集成电路制造技术-原理与工艺（第3版）课件 第7章 PVD

集成电路制造技术集成电路制造技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理与工艺哈尔滨工业大学/田丽物理气相淀积第七章物理气相淀积JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU目录CONTENTS7.1PVD概述7.2真空系统及真空的获得7.3真空蒸镀7.4溅射7.5PVD金属及化合物薄膜一、PVD概述PVD是利用某种物理过程实现物质转移，将原子或分子由源（或靶）气相转移到硅衬底表面形成薄膜的过程。工艺特点：相对于CVD而言，工艺温度低，衬底在室温~几百℃；工艺原理简单，能用于制备各种薄膜。但是，所制备薄膜的台阶覆盖特性，附着性，致密性都不如CVD薄膜。用途：主要用于金属类薄膜，以及其它用CVD工艺难以淀积薄膜的制备。如金属电极，互连系统中的附着层、阻挡层合金及金属硅化物薄膜的制备一、PVD概述PVD种类真空蒸镀：在高真空室内加热源材料使之气化，源气相转移到达衬底，在衬底表面凝结形成薄膜。有电阻蒸镀、电子束蒸镀、激光蒸镀等。溅射：在一定真空度下，使气体等离子化，其中的离子轰击靶阴极，逸出靶原子等粒子气相转移到达衬底，在衬底表面淀积成膜。有直流溅射、射频溅射、磁控溅射等。IC的Cu多层互联系统示意图一、PVD概述应用举例反应磁控溅射TiN、TaN阻挡层蒸镀Al电极磁控溅射Cu种子层Si蒸镀Pt双极型晶体管示意图光刻剥离技术示意图真空室示意图二、真空系统及真空的获得2.1真空系统简介气体流量：

单位：用标准体积，指在0℃、1atm下所占的体积，如slm(L·atm/min)，sccm(mL·atm/min）气体导管的导率：

要保持真空室气体压力接近泵入口的压力，要求导管有大的导率。导管并联时，各导管的导率是简单相加，串联时，是倒数相加。导管直径越大，长度越短，导率越大；而导管中有波纹，弯曲，导率会减小。二、真空系统及真空的获得2.1真空系统简介真空泵的抽速：

举例：一个抽速为1000l/min的泵，初始工作时泵入口压力为1atm，这时它的流量是多少？一段时间后(τ时刻)，泵入口压力变为0.1atm，这时流量是多少？两者是否相等？解：

≠气体质量流量：

二、真空系统及真空的获得2.2真空的获得方法真空度的划分和气体分子的运动特点真空划分压力分子运动特点Pa1Pa=1N/m2Torr1Torr=133Pa条件运动状态低真空105~102760~1λ<<d粘滞流中真空102~10-11~10-3d和

λ尺寸接近中间流高真空10-2~10-510-3~10-7λ>d分子流超高真空<10-5<10-7λ>>d分子流1atm=760Torr=1.013×105Pa微电子工艺设备一般工作在低、中真空度；而在通入工作气体之前，设备基压在高、超高真空度。油封转片式真空泵罗茨泵工作原理二、真空系统及真空的获得1.初、中真空度的获得真空压缩泵：用活塞/叶片/隔膜的机械运动将气体正向移位，它的工作步骤：捕捉气体压缩气体排出气体压缩比：泵气体出/入口压力的比值。泵体电机工作原理若要在气体入/出口之间产生更高的压差，可以用多个真空泵串联，即多级泵来实现。扩散泵剖视图分子泵剖视图二、真空系统及真空的获得2.高、超高真空度的获得高真空泵：转移动量给气体分子--抽吸大流量气体，如分子泵、扩散泵；俘获气体分子--抽吸小流量气体，如低温泵、升华泵等。高真空泵必须在一定真空度下工作；否则无法工作，甚至泵会损坏。热偶规构造原理图二、真空系统及真空的获得2.3真空度的测量常用的真空计：电容压力计热偶规电离规B-A规(热阴极电离规)复合真空计测低、中真空度测高、超高真空度蒸镀示意图三、真空蒸镀3.1工艺原理蒸镀（vacuumevaporation），指在高真空度下，加热源使其蒸发，蒸汽分子流射到衬底表面，凝结形成薄膜的工艺。可以将蒸镀分解为三个过程：蒸发过程气相质量输运过程淀积成膜过程常用金属的饱和蒸气压温度曲线三、真空蒸镀1.蒸发过程固/液态源分子/原子蒸发升华任何温度，固/液态物质周围环境中都存在着该物质的蒸汽，平衡时的蒸汽压强称为饱和蒸汽压（平衡蒸汽压）。只有当被加热源的饱和蒸汽压高于真空室源蒸汽分压时才会有净蒸发。工程上将任一物质的蒸汽压为1.33Pa时，所对应的温度作为该物质的蒸发温度。三、真空蒸镀蒸发速率由气压可推导得到气体分子流通量为：

