半導(dǎo)體制造工藝第2版

1、學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院1 學(xué)習(xí)情景三：薄膜制備4：物理氣相淀積學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院2半導(dǎo)體制造工藝半導(dǎo)體制造工藝 第第2版版 書名：半導(dǎo)體制造工書名：半導(dǎo)體制造工藝藝 第第2 2版版 書號：書號：978-7-111-978-7-111-50757-450757-4 作者：張淵作者：張淵 出版社：機(jī)械工業(yè)出出版社：機(jī)械工業(yè)出版社版社學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院3物理氣相淀積物理氣相淀積概念：概念：物理氣相淀積，簡稱PVD。它是以物理方式進(jìn)行薄膜淀積的一種方式；用途：用途：集成電路中的金屬薄膜一般都采用物理氣相淀積方式制備；方式：方式：蒸發(fā)（蒸鍍蒸鍍）和濺射（濺鍍?yōu)R鍍）；學(xué)習(xí)情

2、景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院4蒸發(fā)：蒸發(fā)：通過加熱被蒸鍍物體，利用被蒸鍍物體在高溫時（接近其熔點接近其熔點）的飽和蒸汽壓，進(jìn)行薄膜淀積，又稱熱絲蒸發(fā)；濺射：濺射：利用等離子體中的離子，對被濺鍍物體（粒子靶粒子靶）進(jìn)行轟擊，使氣相等離子體內(nèi)具有被濺鍍物體的粒子，這些粒子淀積到硅晶片上形成濺射薄膜；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院5濺射系統(tǒng)示意圖濺射系統(tǒng)示意圖學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院6 熱絲蒸發(fā)熱絲蒸發(fā)分類：分類：真空鎢絲蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)真空鎢絲蒸發(fā)真空鎢絲蒸發(fā)真空知識真空知識1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mmHg=760Torr1mmHg=1Torr=133Pa粗真空：76010Torr低真空：1010-

3、3Torr中真空：10-310-5Torr高真空：10-510-8Torr超高真空：10-8Torr以上學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院7源材料源材料蒸發(fā)的目的是為了形成良好的歐姆接觸、管芯內(nèi)部互聯(lián)以及引出電極引線。為了達(dá)到這個目的，所選用的源材料必須滿足以下幾個條件：有良好的導(dǎo)電性能；容易與硅形成良好的歐姆接觸；便于鍵合和引出金屬線；適合用蒸發(fā)工藝；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院8與二氧化硅粘附性好；沒有毒害；便于光刻；價格便宜；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院9在半導(dǎo)體器件和集成電路制造中，選用鋁選用鋁材料作為蒸發(fā)源；材料作為蒸發(fā)源；原因：原因：鋁和P型和N型硅都能形成低電阻的歐姆接觸，而且對

4、二氧化硅附著力強(qiáng)，易于蒸發(fā)和光刻，導(dǎo)電能力強(qiáng)，價格便宜；除此之外，也用金、鎳鉻、鉛金、鎳鉻、鉛等；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院10真空設(shè)備真空設(shè)備機(jī)械泵機(jī)械泵又稱真空旋轉(zhuǎn)泵，用來獲得低真空的一種抽氣設(shè)備；能從一個大氣壓開始抽氣，真空度可達(dá)10-3Torr；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院11機(jī)械泵結(jié)構(gòu)示意圖學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院12油泵擴(kuò)散油泵擴(kuò)散原理：原理：當(dāng)機(jī)械泵抽氣達(dá)到10-2Torr以后，再要抽氣，就要用到油擴(kuò)散泵了（它的起始點必它的起始點必須在須在10-2Torr）；工作時用電爐加熱擴(kuò)散泵油，使之沸騰，產(chǎn)生大量油蒸汽；油蒸汽通過各級噴嘴以較高的速率噴射出來。系統(tǒng)中的氣體分子不

5、斷作擴(kuò)散運動，一旦與油蒸汽分子相撞，就被油蒸汽分子帶走。因為油蒸汽分子的質(zhì)量大，并且作定向運動，所以氣體分子就會被油蒸汽分子帶到前方；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院13蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備又叫真空鍍膜機(jī)；組成部分：組成部分：真空鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)；真空鍍膜室：真空鍍膜室：鐘罩、蒸發(fā)源加熱器、襯底加熱器；蒸發(fā)源加熱器一般采用鎢絲繞制而成；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院14蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院15加熱材料應(yīng)滿足：加熱材料應(yīng)滿足：要與蒸發(fā)材料的熔液有良好的浸潤性，即被蒸發(fā)材料熔化后能很好的粘在上面而不掉下來；熔點必須高于蒸發(fā)金屬的熔點，以免在蒸發(fā)

