集成电路制造技术与实践 课件 第6章 物理气相淀积(PVD)工艺

第6章物理气相淀积(PVD)工艺6.1真空蒸发工艺6.2溅射工艺6.3PVD工艺应用6.4PVD工艺进展本章小结

6.1真空蒸发工艺

1.真空蒸发系统及工艺过程在真空蒸发工艺过程中，蒸发源在真空条件下受热形成原子或分子蒸气流，随后蒸气流扩散至衬底表面凝结形成薄膜。真空蒸发工艺具有设备简单、操作简便、薄膜纯度高、成膜速率快、生长激励简单等优点。然而，采用真空蒸发技术制备的薄膜存在衬底附着力小、工艺重复性和台阶覆盖性不理想等缺点。因此，在超大规模集成电路的制造中，真空蒸发工艺已经逐渐被溅射工艺或CVD工艺所取代。

图6-1-1为真空蒸发系统示意图，其主要分为三大部分，即真空系统、蒸发系统、基板和加热系统。真空系统主要为蒸发过程提供真空环境，蒸发系统包括蒸发源承载装置、加热和测温装置，基板和加热系统用于放置硅片(衬底)并实现衬底加热和测温。

真空蒸发工艺主要包括加热蒸发、气相输运和淀积成膜三个过程。在加热蒸发过程中，固态蒸发材料受热后温度接近或达到熔点，表面原子逸出形成蒸气。在一定温度下，真空室内的蒸气与固态或液态达到平衡时所具有的压力称为饱和蒸气压。只有当环境中被蒸发物质的分压低于饱和蒸气压时，才能实现物质净蒸发。物质温度一定时，其饱和蒸气压一定，定义10-2Torr饱和蒸气压对应的温度为物质的蒸发温度。图6-1-1真空蒸发系统示意图

图6-1-2给出了常用金属饱和蒸气压与温度的关系，可见饱和蒸气压随温度增加而迅速增大。通常，大多数金属需加热熔化后才能蒸发，少数金属(如Mg、Cd、Zn等)可直接升华。图6-1-2常用金属饱和蒸气压与温度的关系

2.多组分薄膜蒸发

在集成电路制造中，往往需要制备多组分薄膜。目前有单源蒸发法、多源同时蒸发法和多源顺序蒸发法三种方法可制备多组分薄膜，如图6-1-3所示。如果薄膜中各组分材料的饱和蒸气压接近，则可以将其混合制作成合金靶，采用单源蒸发法淀积薄膜。如果薄膜中各组分材料的饱和蒸气压和蒸发温度相差较大，则需采用多源同时蒸发法，即在不同温度下加热盛放不同原材料的各个坩埚，使各组分材料同时蒸发；或采用多源顺序蒸发法，依次加热盛放不同原材料的各个坩埚，并根据薄膜组分控制相应的层厚，最后通过高温退火形成所需的多组分薄膜。图6-1-3多组分薄膜的制备

6.1.2蒸发源

1.电阻加热源

电阻加热源利用焦耳热加热蒸发材料形成蒸气，可分为直接加热源(加热体与蒸发材料载体为同一物体)和间接加热源(间接加热盛放蒸发材料的坩埚)两大类。直接加热源的加热体材料包括钨、钼、钽、石墨等，间接加热源中的坩埚通常采用耐高温陶瓷、石墨等。

为了制备高纯薄膜，要求加热体的熔点高于蒸发材料的蒸发温度，加热体的饱和蒸气压远低于蒸发材料的饱和蒸气压，加热体高温稳定性好且不与蒸发材料发生化学反应。电阻加热源的缺点主要是高温下加热体(如电阻丝)、坩埚等引入的污染问题。各种结构的电阻加热源如图6-1-4所示。图6-1-4各种结构的电阻加热源