源被蒸发时，假设坩埚内的源都已经熔化，由Jn可得到坩埚面积为A时源的质量消耗率：

举例：铝在蒸发温度时，单位蒸发面积的质量消耗率是多少?解：Pe=1.33Pa；Te=1250℃

(g/cm2·s)源和接受面的空间几何关系三、真空蒸镀2.气相质量输运过程分子平均自由程：

蒸汽分子无散射输运时：

假设到达衬底分子都被吸附，且各衬底表面的分子流通量也相等。则：到达衬底表面原子占源蒸发原子的比例应是一常数，设为K：

到达衬底分子流通量：

三、真空蒸镀3.成膜过程包含了：吸附→成核→连片→生长，几个步骤：蒸汽分子动能很低，被吸附后再蒸发的很少，在表面扩散移动，碰上其它分子便凝聚成团，当分子团达到临界大小时就形成趋于稳定的核。进一步淀积，岛状的核不断扩大，直至延展成片，继续生长就形成薄膜了。薄膜淀积速率：

举例:铝在蒸发温度时，单位蒸发面积的淀积速率?(r=15cm)

≈3.049(μm/s)真空蒸镀系统示意图三、真空蒸镀3.2蒸镀设备真空蒸镀机及其内部由四部分组成：真空室真空系统监测系统控制台高频感应加热器各种电阻加热器电子束加热器示意图三、真空蒸镀蒸镀工艺种类及加热器蒸镀种类：电阻蒸镀高频感应蒸镀电子束(EB)蒸镀激光蒸镀三、真空蒸镀3.3蒸镀工艺了解薄膜材料特性，是单组分，还是多组分，各成分的熔点、沸点、分解温度，饱和蒸汽压-温度曲线、相图等；掌握衬底耐温情况；以及蒸镀设备的情况，从而确定蒸发方法，工艺参数和衬底温度等。1.确定工艺方法及参数蒸发功率应适当，功率过高，蒸发速率过快，所淀积的薄膜晶粒长大、表面不平整；功率过低，薄膜疏松、与衬底粘附不牢。2.工艺步骤准备抽真空预蒸蒸发取片钟罩硅片三、真空蒸镀2.多组分薄膜的蒸镀衬底衬底衬底三、真空蒸镀3.4蒸镀薄膜的质量及控制1.蒸镀为什么要求高真空度蒸发分子（或原子）的质量输运应为直线，若真空度过低，输运过程被气体分子多次散射，方向改变，动量降低，淀积的薄膜疏松、致密度低；真空度低，气体中的氧和水汽，使蒸发的金属原子在气相就被氧化，淀积的薄膜成为氧化物薄膜；若真空室中有较多气体杂质分子，它被蒸发原子流裹挟也淀积在衬底上，影响淀积薄膜纯度和质量。三、真空蒸镀2.台阶覆盖特性的改善方法衬底加热，温度应依据所淀积薄膜的材料特性来综合考虑，通常在几百℃范围内。衬底旋转，除了可以改善因到达角不同带来的台阶阴影区的薄膜覆盖问题之外，还可以改善淀积薄膜厚度的均匀性。衬底支架设计为半球形，坩埚也位于球面位置，而且，衬底可以作行星式转动，进一步提高蒸镀薄膜的保形性。三、真空蒸镀3.蒸发速率的控制及其它提高蒸发速率，能提高所淀积薄膜的纯度和与衬底的结合力，以及表面质量。蒸发速率过快，蒸汽原子碰撞会加剧，动能降低，甚至会引起蒸汽原子结团后再淀积，这将导致出现薄膜表面不平坦等质量问题。蒸镀时，通常控制加热器功率使源的蒸汽压在1~10Pa范围变化。影响薄膜纯度的主要因素是真空室基压、加热方式和工艺操作中挡板开/关时间；影响薄膜与衬底粘附性的主要因素是衬底温度和蒸发速率。因此，提高薄膜纯度与粘附力应从上述因素考虑。溅射示意图四、溅射4.1工艺原理溅射（Sputter）工艺是利用等离子体中的离子对阴极靶轰击，导致靶原子等颗粒物飞溅，落到衬底表面淀积成膜的一种薄膜制备工艺。可将溅射分解为四个过程进行讨论：工作气体的等离子化；离子对靶的轰击；靶原子气相质量输运；淀积成膜。四、溅射1.工作气体的离子化通过直流气体辉光放电、射频气体辉光放电等使工作气体形成等离子体，其中，自由电子碰撞原子（或分子），当转移能量高于原子的电离能时，原子离化为离子。要提高等离子体中离子浓度，必须增大电（磁）场的激发功率。HDP中离子浓度较高，其中磁控HDP技术是溅射常采用的方法。原子第一电离能（eV）第二电离能（eV）氦（He）24.58654.416氮（N）14.53429.601氩（Ar）15.75927.629离子轰击物体表面时可能发生的物理过程四、溅射2.离子对靶的轰击离子对处于负电位的靶轰击，使靶材料原子（或分子）及其原子团从靶表面飞溅出来的过程。能量在10eV~10keV时，有中性粒子逸出，不同材料的靶，溅射阈值能量不同。溅射率S，又称溅射产额：

