薄膜沉積原理分析電子教案

薄膜沉積原理分析本節(jié)課主要內(nèi)容常用的淀積薄膜有哪些？舉例說明其用途。什么是CVD？描述它的工藝過程。CVD的控制有哪兩種極限狀態(tài)？分別控制什么參數(shù)是關(guān)鍵？單晶硅（外延）—器件；多晶硅—柵電極；SiO2—互連介質(zhì)；Si3N4—鈍化。金屬…化學(xué)氣相淀積：反應(yīng)劑被激活后在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)成膜。1)主氣流中的反應(yīng)劑越過邊界層擴散到硅片表面；2)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面；3)反應(yīng)成核生長；4)副產(chǎn)物揮發(fā)。表面反應(yīng)控制：溫度質(zhì)量輸運控制：反應(yīng)器形狀，硅片放置2/37氮化硅的淀積方法LPCVD：質(zhì)量好，產(chǎn)量高PECVD：等離子體中

或SiNxHy膜對水和鈉有極強的阻擋能力，可作為最終的鈍化層或多層布線中的介質(zhì)。3/37等離子增強化學(xué)氣相淀積（PECVD）低溫下（200～350C）利用非熱能來增強工藝過程反應(yīng)氣體被加速電子撞擊而離化。形成不同的活性基團，它們間的化學(xué)反應(yīng)就生成所需要的固態(tài)膜。13.56MHz4/37等離子體：物質(zhì)存在的第四態(tài)高密度導(dǎo)電粒子構(gòu)成的氣體極板區(qū)域有輝光上標(biāo)“*”表示那些能量要遠遠大于基態(tài)的粒子。分離的原子或分子被稱為自由基，它們具有不完整的結(jié)合狀態(tài)并且非常活躍。如：SiH3，SiO，F(xiàn)等。原子激發(fā)e*+AA*+e分子激發(fā)e*+ABAB*+ee*+ABA*+B*+e原子離子化e*+AA++e+e分子離子化e*+ABAB++e+e激發(fā)裂解離化等離子體由電子、離化分子、中性分子、中性或離化的分子片斷、激發(fā)的分子和自由基組成。假設(shè)流進的氣體是由原子A和原子B組成的分子AB,在輝光放電中可出現(xiàn)的過程可有:5/37PECVD：在等離子體反應(yīng)器中，PECVD最重要的特征是能在更低的溫度下淀積出所需要的薄膜。PECVD淀積的氧化硅和氮化硅膜與較高高溫下LPCVD的膜相比有以下特征：應(yīng)力較大、含H、非化學(xué)比的結(jié)構(gòu)因而造成膜的性質(zhì)的不同：粘附能力較差，有針孔、表面粗糙度增大，介電常數(shù)下降，折射率下降，腐蝕速率增加。PECVD薄膜淀積質(zhì)量強烈依賴于RF功率、壓強、溫度等參數(shù)6/377/378/37物理氣相淀積（PVD）蒸發(fā)（Evaporation）濺射（Sputtering）淀積金屬、介質(zhì)等多種薄膜淀積金屬薄膜9/37真空蒸發(fā)：在真空中，把蒸發(fā)料(金屬)加熱，使其原子或分子獲得足夠的能量，克服表面的束縛而蒸發(fā)到真空中成為蒸氣，蒸氣分子或原子飛行途中遇到基片，就淀積在基片上，形成薄膜加熱器：電阻絲或電子束真空狀態(tài)蒸發(fā)10/37一、真空蒸發(fā)淀積薄膜的物理過程蒸發(fā)過程：被蒸發(fā)物質(zhì)從凝聚相（固相或液相）轉(zhuǎn)化為氣相的過程——所需能量為汽化熱Hv

