第六章物理氣相淀積

1、123Silicon substrateOxide寬寬長長厚厚與襯底相比與襯底相比薄膜非常薄薄膜非常薄Figure 11.4薄膜薄膜是指一種在襯底上生長的薄固體物質(zhì)。如果一是指一種在襯底上生長的薄固體物質(zhì)。如果一種種固體物質(zhì)具有三維尺寸，固體物質(zhì)具有三維尺寸，那么那么薄膜是指一維尺寸薄膜是指一維尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩外兩維上的尺寸。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩外兩維上的尺寸。4在硅片加工中可以接受的薄膜，必須具備需要的膜特性。在硅片加工中可以接受的薄膜，必須具備需要的膜特性。為了滿足器件的性能，可以接受的為了滿足器件的性能，可以接受的薄膜一般具有如下特性薄膜一般具有如下特性5共形臺階覆蓋非共形臺階覆蓋均勻厚度6深寬比

2、= 深度 寬度=2 1深寬比 = 500 250 500 D250 W高深寬比間隙難淀積均勻厚度的膜。高深寬比間隙難淀積均勻厚度的膜。隨著集成電路隨著集成電路特征尺寸的不斷減小，對于高深寬比間隙的均勻、特征尺寸的不斷減小，對于高深寬比間隙的均勻、無空洞的填充淀積工藝顯得至關(guān)重要。無空洞的填充淀積工藝顯得至關(guān)重要。78連續(xù)的膜連續(xù)的膜氣體分子氣體分子成核成核凝聚凝聚Substrate9101112Vacuum chamberEvaporationMaterialSubstrateHeaterCloudSputteringMaterialSubstratePlasma1314機(jī)械泵高真空閥高真空泵

3、工藝腔(鐘罩)坩鍋蒸發(fā)金屬載片盤Figure 12.15 15真空蒸發(fā)系統(tǒng)組成真空蒸發(fā)系統(tǒng)組成161718絲狀舟狀坩堝19真空知識真空知識20真空度常用毫米汞柱（真空度常用毫米汞柱（mmHg）或托（或托（Torr）來表示，來表示， 也可以用帕（也可以用帕（Pa）1托托1mmHg1/760標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓760mmHg760Torr1mmHg1Torr133Pa2122高純薄膜的淀積必須在高真空度的系統(tǒng)中進(jìn)行。這是基于下達(dá)幾個理由： (1)被蒸發(fā)的原子或分子在真空中的輸運(yùn)應(yīng)該是直線運(yùn)動，以保證被蒸發(fā)的原子或分子有效的淀積在襯底上。如果真空度很低，被蒸發(fā)的原子或

4、分子在輸運(yùn)過程中不斷與殘余氣體的分子碰撞，使被蒸發(fā)的原子或分子的運(yùn)動方向不斷改變，很難保證被蒸發(fā)的原子或分子淀積在襯底上。 (2)如果真空度太低，殘余氣體中的氧和水汽，會使金屬原子或分子在輸運(yùn)過程中發(fā)生氧化，同時也將使加熱的襯底表面發(fā)生氧化。 (3)系統(tǒng)中殘余氣體及所含質(zhì)原子或分子也會淀積在襯底上，從而嚴(yán)重地影響了淀積薄膜的質(zhì)量。23MaterialSubstrateHeaterVacuum chamberCloud真空鍍膜機(jī)種類不同，結(jié)構(gòu)也不同，但是真空鍍膜機(jī)種類不同，結(jié)構(gòu)也不同，但是核心三大部分核心三大部分相同：相同：真空鍍膜室，抽氣系統(tǒng)和測量系統(tǒng)真空鍍膜室，抽氣系統(tǒng)和測量系統(tǒng)24真空鍍膜

5、機(jī)由鐘罩、蒸發(fā)源加熱器、襯底加熱器等部件組成真空鍍膜機(jī)由鐘罩、蒸發(fā)源加熱器、襯底加熱器等部件組成鐘罩有鐘罩有玻璃和金屬兩種玻璃和金屬兩種，鐘罩上有觀察窗，以便隨時觀察蒸發(fā)情況，鐘罩上有觀察窗，以便隨時觀察蒸發(fā)情況2526蒸發(fā)操作過程蒸發(fā)操作過程（蒸鋁膜）蒸鋁膜） （a）掛鋁絲掛鋁絲（99.99%純度），將硅片置于襯底加熱器上，純度），將硅片置于襯底加熱器上，轉(zhuǎn)動活動擋板，使之位于蒸發(fā)源與硅片之間，蓋好鐘罩。轉(zhuǎn)動活動擋板，使之位于蒸發(fā)源與硅片之間，蓋好鐘罩。 （b）抽真空：抽真空：開動機(jī)械泵，打開低真空閥，待真空度高于開動機(jī)械泵，打開低真空閥，待真空度高于1.3Pa 后，關(guān)低真空閥，開高真空閥，

