第五章物理氣相淀積

1、集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)第五章第五章 物理氣相淀積物理氣相淀積西安電子科技大學(xué)西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院微電子學(xué)院戴顯英戴顯英2012013 3年年9 9月月本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容n真空蒸發(fā)的原理真空蒸發(fā)的原理n電阻加熱源蒸發(fā)電阻加熱源蒸發(fā)n電子束加熱蒸發(fā)電子束加熱蒸發(fā)n多組分蒸發(fā)多組分蒸發(fā)n濺射的原理濺射的原理n直流濺射直流濺射nRFRF濺射濺射n磁控濺射磁控濺射第五章第五章 物理氣相淀積物理氣相淀積n定義：利用蒸發(fā)或濺射等物理過程實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即原子定義：利用蒸發(fā)或濺射等物理過程實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即原子或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底( (硅硅) )表面上，并淀積成薄膜。

2、表面上，并淀積成薄膜。n分類：真空蒸發(fā)法和濺射法分類：真空蒸發(fā)法和濺射法 1 1）真空蒸發(fā)法）真空蒸發(fā)法n優(yōu)點(diǎn)：較高淀積速率，較高薄膜質(zhì)量優(yōu)點(diǎn)：較高淀積速率，較高薄膜質(zhì)量( (系統(tǒng)真空度高系統(tǒng)真空度高) )n缺點(diǎn)：臺階覆蓋能力差，淀積多元薄膜時組份難控制缺點(diǎn)：臺階覆蓋能力差，淀積多元薄膜時組份難控制 2 2）濺射法）濺射法n優(yōu)點(diǎn)：多元薄膜組份易控制，臺階覆蓋能力強(qiáng)，襯底附著性優(yōu)點(diǎn)：多元薄膜組份易控制，臺階覆蓋能力強(qiáng)，襯底附著性好好n濺射法在很大程度上已經(jīng)取代了真空蒸發(fā)法，但真空蒸發(fā)法濺射法在很大程度上已經(jīng)取代了真空蒸發(fā)法，但真空蒸發(fā)法在科研和在科研和III-VIII-V族化合物半導(dǎo)體工藝中仍被

3、采用。族化合物半導(dǎo)體工藝中仍被采用。5.1 5.1 真空蒸發(fā)的基本原理真空蒸發(fā)的基本原理n材料的三態(tài)：材料的三態(tài)：solidsolid，liquidliquid，gasgas；n蒸氣：任何溫度下，材料表面都存在自身的氣體；蒸氣：任何溫度下，材料表面都存在自身的氣體；n蒸氣壓：平衡時的飽和蒸氣壓；蒸氣壓：平衡時的飽和蒸氣壓； n升華：低于熔化溫度時，產(chǎn)生蒸氣的過程；升華：低于熔化溫度時，產(chǎn)生蒸氣的過程；n蒸發(fā)：熔化時，產(chǎn)生蒸氣的過程；蒸發(fā)：熔化時，產(chǎn)生蒸氣的過程；n真空蒸發(fā)：利用蒸發(fā)材料熔化時產(chǎn)生的蒸氣進(jìn)行薄膜真空蒸發(fā)：利用蒸發(fā)材料熔化時產(chǎn)生的蒸氣進(jìn)行薄膜 淀積；淀積； 優(yōu)點(diǎn)：工藝及設(shè)備簡單，淀

