第五章薄膜淀积工艺(下).ppt

1、第五章 薄膜淀积工艺 （下）,薄膜淀积（Thin Film Deposition）工艺, 概述 真空技术与等离子体简介 化学气相淀积工艺 物理气相淀积工艺 小结,参考资料： 微电子制造科学原理与工程技术第12章 （电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）,四、物理气相淀积工艺, 引言 蒸发工艺 溅射工艺,（一）引言,1、物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）技术：, 蒸发（Evaporation）法 溅射（Sputtering）法,PVD的特点：,靶材料,薄膜材料,2、在IC制造中，PVD技术主要用于金属薄膜的制备。,蒸发的速率取决于：,(1) 离开蒸气源的材料有多少；

2、(2) 到达硅片衬底的材料有多少,真空度一般要求高于 10-5Torr。,（二）蒸发工艺介绍,1、 蒸发工艺是最早出现的金属淀积工艺。,2、蒸发工艺的淀积速率,单位时间内通过单位面积表面的气体分（原）子数,其中，P是压强，M是气体分（原）子质量,单位时间内坩锅内蒸气源材料质量的消耗速率,其中，Pe是蒸气源的平衡蒸气压，T是材料温度,假设材料温度近似为恒定，同时面积A恒定，则有：,为一个固定量,1)通量密度：,质量蒸发率：,图12.2 常用材料的蒸气压曲线,温度越高， 蒸气压越高。,a. 离开蒸气源的气体分子流 F, 当蒸气源近似为点源时， 气体分子流是各向同性的。 当蒸气源近似为平面源时， 气

3、体分子流与夹角有关。,此时，蒸气源正上方的硅片会得到更 多的淀积薄膜。,2) 离开坩埚材料与堆积在圆片表面材料的比值,假设：腔室真空度足够高，气体分子的相互碰撞可以被忽略， 离开蒸气源的气体分子以直线形式运动到硅片表面。,图12.3 圆片淀积位置,b. 到达圆片表面的材料比例常数,为获得好的均匀性，一般采 用球形放置方式，此时有：,k为一个常数，保证了达到硅 片表面各点的气体分子数相等， 即淀积速率的均匀性。,考虑到到达圆片表面的部分正比于圆片所对的立体角,3) 淀积速率的公式：,其中，是淀积材料的质量密度。 Rd的单位是：m/s,影响淀积速率的主要参数：,a. 被蒸发材料本身的性质 b. 淀

4、积温度：温度越高，Pe越高 c. 腔室和坩锅的几何形状,讨 论,3、 常用蒸发系统（加热器）,电阻加热蒸发、（电感）感应加热蒸发、电子束蒸发,加热温度有限 加热元件沾污,提高蒸发温度 坩锅材料沾污,只加热淀积材料 存在辐射损伤,1) 薄膜的淀积速率：,4、蒸发工艺的限制因素,图12.4 在高的淀积速率下材料平衡蒸汽压使坩埚正上方区域形成粘滞流，在坩埚顶部上方10cm处形成虚拟源,2) 淀积薄膜材料的纯度,高速率与均匀性的矛盾,解决：加热硅片并进行旋转。,当表面吸附原子移动率低时，阴影效应会造成严重的台阶覆盖问题。,3) 淀积薄膜的台阶覆盖性,注意：增加衬底温度要影响薄膜形貌，因此常用蒸发后加

5、离子束，使沉积层重新分布,图12.10 蒸发多成分薄膜的方法示意图,4) 合金材料与多组分复合材料薄膜的淀积,b. 当合金材料的蒸气压不同时，采用多源同时蒸发； c. 当进行多成分薄膜淀积时，采用多源按次序蒸发。,a. 当合金材料的蒸气压相近时，一般采用单源蒸发；,（三）溅射工艺介绍,1、 溅射概述,2) 溅射工艺(相对于蒸发工艺)的优势：,a. 台阶覆盖性得到改善 b. 辐射缺陷远小于电子束蒸发 c. 容易制备难熔金属、合金材料和复合材料薄膜。,3) 当靶材料是化合物或合金时，淀积材料的化学配比与 靶材料的略微不同。,当不同成分的溅射速率不同时，靶表面积累更多溅射速率 较低的材料，使得淀积薄