四、溅射溅射率的影响因素入射角θ：指离子入射方向与靶法线方向夹角。在低能量下，S随θ而增加，当θ→80o时，S迅速下降。靶原子的序数，表面原子的结合状态、结晶取向，是纯金属或为合金都等对S有影响。而靶温几乎无影响，但当温度高于一定范围时，溅射率有迅速增加的趋向。入射离子的种类、能量、入射角，以及靶材料等：各种靶的S与垂直入射Ar+能量的关系原子序数不同离子的溅射率（能量为45keV）四、溅射3.靶原子气相输运指从靶面逸出的原子及其它原子团气相质量输运到达衬底的过程：较低真空度下，靶原子在到达衬底表面前会与其它粒子发生多次散射，衬底表面某点所到达的靶原子数与该点的到达角有关。高真空度下，气相输运轨迹是直线，衬底表面某点所到达的靶原子数是受遮蔽效应限制。4.淀积成膜指到达衬底的靶原子在衬底表面先成核再成膜的过程：溅射离子与靶原子间有较大的能量传递，逸出原子携带的动量较高，在10~50eV之间。因此，原子在衬底的迁移能力、再发射能力都强，成膜的台阶覆盖性和附着力都较好。四、溅射4.2直流溅射靶作为阴极，只能制备导电的金属薄膜；工作气压较高，薄膜淀积速率较慢。四、溅射4.3射频溅射射频溅射（RFSputtering），激发气体等离子化的电场是交变电场，频率为13.56MHz。最大特点是可以溅射介质薄膜，如SiO2等。淀积速率也较慢，存在辐射污染问题。靶表面的磁场和电子运动的轨迹四、溅射4.4磁控溅射增加了电子与气体粒子的碰撞次数，极大地提高了等离子体中的离子浓度。磁控溅射(magnetronsputtering)溅射效率高，淀积速率比直流溅射提高了一个数量级；工作气体的气压低，薄膜纯度就有所提高；减少了高能二次电子对放置在阳极上的衬底轰击，降低了由此带来的衬底损伤和温升。也只能制备金属等导电薄膜。偏压溅射装置示意图四、溅射4.5其它溅射方法1.反应溅射将活性气体：如O2、N2、CH4等通入等离子体中，活性气体与靶溅射粒子发生化学反应，由活性气体和惰性工作气体的比例来控制所制备薄膜的组成和性质，这种方法就是反应溅射。可制备薄膜：Al2O3，In2O3、TiN，AlN，SiC，CdS等。2.偏压溅射在淀积室增设负偏压电极，衬底放在这个电极上。制备薄膜的纯度，致密度，附着力有所提高。对薄膜的组织结构等性质也有影响，但也可能诱发各种缺陷。3.离子束溅射利用低能量聚焦离子束进行溅射，是获得高质量薄膜很有前途的制备方法。四、溅射4.6溅射薄膜的质量及改善方法1.