4、積速率快；優(yōu)點(diǎn)：工藝及設(shè)備簡單，淀積速率快； 缺點(diǎn)：臺階覆蓋差。缺點(diǎn)：臺階覆蓋差。熱蒸發(fā)臺熱蒸發(fā)臺1）基板2）蒸發(fā)源3）真空系統(tǒng)電電子子束束蒸蒸發(fā)發(fā)臺臺5.1.1 5.1.1 真空蒸發(fā)設(shè)備真空蒸發(fā)設(shè)備- -蒸發(fā)臺蒸發(fā)臺5.1.2 5.1.2 蒸發(fā)淀積過程蒸發(fā)淀積過程加熱蒸發(fā)：加熱蒸發(fā)源（固態(tài)），產(chǎn)生蒸氣；加熱蒸發(fā)：加熱蒸發(fā)源（固態(tài)），產(chǎn)生蒸氣；輸運(yùn)：氣化的原子、分子擴(kuò)散到基片表面；輸運(yùn)：氣化的原子、分子擴(kuò)散到基片表面；淀積：氣化的原子、分子在表面淀積：氣化的原子、分子在表面 凝聚、成核、成長、成膜；凝聚、成核、成長、成膜； 5.1.3 5.1.3 多組分蒸發(fā)多組分蒸發(fā)n如，合金蒸發(fā)如，合金蒸發(fā)

5、n方法：（按蒸發(fā)源分類）方法：（按蒸發(fā)源分類） 單源蒸發(fā)：具有薄膜組分比例的單一合金靶；單源蒸發(fā)：具有薄膜組分比例的單一合金靶；n 靶源的要求：各組分蒸汽壓接近；靶源的要求：各組分蒸汽壓接近； 多源同時蒸發(fā)：多種靶源，不同溫度，同時蒸發(fā)；多源同時蒸發(fā)：多種靶源，不同溫度，同時蒸發(fā)； 多源順序蒸發(fā)：多種靶源，不同溫度，順序蒸發(fā)，多源順序蒸發(fā)：多種靶源，不同溫度，順序蒸發(fā)， 最后高溫退火；最后高溫退火；n工藝關(guān)鍵：根據(jù)薄膜組分控制各層厚度；工藝關(guān)鍵：根據(jù)薄膜組分控制各層厚度； 5.1.3 5.1.3 多組分蒸發(fā)多組分蒸發(fā)5.2 5.2 蒸發(fā)源蒸發(fā)源n（按加熱方式分類）（按加熱方式分類） 電阻加熱源

6、電阻加熱源 電子束加熱源電子束加熱源 高頻感應(yīng)加熱源高頻感應(yīng)加熱源 激光加熱源激光加熱源5.2.1 5.2.1 電阻加熱電阻加熱n直接加熱源：加熱體與蒸發(fā)源的載體是同一物體；加熱體直接加熱源：加熱體與蒸發(fā)源的載體是同一物體；加熱體-W-W、MoMo、石墨。、石墨。n間接加熱源：坩堝盛放蒸發(fā)源；（坩堝：高溫陶瓷、石墨）間接加熱源：坩堝盛放蒸發(fā)源；（坩堝：高溫陶瓷、石墨）n對加熱體材料的要求：不產(chǎn)生污染對加熱體材料的要求：不產(chǎn)生污染熔點(diǎn)高：高于蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度；熔點(diǎn)高：高于蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度；飽和蒸汽壓低：低于蒸發(fā)源；飽和蒸汽壓低：低于蒸發(fā)源；化學(xué)性能穩(wěn)定：不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)性能穩(wěn)定：不發(fā)生化學(xué)反

7、應(yīng)， 不形成合金。不形成合金。n優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，蒸發(fā)速率快；優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，蒸發(fā)速率快； 缺點(diǎn)：難以制備高熔點(diǎn)、缺點(diǎn)：難以制備高熔點(diǎn)、 高純度薄膜。高純度薄膜。5.2.2 5.2.2 電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)n原理：電子轟擊蒸發(fā)材料，使其熔化蒸發(fā)。原理：電子轟擊蒸發(fā)材料，使其熔化蒸發(fā)。n特點(diǎn)：淀積高熔點(diǎn)、高純薄膜；特點(diǎn)：淀積高熔點(diǎn)、高純薄膜；n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：蒸發(fā)溫度高：蒸發(fā)溫度高：能量密度高于電能量密度高于電阻源，阻源，可蒸發(fā)可蒸發(fā)30003000度以上的材料度以上的材料:W:W，MoMo，GeGe，SiO2SiO2，Al2O3Al2O3；高純度淀積：高純度淀積：水冷水冷坩堝可避免容器材料的蒸發(fā)；熱