6、轉(zhuǎn)到用擴(kuò)散泵抽高真空。后，關(guān)低真空閥，開高真空閥，轉(zhuǎn)到用擴(kuò)散泵抽高真空。 （c）硅片加熱硅片加熱：當(dāng)真空度抽到：當(dāng)真空度抽到 6.7 10-3 Pa 后，開始加溫，后，開始加溫，使襯底溫度升到約使襯底溫度升到約400 ，恒溫數(shù)分鐘以除去硅片表面吸附的污，恒溫數(shù)分鐘以除去硅片表面吸附的污物，然后降溫。物，然后降溫。 （d）蒸發(fā)：蒸發(fā)：襯底溫度降至襯底溫度降至150且真空度達(dá)到且真空度達(dá)到 6.7 10-3 Pa 以以上，逐步加熱蒸發(fā)源使之熔化后附在鎢絲上，先使鋁中高蒸汽上，逐步加熱蒸發(fā)源使之熔化后附在鎢絲上，先使鋁中高蒸汽壓雜質(zhì)揮發(fā)掉（提高鋁的純度），然后迅速增大加熱電流到一壓雜質(zhì)揮發(fā)掉（提高鋁

7、的純度），然后迅速增大加熱電流到一定值，打開擋板，使鋁蒸發(fā)到硅片上。蒸發(fā)完畢轉(zhuǎn)回?fù)醢?，并定值，打開擋板，使鋁蒸發(fā)到硅片上。蒸發(fā)完畢轉(zhuǎn)回?fù)醢?，并停止蒸發(fā)源加熱。停止蒸發(fā)源加熱。 （e）取片：取片：待硅片溫度降至待硅片溫度降至150以下，關(guān)閉高真空閥，關(guān)以下，關(guān)閉高真空閥，關(guān)閉擴(kuò)散泵電源，對真空室放氣，打開鐘罩，取出硅片。閉擴(kuò)散泵電源，對真空室放氣，打開鐘罩，取出硅片。 27真空蒸發(fā)系統(tǒng)個的能源(通常為熱源)將蒸發(fā)源材料加熱到足夠高的溫度、使其原子或分獲得足夠的能量，克服固相(或液相)的原子束縛而蒸發(fā)到真空個，并形成具有一定動能的氣相原子或分子，這個能量就是汽化熱汽化熱H。汽化熱的主要部分是用來央

8、克服凝聚相中原子間的吸引力，至于動能(3/2T)所占的比例則很小。常用金屬材料的汽化熱每個原子近似為4eV的數(shù)量級，而在蒸發(fā)溫度下的動能僅為0.2eV/原子左右。 蒸發(fā)過程中的幾個概念28在一定的溫度下，真空室內(nèi)蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽與固態(tài)或液態(tài)平衡時所表現(xiàn)比來的壓力稱為該物質(zhì)的飽和蒸汽壓飽和蒸汽壓P。只有當(dāng)環(huán)境中被蒸發(fā)物質(zhì)的分壓降到了它平衡時的飽和蒸汽壓以下時，才可能有物質(zhì)的凈蒸發(fā)。在一定溫度下，各種物質(zhì)的飽和蒸汽壓是不相同的，但具有恒定的數(shù)值。相反，一定的飽和蒸汽壓必定對應(yīng)一定的物質(zhì)溫度，已經(jīng)規(guī)定在飽和蒸汽壓為133.310-2Pa(1Torr133.3Pa)時的溫度，稱為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度物質(zhì)的蒸

9、發(fā)溫度。29303132在集成電路制造工藝中，往往需要制備多組分薄膜。利用蒸發(fā)制備多組分薄膜的方法主要有以下三種(a)單源蒸發(fā)法、(b)多源同時蒸發(fā)法和(c)多源順序蒸發(fā)法。336.2.1 輝光放電的物理過程氣體原子的電離是輝光放電的關(guān)鍵，而電子與氣體分子的非彈性碰撞是維持自持放電的主要機(jī)制。在非彈性碰撞中，可能發(fā)生許多不同的過程，其中最具代表性的是：電離過程： e-+ Ar Ar+2e- 這一過程是電子數(shù)目增加激發(fā)過程： e-+ O2 O2 +e- 使氣體分子處于較高的激發(fā)態(tài)分解反應(yīng)： e-+ CF4 CF3 +F +e- 在這一過程中分子被分解為兩個反應(yīng)基團(tuán)，其化學(xué)活性將遠(yuǎn)高于原來的分子。