2.电子束加热源

电子束加热源利用电场作用下高能电子轰击位于阳极的蒸发材料形成蒸气，其示意图如图6-1-5所示。电子束加热源的优点包括：

①能量密度高，可蒸发熔点高达3000℃以上的难熔材料(如W、Mo、SiO2等)；

②水冷坩埚盛放蒸发材料，可避免坩埚材料蒸发引入的污染；

③热量可直接施加到蒸发材料表面，热传导和热辐射损失少，热效率高。

电子束蒸发的主要缺点是加速电场产生的X射线会损伤衬底和电介质，设备结构复杂。图6-1-5电子束加热源示意图

3.激光加热源

激光加热源利用高功率激光束加热蒸发材料产生蒸气，其示意图如图616所示。激光加热源的优点包括：

①加热温度高，可蒸发高熔点材料，且蒸发速率快；

②可通过聚焦激光束实现蒸发材料局部加热，避免坩埚污染；

③真空室内装置简单，容易获得高真空度等。

激光加热源的主要缺点是大功率激光器价格昂贵。图6-1-6激光加热源示意图

4.高频感应加热源

高频感应加热源利用射频功率在坩埚内产生的涡流电功率加热蒸发源产生蒸气，其示意图如图617所示。

高频感应加热源的优点包括：

①可采用较大坩埚增大蒸发面，实现高蒸发速率；

②蒸发源温度均匀、稳定，不容易产生飞溅；

③温控精度高，操作简单。

高频感应加热源的主要缺点是大功率高频电源价格昂贵，需要屏蔽高频电磁场以防止外界电磁干扰。图6-1-7高频感应加热源示意图

6.2溅射工艺

6.2.1基本原理在溅射工艺过程中，强电场作用下惰性气体辉光放电(气体放电击穿)产生等离子体，离子在电场中加速且在获得一定动能后轰击靶材，靶材表面原子在与入射离子碰撞过程中获得足够能量而从靶材表面溅射出，随后这些溅射出的原子淀积在衬底表面形成薄膜。图6-2-1为溅射工艺系统原理示意图。图6-2-1溅射工艺系统原理示意图

相比蒸发过程中原子获得的动能(仅为0.1~0.2eV)，溅射工艺的显著特点是溅射出的靶材原子具有很高的动能(可达10~50eV)，因此可提高溅射原子在衬底表面的迁移能力，改善薄膜的台阶覆盖性及附着力。

实际上，不同能量的离子轰击固体表面后会产生不同的结果，如图6-2-2所示。当入射离子能量很低时，会以离子或中性粒子形式被固体表面反弹回气相；当能量低于10eV时，离子会吸附于固体表面，以热(声子)形式释放能量；当能量介于10eV~10keV时，入射离子通过碰撞将能量传递给靶材表面的原子，发生溅射；当能量大于10keV时，入射离子将被注入靶材内。图6-2-2不同能量的离子轰击固体表面的结果

6.2.2溅射方法

1.直流溅射

直流溅射又称阴极溅射或者直流二极管溅射。如图6-2-3所示，溅射过程中，通常采用氩气(Ar)作为工作气体，溅射靶放置于阴极，衬底(基片)放置于阳极(接地电位)。直流溅射速率主要受腔体内气压影响，随气压变化存在淀积速率峰值。通常选择溅射速率峰值附近的气压(10Pa左右)为典型淀积条件。图6-2-3直流溅射

2.射频溅射

射频溅射方法适用于各种金属和非金属材料的淀积，其装置示意图如图6-2-4所示。图中，在两个电极之间加上的高频电场可以由其他阻抗形式耦合(如电容耦合)进入腔室，因此射频溅射对电极是否导电没有要求。此外，由于在射频电场中电子的运动速度远高于离子速度，因此射频电极(靶材)在正半周期内作为正电极接收的电子电量远多于在负半周期内作为负电极接收的正离子电量。这会导致靶材上产生自偏压效应，使靶材自动处于负电位，促使气体离子自发轰击靶材形成溅射。实际中，通常采用13.56MHz的频率进行射频溅射。图6-2-4射频溅射装置示意图

3.直流磁控溅射

通常的溅射淀积方法存在薄膜淀积速率低和工作气压高两大共性问题。这会增加气体中的杂质对薄膜的污染。而磁控溅射方法具有淀积速率快、工作气压低的优势，目前已成为实际中应用最广泛的PVD工艺。图6-2-5为直流磁控溅射装置示意图。图6-2-5直流磁控溅射装置示意图

4.反应溅射

采用化合物作为靶材溅射淀积多组分薄膜时，容易发生化合物分解，影响薄膜质量。采用反应溅射方法可以有效解决这一问题。在反应溅射工艺中，采用纯金属作为靶材，在工作气体中混入适量活性气体(如氧气、氮气、氨气等)，这样可在完成溅射淀积的同时生成所需化合物，并可以通过活性气体与惰性工作气体的比例来调控薄膜的组成和性质。利用反应溅射可以制备氧化物、碳化物、氮化物、硫化物等多种化合物薄膜，且通过增加活性气体分压可以促进化合物形成。

5.偏压溅射

在偏压溅射工艺中，衬底放置在距离阳极一定距离的衬底极板上，在该衬底极板上施加一定大小的直流偏置电压，从而改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和能量。图6-2-6所示为偏压溅射装置示意图。这种方法可以提高淀积原子在薄膜表面的扩散能力和化学反应活性，从而改善薄膜密度和成膜能力。此外，该方法还可以改善薄膜的电阻率、硬度、介电常数、密度、附着力等多种工艺参数。目前，偏压溅射已成为改善薄膜组织结构和性能的常用方法之一。图6-2-6偏压溅射装置示意图