6、時，加熱器本身熔化；可加工成各種形狀，并能重復(fù)使用，與蒸發(fā)金屬間的互熔度必須很小，以免造成蒸發(fā)膜玷污或合金化；大多采用鎢絲作為加熱材料；大多采用鎢絲作為加熱材料；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院16加熱器形狀：加熱器形狀：加熱器材料的幾何形狀直接影響蒸發(fā)速率和膜的質(zhì)量；它們的幾何形狀和尺寸需要根據(jù)蒸發(fā)材料的性質(zhì)、狀態(tài)、蒸發(fā)量及襯底面積而定；通常有以下幾種形狀：學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院17學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院18為增大加熱絲和源材料的粘合面積，使蒸發(fā)源分布均勻，提高蒸發(fā)速率及增加加熱絲的使用次數(shù)，實際中加熱絲的做法是：在粗的鎢絲上繞上0.5mm的細(xì)鎢絲，或者采用幾股細(xì)鎢絲絞合成多股

7、絲，然后加工成所需形狀；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院19蒸發(fā)操作過程：蒸發(fā)操作過程：蒸發(fā)前準(zhǔn)備工作蒸發(fā)前準(zhǔn)備工作蒸發(fā)源加熱器處理蒸發(fā)源加熱器處理一般鎢絲表面會有臟物，一定要很好地清洗；清洗可用1020% NaOH或 KOH溶液煮幾次，或用1020% NaOH溶液電解。然后用冷、熱去離子水沖洗至中性，烘干備用；初次使用的鎢絲應(yīng)空蒸一次，空蒸相當(dāng)于高溫?zé)崽幚?，以去除鎢絲中的一些雜質(zhì)；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院20鋁絲的處理鋁絲的處理用甲苯或丙酮去油；用濃度為85%，溫度為6070的磷酸溶液腐蝕1min，以去除表面的氧化層腐蝕后用冷、熱去離子水沖洗干凈；然后用無水乙醇脫水，并放在盛有無水乙醇的

8、容器中備用；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院21石墨加熱襯底的處理石墨加熱襯底的處理石墨襯底的清潔用王水（濃鹽酸和濃硝酸濃鹽酸和濃硝酸按按3：1比例配比比例配比）煮沸二次；每次煮10min，然后用去離子水煮沸，一直到中性，烘干；在真空中加溫，時間為12h，以去除石墨中的雜質(zhì)；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院22蒸鋁過程蒸鋁過程打開機(jī)械泵放氣閥門。打開電源開關(guān)和機(jī)械泵開關(guān)及真空室放氣閥門，開啟鐘罩；將處理好的鋁絲掛好，放好硅片，降下鐘罩，關(guān)閉真空室放氣閥門；抽氣到510-2Torr，打開低真空閥門；打開烘烤電源開關(guān)，逐步升溫，使溫度達(dá)到1300。關(guān)閉烘烤電源開關(guān)，待襯底溫度降低到100時開始蒸發(fā)；學(xué)

9、習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院23打開蒸發(fā)開關(guān)，將鎢絲通電加熱，并逐步加大電壓。鋁絲隨溫度升高逐步熔化，并開始揮發(fā)；當(dāng)熔融的鋁層表面的雜質(zhì)揮發(fā)以后，迅速打開擋板，使純凈的鋁淀積到硅片上數(shù)秒鐘后關(guān)閉擋板，開始蒸發(fā)；待鋁膜淀積到一定厚度時，關(guān)閉蒸發(fā)開關(guān)；待襯底溫度降低到150左右，關(guān)閉高真空、預(yù)真空閥門及擴(kuò)散泵加熱開關(guān)；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院24待溫度降到70以下時，打開真空室放氣閥門，通入氮氣或空氣，開啟鐘罩，取出硅片；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院25蒸發(fā)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題：蒸發(fā)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題：鋁層厚度控制不合適鋁層厚度控制不合適鋁層厚度是蒸鋁工藝中一個主要參數(shù)。一般鋁層為12m；如果鋁

10、太薄，在鍵合工序中容易開焊，造成半導(dǎo)體器件或集成電路斷路，嚴(yán)重影響成品率；如果鋁層太厚，電極圖形看不清，增加了光刻難度。腐蝕時間一長，容易造成脫膠，鉆蝕現(xiàn)象；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院26鋁層厚度大小是由蒸發(fā)源到硅片距離、蒸距離、蒸發(fā)時間、硅片加熱溫度以及真空度發(fā)時間、硅片加熱溫度以及真空度等因素決定的；實際中，源距大于7cm，硅片加熱溫度為180220。學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院27電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)原理原理：高速電子流打在蒸發(fā)源表面上，使蒸發(fā)源熔化，以變成蒸汽分子，淀積在硅片襯底上；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院28電子束蒸發(fā)優(yōu)點電子束蒸發(fā)優(yōu)點膜純度高，鈉離子玷污少膜純度高，鈉離