溅射与蒸镀薄膜质量的比较薄膜的保形覆盖特性较好；薄膜附着性较好；薄膜致密性较好，针孔少；淀积速率较慢，膜厚可控性和重复性较好；薄膜纯度较高，不存在蒸镀时无法避免的坩埚污染现象；淀积过程中对衬底辐射造成的缺陷远少于电子束蒸镀。在制备特殊材质薄膜上电子束蒸镀更有优势。台阶覆盖随时间增加而变化的剖视图四、溅射2.保形覆盖特性的改善尽量提高衬底温度：以增强衬底所吸附的溅射粒子表面扩散迁移率，同时也要考虑温升后多晶态晶粒也随之长大，使得薄膜表面变粗糙等问题；在衬底上加射频偏压：这使得衬底被高能离子轰击，有助于溅射粒子的再发射淀积，可在一定程度上改善保形覆盖特性。准直溅射技术强迫填充技术四、溅射2.保形覆盖特性的改善强迫填充技术：有意使接触孔拐角顶处两尖端接触，气体密封空洞内。再将衬底放入压力容器中，加热，当压力超过金属薄膜的抗曲强度，密封层就会塌陷，金属进入接触孔；准直溅射技术：在衬底正上方插入准直器，只有速度方向接近于垂直衬底表面的溅射原子才能通过准直器上的孔，到达衬底表面，淀积在接触孔的底部。金属引线的电迁移现象铝尖楔现象引起的pn结的穿通五、PVD金属及化合物薄膜5.1铝及铝合金薄膜淀积1μm厚铝膜的电阻率约为3μΩ·cm，被用于器件内电极和互连布线的导电层。作内电极时，为与衬底硅形成良好的欧姆接触，通常淀积后在500℃左右退火，退火过程中有“尖楔”现象出现。使用含硅1%的硅铝合金作为内电极。铝膜的抗电迁移特性差，在铝硅中再掺入2%左右的铜可以改善。200mm铝及铝合金靶镀铝用钨丝加热器五、PVD金属及化合物薄膜PVD-Al1.真空镀铝铝熔点为660.4℃，沸点为2467℃，蒸发温度约1250℃；常用钨丝电阻加热器；或石墨坩埚装铝电子束加热；衬底温度：120℃，铝源纯度5N以上，淀积速率约0.8μm/min；方法简单，但钨丝加热器会引入杂质，衬底附着和台阶覆盖特性也较差。2.磁控溅射铝及铝合金Al，AlSi1，AlCu0.5，AlSi1Cu0.5靶杂质含量≤5×10-6；溅射工艺：衬底温度：200℃，工作气体为高纯Ar，溅射角：5~8°，淀积速率：0.8~1μm/min；薄膜的附着力、台阶覆盖特性，以及膜厚可控性较好。铜互连技术五、PVD金属及化合物薄膜5.2铜及其阻挡层薄膜的淀积中毒现象：Cu在Si和SiO2中都是快扩散杂质，在较低温度就能扩散进Si，会改变硅衬底的电学特性；工艺性差：Cu与Si、SiO2黏附性不好，图形刻蚀难。Cu电阻率只有Al的40~45%，抗电迁移性比铝能高两个