10、 除了電子外，中性原子、離子之間發(fā)成的碰撞過程也存在。各種各樣(1)的過程使對等離子體的描述十分復(fù)雜。34(1)無放電區(qū)域ab(2)湯生放電區(qū)bc(3) 輝光放電區(qū)ce(4)反常輝光放電區(qū)ef(5)電弧放電區(qū)fg35 放電擊穿之后的氣體具有一定的導(dǎo)電性，我們把這種具有一定導(dǎo)電能力的氣體稱為等離子體等離子體，等離子體是一種由正離子、電子、光子以及原子、原子團(tuán)、分子和它們的激發(fā)態(tài)所組成的混合氣體，而且正、負(fù)帶電粒的數(shù)目相等，宏觀上呈現(xiàn)電中性的物質(zhì)存在形態(tài)。不同的粒子具有相差極大的運(yùn)動速率。其中電子與離子具有不同的直接后果就是在陰極和陽極表面附近形成所謂的等離子鞘層等離子鞘層，即任何處于等離子體中的

11、物體表面相對于等離子來說都呈現(xiàn)負(fù)電性，并在物體表面附近出現(xiàn)正電荷積累。E36 在一定氣壓下，當(dāng)陰陽極之間所加交變電壓的頻率在射頻范圍(13.56MHz)時，就會產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻解光放電其特點(diǎn)足： (1)在射頻電場中，因為電場周期性地改變方向，則帶電粒子不容易到達(dá)電極和器壁而離開放電空間，這就相對地減少了帶電粒子的損失。同時在兩極之間不斷振蕩運(yùn)動的電子可以從高頻電場中獲得足夠的能量并使氣體分子電離，只要有較低的電場就可以維持放電。另外，陰極產(chǎn)生的二次電子發(fā)射不再是氣體擊穿的必要條件。而在直流放電中，離子對陰極碰撞所產(chǎn)生的二次電子發(fā)射對維持放電是不可忽略的。 (2)射頻電場可以通過任何一種類型的阻抗

12、耦合進(jìn)入淀積室，所以電極可以是導(dǎo)體，也可是絕緣體。由于這個特點(diǎn)、射頻輝光放電在濺射技術(shù)中得到十分廣泛的應(yīng)用。 射頻放電的激發(fā)源有兩種：一種是用高頻電場直接激發(fā)的，稱為E型放電；另一種是用高頻磁場感應(yīng)激發(fā)的，稱為H型放電 。3738394041濺射鍍膜的基本原理濺射鍍膜的基本原理 用高能粒子（經(jīng)電場加速的正離子）沖擊作為陰極用高能粒子（經(jīng)電場加速的正離子）沖擊作為陰極的固態(tài)靶，靶原子與這些高能粒子交換能量后從表面的固態(tài)靶，靶原子與這些高能粒子交換能量后從表面飛出，淀積在作為陽極的硅片上，形成薄膜。飛出，淀積在作為陽極的硅片上，形成薄膜。 直流二極濺射臺直流二極濺射臺 高頻濺射臺高頻濺射臺42物理

13、現(xiàn)象物理現(xiàn)象43444546 6.3.2 濺射方式濺射方式直流濺射：直流濺射：陰極濺射、直流二極濺射陰極濺射、直流二極濺射 1） 襯底呈陽極、靶接負(fù)電壓，呈陰極。襯底呈陽極、靶接負(fù)電壓，呈陰極。 2） 靶材的導(dǎo)電性要求比較好靶材的導(dǎo)電性要求比較好 3）適用于）適用于金屬薄膜的淀積金屬薄膜的淀積，不適用于非金不適用于非金屬材料的淀積屬材料的淀積47尾氣e-e-e-DC 直流二極管濺射裝置襯底 1) 電場產(chǎn)生 Ar+ 離子 2) 高能Ar+ 離子和 金屬靶撞擊 3) 將金屬原子 從 靶中撞擊陽極(+)陰極 (-)氬原子電場金屬靶等離子體 5) 金屬淀積在襯底上 6) 用真空泵將多余 物質(zhì)從腔中抽走4) 金屬原子