11、子玷污少鎢絲蒸發(fā)鈉離子玷污嚴(yán)重的原因與鎢絲的制造有關(guān)（制造時用制造時用NaOH清洗，不可避免的帶清洗，不可避免的帶進(jìn)大量的進(jìn)大量的Na+。蒸發(fā)源加熱時，溫度較高不可避。蒸發(fā)源加熱時，溫度較高不可避免的造成鎢免的造成鎢-鋁金屬和雜質(zhì)的相互擴(kuò)散，使鎢絲中鋁金屬和雜質(zhì)的相互擴(kuò)散，使鎢絲中的的Na+進(jìn)入蒸發(fā)源中，并伴隨鋁一起蒸發(fā)到硅片進(jìn)入蒸發(fā)源中，并伴隨鋁一起蒸發(fā)到硅片表面。同時表面。同時Na+在氧化層中有很大的溶解度，在在氧化層中有很大的溶解度，在480合金時，合金時， Na+會滲入到氧化層中，造成會滲入到氧化層中，造成Na+玷污玷污）；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院29光刻腐蝕方便光刻腐蝕方便鎢絲

12、蒸發(fā)利用鎢絲作為鋁源承載體，在蒸發(fā)過程中，由于高溫下鎢-鋁直接接觸而變成合金，因此在蒸發(fā)的鋁膜中含有鎢或其他金屬雜質(zhì)，這給光刻帶來一定困難；電子束蒸發(fā)時，鋁是放在用水冷卻的紫銅坩堝中內(nèi)，坩堝有較高的熱傳遞性和充分的接觸面積，當(dāng)鋁源中心熔化蒸發(fā)時，與坩堝接觸的四壁和底部仍處于固態(tài)，防止銅鋁反應(yīng)，所以電子束蒸發(fā)所得到的鋁膜純度高，易于光刻，線條整齊；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院30鍍膜層均勻鍍膜層均勻電子束蒸發(fā)時采用行星式轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，硅片在空間不斷旋轉(zhuǎn)，因此鍍膜十分均勻（鎢絲鎢絲蒸發(fā)時硅片是固定不動的蒸發(fā)時硅片是固定不動的）；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院31節(jié)省大量鎢絲和鋁源節(jié)省大量鎢絲和鋁源鎢

13、絲蒸發(fā)時每根鎢絲使用58次就得更換，而電子束蒸發(fā)采用屏蔽燈絲結(jié)構(gòu)，燈絲壽命較長，使用得當(dāng)，可以使用一年，并省去清洗鎢絲的工作；電子束蒸發(fā)將鋁放在坩堝里，由于坩堝容積大，可放源150g左右，每蒸發(fā)一次所用鋁源不多，而鎢絲蒸發(fā)每次都得加鋁源；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院32不能產(chǎn)生均勻的臺階覆蓋不能產(chǎn)生均勻的臺階覆蓋通過片架的“自轉(zhuǎn)”和“公轉(zhuǎn)”，在臺階覆蓋覆蓋方面取得了一些進(jìn)步；在超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)中，金屬化需要能夠填充具有高深寬比的小孔，并且產(chǎn)生等角的臺階覆蓋；蒸發(fā)技術(shù)在高深寬比的孔填充方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，所以導(dǎo)致蒸發(fā)在現(xiàn)代IC生產(chǎn)中被淘汰；蒸發(fā)缺點蒸發(fā)缺點學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)

14、院33難以淀積合金材料難以淀積合金材料由于合金是兩種金屬材料組成，而兩種金屬就會有兩種不同的熔點，這使得利用蒸發(fā)使合金材料按原合金比例淀積到硅片上是不可能的；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院34濺射濺射概念：概念： 利用等離子體中的離子，對被濺鍍物體（粒子靶粒子靶）進(jìn)行轟擊，使氣相等離子體內(nèi)具有被濺鍍物體的粒子，這些粒子淀積到硅晶片上形成濺射薄膜；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院35濺射優(yōu)點：濺射優(yōu)點：可在一個面積很大的靶上進(jìn)行，這樣解決了大尺寸硅片淀積鋁膜厚度均勻性的問題；在選定工作條件下，膜厚較容易控制，只要調(diào)節(jié)時間就可以得到所需要厚度；濺射淀積薄膜的合金成分要比用蒸發(fā)容易控制；學(xué)習(xí)情景三常州