6、膜的成分重新接近靶体材料,IC制造中金属材料的淀积,1) 溅射工艺的用途：,2、溅射原理,简单的直流溅射系统示意图, 真空中充入的氩气 在电场下产生气体放电（等离子体） 高能Ar+轰击靶材（阴极），使其表面原子剥离并淀积到对面阳极（硅片）表面,气压范围：1100mTorr,图12.12 离子入射到靶表 面时可能产生的结果,(1) 带能离子轰击靶表面时，可能造成的结果：,a. 离子能量很低时，被反弹回来； b. 能量小于10 eV的离子被吸附在靶 表面，以声子（热）形式释放能量； c. 能量大于10 keV的离子深入衬底， 改变衬底的原子排列结构；,离子注入,d. 当离子能量处于上述两者之间，

7、能量传递仅限于表面几层原子层， 通过断裂化学键使表面靶原子发 射出来。,溅射,(2) 淀积速率与溅射产额,a. 影响淀积速率的关键因素：,入射离子流量、溅射产额和溅射材料在腔室的输运。,溅射产额的定义：,b. 影响溅射产额的关键因素：,离子质量、离子能量、靶原子质量和靶的结晶性能等。,注意：对于每一种靶材料，都存在一个能量阈值，低于该值 则不发生溅射。,1030eV,当能量较低时，溅射 产额随能量的平方增 加，至100eV左右； 此后，溅射产额随能 量线性增加，至750eV 左右； 此后，溅射产额基本 不变，直至发生离子 注入。,图12.13 溅射产额与 离子能量的关系,图12.14 4-15

8、keV离子射向银、铜、钽靶时，溅射产额与离子原子序数的关系,(3) 高密度磁控溅射,通过增加一个与电场方向垂直的磁场，可使等离子体中的电子 螺旋式运动，增加与气体分子的碰撞几率而提高等离子体密度。,等离子体密度可由0.0001%增加到0.03%。,图12.18 S-Gun溅射靶示意图,3、溅射薄膜形貌与台阶覆盖,靶原子被溅射出来 多次碰撞 达到硅片表面被吸附 沿表面扩散，原子之间碰撞结合成核 形成岛状区域 岛互相连接成连续薄膜,图12.20 薄膜淀积的区域模型,(1) 区域模型,a. 原子能量低，衬底温 度低时，1区：无定 形态 b. 随气压降低，衬底温 度升高，T区：小晶 粒，高反射率 c.

9、 进一步提高衬底温度 或轰击能量，2区、3 区：大晶粒，表面粗糙,(2) 溅射薄膜的台阶覆盖性,a. 台阶形貌与表面扩散、气相分子平均自由程的关系,不均匀覆盖，台阶 顶部有拱形突起,完全保形的均匀覆 盖,不均匀覆盖，台阶 侧壁下方及台阶底 部薄,b. 溅射法形成的台阶形貌虽优于蒸发法，但不如CVD法。,I) 衬底加热溅射。 II) 在硅片衬底上加RF偏压，圆片被高 能离子轰击，使溅射材料再淀积。,溅射金属原子 离子化 定向入射到硅片表面,图12.21 接触孔处台阶覆盖随时间 增加而变化的示意图,c. 改善措施：,VI) 离化金属等离子体淀积（IMP， Ionized Metal Plasma

10、Deposition）。,III) 强迫填充溅射。,IV) 准直溅射。,强迫填充法示意图,图12.23 准直溅射法：在接近硅片处放置准直器， 以增加离子入射的定向性。,4、常用溅射工艺,(1) 金属薄膜：采用磁控直流溅射；介质薄膜：采用RF溅射 (2) 溅射前预清洗工艺：采用RF等离子体，Ar+离子轰击硅片 表面，去除自然氧化层 (3) 合金材料的溅射： 合金靶： 薄膜组分受控于气相传输 多靶溅射：调节各靶功率来改变淀积层组分 (4) TiN反应离子溅射：在N气氛下进行Ti靶溅射，生成TiN。,本章小结：, 薄膜淀积工艺可分为化学气相淀积和物理气相淀积两大类。 化学气相淀积主要应用于介质材料和半导体材料薄膜的 制备，其优势在于优良的台阶覆盖能力。 化学气相淀积的速率受气相