8、效率坩堝可避免容器材料的蒸發(fā)；熱效率高：熱傳導(dǎo)和熱輻射損失少。高：熱傳導(dǎo)和熱輻射損失少。 n缺點(diǎn)：一次電子和二次電子使蒸發(fā)原缺點(diǎn)：一次電子和二次電子使蒸發(fā)原子電離，影響薄膜質(zhì)量；設(shè)備及工藝子電離，影響薄膜質(zhì)量；設(shè)備及工藝復(fù)雜。復(fù)雜。5.2.3 5.2.3 激光加熱激光加熱n可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)的材料（聚焦激光束功率密度可蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)的材料（聚焦激光束功率密度高達(dá)高達(dá)10106 6W/cmW/cm2 2）；）；n被蒸發(fā)材料局部受熱而汽化，高純度薄膜，（光被蒸發(fā)材料局部受熱而汽化，高純度薄膜，（光斑很小，防止了坩鍋材料受熱的污染）；斑很小，防止了坩鍋材料受熱的污染）；n淀積含有不同熔點(diǎn)材料的化合物薄

9、膜可保證成分淀積含有不同熔點(diǎn)材料的化合物薄膜可保證成分比例（功率密度高）比例（功率密度高）n真空室內(nèi)裝置簡單，容易獲得高真空度真空室內(nèi)裝置簡單，容易獲得高真空度5.2.4 5.2.4 高頻感應(yīng)加熱高頻感應(yīng)加熱n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：蒸發(fā)速率快：蒸發(fā)速率快： 蒸發(fā)面積大；蒸發(fā)面積大；溫度控制溫度控制精確、均勻精確、均勻；工藝簡便；工藝簡便；n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：成本高；成本高；電磁干擾。電磁干擾。5.3 5.3 濺射濺射n原理：氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體原理：氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體具有能量的離子轟擊具有能量的離子轟擊靶材靶材 靶材原子獲得能量從靶表面逸出靶材原子獲得能量從靶表面逸出- -被濺射出被濺射出濺射濺射原

10、子淀積在表面。原子淀積在表面。n特點(diǎn)：被濺射出的原子動能很大，特點(diǎn)：被濺射出的原子動能很大，10-50eV10-50eV（蒸發(fā)：（蒸發(fā)：0.1-0.1-0.2eV0.2eV）；還可實現(xiàn)離子注入。）；還可實現(xiàn)離子注入。n優(yōu)點(diǎn)：臺階覆蓋好（遷移優(yōu)點(diǎn)：臺階覆蓋好（遷移 能力強(qiáng)）。能力強(qiáng)）。ArAr+ +離子能量和動量轉(zhuǎn)移將使離子能量和動量轉(zhuǎn)移將使表面原子脫離化學(xué)鍵束縛表面原子脫離化學(xué)鍵束縛5.3.1 5.3.1 濺射的物理過程濺射的物理過程5.3.2 5.3.2 濺射方法濺射方法n直流、射頻、磁控、反應(yīng)、直流、射頻、磁控、反應(yīng)、 離子束、偏壓等濺射；離子束、偏壓等濺射；1.1.直流濺射直流濺射 （又稱陰極濺射或直流二級濺射（又稱陰極濺射或直流二級濺射，常用，常用ArAr氣作為工作氣體。）氣作為工作氣體。）n濺射靶：陰極濺射靶：陰極n襯底：陽極（接地）襯底：陽極（接地）n工作氣體：工作氣體：ArAr氣氣n要求：靶材導(dǎo)電性好要求：靶材導(dǎo)電性好n特點(diǎn)：只適于金屬靶材特點(diǎn)：只適于金屬靶材2. RF2. RF濺射濺射n原理：高頻電場經(jīng)其他阻抗形式耦合進(jìn)入淀積室；原理：高頻電場經(jīng)其他阻抗形式耦合進(jìn)入淀積室；n特點(diǎn)：適于各種金屬與非金屬靶材；特點(diǎn)：適于各種金屬與非金屬靶材；5.3.2 5.3.2