa左右）下进行，沉积速率也较二极溅射为高；高频电场可以经由其他阻抗形式耦合进入沉积室，而不必再要求电极一定要是导体；由于射频方法可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场作用的同时，靶材会自动处于一个较大的负电位下，从而导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射，而在衬底上自偏压效应很小，气体离子对其产生的轰击和溅射可以忽略，主要是沉积过程，因此，沉积速率较快。（1）射频溅射设备（2）射频溅射的基本原理当离子入射到靶材

19、料上时，对于溅射过程来说比较重要的现象有两个，其一是物质的溅射，其二则是电子的发射。而后者在电场的作用下获得能量，进而参与气体分子的碰撞，并维持气体的辉光放电过程。5.4 5.4 溅射溅射溅射沉积：固体材料在较高荷能(1002000eV)的粒子轰击下，其表面层的原子间结构受到破坏，部分原子获得足够能量后逸出表面(其中也包括电子和离子)，飞向各个方向。若在表面附近适当放置基片，溅射粒子便在基片上沉积成膜。薄膜沉积步骤 (a)晶核形成,(b)晶粒成长,(C)晶粒聚结,(d）缝道填补,(e)沉积成长。其中图(a)里的即为物理性吸附在晶片表面的吸附原子,而即为吸附原子经解吸后，重新回到气相通常的溅射就

20、是二极溅射，又称阴极溅射。阴极是靶材，阳极可接地，也可以是正电位。溅射具有蒸发所不能具备的某些优点，如沉积材料广泛，不受材溅射具有蒸发所不能具备的某些优点，如沉积材料广泛，不受材料熔点的限制，同时由于溅射粒子到达基片时动能大，因此膜层致密、料熔点的限制，同时由于溅射粒子到达基片时动能大，因此膜层致密、牢固。牢固。但溅射沉积速率较低，基片直接受高能电子轰击，温升很高，且膜层易受损伤。5.4.1 5.4.1 溅射特性溅射特性（1）溅射产额的定义）溅射产额的定义 溅射过程可以用溅射产额这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即每入射一个粒子溅射出来的原子数Y 溅射

21、产额同样可以表述为溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比，溅射产额同样可以表述为溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比，溅射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还与入射离子的能量、能量、种类种类等有关。（2 2）溅射产额的影响因素溅射产额的影响因素a、入射离子能量、入射离子能量 入射离子的能量大小对物质的溅射产额有很大的影响，如图所示。(a) 各种物质都有自已的溅射阀值，只有当入射离子的能量超过这个阀值，才会实现对该物质表面原子的溅射大部分金属的溅射阀值在1040eV。(b) 随着入射离子能量的增加，溅射产额先是提高，然后在离子能量达到10keV左右的时候趋于平缓。当离子能量继续增加时，溅射产额反而下降。b、入射离子种类和被溅射物质种类、入射离子种类和被溅射物质种类 入射离子种类和被溅射物质种类对溅射产额也有很大的影响。（a）在加速电压为400V、Ar离子入射的情况下，各种物质的溅射产额呈现明显的周期性。（b）在加速电压为45kV，各种入射离子轰击Ag表面时，重离子惰性气体作为入射离子时的溅射产额明显高于轻离子。但多数情况下均