6.3PVD工艺应用

1.自对准金属硅化物随着CMOS集成电路特征尺寸缩小至深亚微米以内，器件源漏有源区串联电阻和接触电阻及多晶硅栅串联电阻显著增加，这严重限制了器件及电路的高频特性。自对准金属硅化物工艺(self-alignedsilicide，Salicide)可以同时实现多晶硅栅和源漏有源区的金属硅化物接触，减小其方块电阻和接触电阻，因此可以减小RC延时，提高电路速度。

在Salicide工艺中，在栅极侧墙形成后，利用PVD技术均匀淀积一层金属(如Ti、Co、NiPt等)，经过低温快速热退火(如450~650℃)和高温快速热退火(如750~950℃)处理，与多晶硅栅和源漏有源区接触的金属发生反应生成金属硅化物(如TiSi2、CoSi2、NiPtSi等)，而与介质材料接触的金属由于不发生反应，在随后的选择性湿法刻蚀工艺中可以去除。

2.金属势垒层

在集成电路金属互连工艺中，通常采用PVD技术淀积金属势垒层，以确保互连金属与下层薄膜之间具备良好的黏附性，并防止发生物质相互扩散的现象。通常要求金属势垒层具有接触电阻低、保形覆盖好、阻挡性强等特点。

在Al(铝)互连工艺中，可以采用Ti(钛)金属增强铝铜合金与氧化硅之间的黏附性，减小互连线与接触孔内硅之间的接触电阻。采用TiN(氮化钛)、TaN(氮化钽)或WN(氮化钨)金属势垒层可以阻止Al与Si之间相互扩散，抑制Al尖楔问题和电迁移现象，该金属垫垒层还可以作为抗反射涂层改善金属互连的光刻分辨率。

在铜互连工艺中，金属势垒层用于阻止铜向硅或二氧化硅中扩散，同时可作为硅或二氧化硅与铜之间的附着层(黏附层)。势垒层金属可以采用Ti、Ta(钽)、TiN、TaN等，其中Ti、Ta也可以与接触孔内硅形成低阻欧姆接触，通常采用溅射方法淀积以实现保形覆盖。此外，在采用大马士革镶嵌工艺制备铜互连布线的过程中，通常采用磁控溅射工艺淀积用于后续铜电镀(或化学镀)工艺的铜种子层，且要采用高纯度铜靶材(杂质含量低于1×10-6)。

3.接触孔和通孔工艺

在接触孔和通孔工艺中，通常采用PVD工艺与CVD工艺相结合的方式，主要工艺环节包括：

①表面原位预清洁处理；

②溅射淀积Ti接触层；

③溅射或CVD淀积TiN附着/阻挡层；

④覆盖式CVD淀积W膜；

⑤W膜回刻；⑥附着层和接触层刻蚀。

上述工艺中，淀积Ti接触层(比如30~50nm)可以减小与硅衬底之间的接触电阻；淀积TiN附着/阻挡层，一方面可以起到W与绝缘层之间的黏附作用，另一方面可以防止CVD淀积W膜时底层Ti与WF6接触而反应以及WF6与硅反应。

6.4PVD工艺进展

1.双极高功率脉冲磁控溅射技术双极高功率脉冲磁控溅射(bipolarhighpowerimpulsemagnetronsputtering，BP-HiPIMS)技术是直流磁控溅射技术与脉冲功率技术相结合的新型溅射技术，可用于Cu、TiN、CrN等薄膜的制备。图6-4-1为该技术的装置示意图。BP-HiPIMS采用大功率负脉冲产生高密度等离子体，利用正脉冲提升等离子体电位，优化淀积离子能量和流量。

利用BP-HiPIMS放电技术可实现将靶材离子从靶表面附近泵出，且在离子泵出过程中，到达基片的能量为正脉冲电压与离子荷电数之积。因此该方法能够主动控制离子能量，可以改善薄膜的密度、薄膜与基体的结合力、膜内压应力，以及薄膜的硬度、韧性、耐磨性等力学性能。BP-HiPIMS技术目前仍处于初步研发阶段，还存在众多工作机制问题有待进一步探索。图6-4-1双极高功率脉冲磁控溅射装置示意图

2.液态靶材磁控溅射技术

液态靶材磁控溅射技术由Danilin等人提出，其融合了磁控溅射和真空蒸发两种技术的优点。图6-4-2为该技术的装置示意图。与传统磁控溅射装置类似，液态靶材磁控溅射装置主要由真空系统、供气系统、磁控系统、冷却系统、电源及其调制系统组成。但在液态靶材磁控溅射装置中，需要将靶材放置在坩埚中，同时调整坩埚与冷却系统的间距，使靶材在涂层制备过程中始终保持熔化状态。在放电开始时，靶材一般未熔化，通过调整放电功率，靶材在等离子体轰击作用下逐渐被加热至熔化状态。在靶材熔化后，通过调整放电参数可以淀积所需薄