15、信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院36濺射工作原理：濺射工作原理：產(chǎn)生離子并導(dǎo)向一個靶；離子把靶表面上的原子轟擊出來；被轟擊出的原子向硅片運動；在硅片表面這些原子凝成薄膜；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院37濺射示意圖濺射示意圖學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院38輝光放電輝光放電轟擊靶材料的高能粒子是輝光放電產(chǎn)生的；原理：原理：一根玻璃管中充滿了壓力為1Torr的氬氣，兩個電極之間的距離為15cm，電壓為1.5kv，在玻璃管中引入一個電子，這個電子在兩個電極間的電場中加速，這個自由電子有可能碰撞氬原子，把氬原子中的電子激發(fā)出來，激發(fā)出來的電子就是轟擊源材料的轟擊源；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院39濺射方式：濺射方

16、式：直流濺射（無法濺射絕緣材料，少用無法濺射絕緣材料，少用）射頻（RF）濺射（可濺射絕緣材料可濺射絕緣材料）磁控濺射學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院40濺射優(yōu)勢（與蒸發(fā)相比）濺射優(yōu)勢（與蒸發(fā)相比）適合于淀積合金，而且具有保持復(fù)雜合金成分的能力；能獲得良好的臺階覆蓋（蒸發(fā)來自于點源，而蒸發(fā)來自于點源，而濺射來自平面源并且可以從各個角度覆蓋硅片表濺射來自平面源并且可以從各個角度覆蓋硅片表面，通過旋轉(zhuǎn)和加熱硅片，臺階覆蓋還可以得到面，通過旋轉(zhuǎn)和加熱硅片，臺階覆蓋還可以得到進(jìn)一步提高進(jìn)一步提高）；形成的薄膜與硅片的黏附性比蒸發(fā)工藝好；能夠淀積難容金屬；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院41銅（銅（Cu）制備

17、）制備CVD淀積銅電鍍銅（Cu Ecp）Cu淀積，需要在制備銅互連之前，CVD一層薄Cu種子層；CVD方式用于淀積Cu布線種子層；電鍍銅工藝用于同互連線制備；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院42銅電鍍（銅電鍍（Cu Ecp）ECP是工業(yè)上傳統(tǒng)的鍍膜工藝之一，電鍍工藝存在較大污染較大污染和難以控制難以控制的工藝過程，在半導(dǎo)體工藝中一直未得到采用；直到銅互連技術(shù)的被采用；銅電鍍工藝優(yōu)點：銅電鍍工藝優(yōu)點：成本低工藝簡單無需真空支持淀積速率易提高學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院43銅電鍍工藝銅電鍍工藝用濕法化學(xué)品和電流將靶材上的銅離子轉(zhuǎn)移到硅片表面的過程；系統(tǒng)構(gòu)造系統(tǒng)構(gòu)造電鍍液（硫酸銅、硫酸、水硫酸銅、硫

18、酸、水）脈沖直流電流源銅靶材硅片學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院44原理：原理：當(dāng)電源加在銅靶（陽極陽極）和硅片（陰極陰極）之間時，溶液中產(chǎn)生電流并形成電場；銅靶（陽極陽極）中的銅發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)換成銅離子，并在外加電場作用下，向硅片（陰極陰極）定向移動，到達(dá)硅片時，銅離子陰極與陰極處的電子發(fā)生反應(yīng)生成銅原子，并被鍍在硅片表面；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院45銅電鍍（銅電鍍（ECP）原理示意圖）原理示意圖學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院46學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院47電鍍銅缺陷：電鍍銅缺陷：填充高深寬比的溝槽不理想?。ㄔ跍喜鄣牟煌吭跍喜鄣牟煌课?，電流密度不均勻；溝槽位，電流密度不均勻；溝槽頂

19、部電流密度高，底部電流頂部電流密度高，底部電流密度低密度低）加上集成電路特征尺寸不斷縮小，溝槽深寬比增大，使得溝槽更加難以得到良好的填充。學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院48解決措施：解決措施：添加劑法u加入添加劑是改善高深寬比溝槽的填充性能非常關(guān)鍵的因素；添加劑類型：添加劑類型：u加速劑u抑制劑u平坦劑學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院49原理及步驟：原理及步驟：添加劑吸附到銅種子層表面，溝槽內(nèi)首先進(jìn)行均勻性填充； 當(dāng)加速劑A達(dá)到臨界濃度時，電鍍開始從均勻性填充變成由底部向上填充；抑制劑S大量吸附在溝槽開口處，在和氯離子的共同作用下，通過擴(kuò)散-淀積的陰極表面形成一層連續(xù)抑制電流的單層膜，通過阻礙銅離子擴(kuò)散來抑制銅的繼續(xù)沉積；學(xué)習(xí)情景三常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院50雙大馬士革工藝雙大馬士革工藝銅的干法