在真空系統(tǒng)中的輸運過程(c)氣相分子在襯底上吸附、成核和生長P為蒸汽壓，A為積分常數(shù)，R0為阿夫加德羅常數(shù)11/37不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關(guān)系為了得到合適的淀積速率，樣品蒸氣壓至少為10mTorr。Ta，W，Mo和Pt，這些難熔金屬，它們具有很高的溶化溫度，如為達到10mtorr的蒸氣壓，鎢需要超過3000℃。12/37二、真空度與分子平均自由程高純薄膜的淀積必須在高真空度的系統(tǒng)中進行，因為：源材料的氣相原子和分子在真空中的輸運必須直線運動，以保證金屬材料原子和分子有效淀積在襯底上，真空度太低，蒸發(fā)的氣相原子或分子將會不斷和殘余氣體分子碰撞，改變方向。殘余氣體中的氧和水氣，會使金屬和襯底氧化殘余氣體和其他雜質(zhì)原子和分子也會淀積在襯底反比于氣體壓強r為氣體分子的半徑平均自由程保角差13/37三、蒸發(fā)速率和淀積速率單位時間內(nèi)，通過單位面積的分子數(shù)點源小平面源速率與蒸發(fā)的蒸氣流(F)和靶（硅片）的幾何形狀相關(guān)14/37點源小平面源Revap是蒸發(fā)速率（g/s）是源蒸汽的發(fā)射角度，對于點源＝4N是淀積材料的密度點源中F與i

無關(guān)，小平面源中F隨cosni

變化3、小平面源的非理想余弦發(fā)射1、點源的各項同性發(fā)均勻發(fā)射2、小平面源的理想余弦發(fā)射，即n=115/37按歸一化后，有如下圖l是淀積點至硅片中心的距離h是法線長度16/37可見蒸發(fā)的淀積速率和蒸發(fā)材料、溫度/蒸汽壓、及淀積腔的幾何形狀決定反應(yīng)腔內(nèi)晶片的位置、方向有關(guān)。如坩鍋正上方晶片比側(cè)向的晶片淀積得多。為了得到好的均勻性，常將坩鍋和晶片放在同一球面點源小平面源由Langmuir-Knudsen理論，有Pe是蒸氣壓（torr），As是源面積，m為克分子質(zhì)量，T為溫度17/37加熱器a)必須在蒸發(fā)溫度提供所需熱量，但本身結(jié)構(gòu)仍保持穩(wěn)定。熔點高于被蒸發(fā)金屬熔點b)不能與處于熔融狀態(tài)的蒸發(fā)料合金化或化合c)蒸氣壓很低d)易加工成形例：難熔鎢絲螺旋式蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)（e－beam）a)電流通過螺旋狀燈絲，使其達到白熾狀態(tài)后發(fā)射電子b)電子向陽極孔方向發(fā)射形成電子束，加速進入均勻磁場c)電子在均勻磁場洛侖茲力作用下作圓周運動d)調(diào)節(jié)磁場強度控制電子束偏轉(zhuǎn)半徑，使電子束準確射到蒸發(fā)源e)蒸發(fā)源熔融汽化，淀積到硅片表面優(yōu)點：淀積膜純度高，鈉離子污染少電子偏轉(zhuǎn)槍電阻絲18/37為了實現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)，晶片放在一個行星轉(zhuǎn)動的半球罩內(nèi)—有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。淀積的均勻性可以得到很大改善電子束蒸發(fā)系統(tǒng)19/37蒸發(fā)工藝中的一些問題:對某些元素淀積速率很慢合金和化合物很難采用臺階覆蓋差目前大生產(chǎn)很少采用濺射的優(yōu)點：臺階覆蓋比蒸發(fā)好輻射缺陷遠少于電子束蒸發(fā)制備復(fù)合材料和合金性能較好可以淀積介質(zhì)材料20/37濺射Sputtering-濺射淀積Sputterdeposition利用高能粒子（通常是由電場加速的正離子如Ar+）撞擊固體表面，使表面離子（原子或分子）逸出的現(xiàn)象濺射的種類:直流濺射射頻濺射反應(yīng)濺射磁控濺射準直濺射……….21/37不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關(guān)系而不同元素的濺射產(chǎn)率（yield）相差不大（0.1-3perincidention）22/371、直流（DC）濺射只能濺射導(dǎo)電物質(zhì)a）陽極（anode）上放硅片，陰極（cathode）是靶，真空室作為放電二極管，通入放電氣體（如Ar）b）陰極加1－10kV負高壓，產(chǎn)生輝光放電，形成等離子體c）正離子被加速至數(shù)百-數(shù)千伏，撞擊在靶材上，將靶材中原子剝離d）這些原子形成蒸汽并自由地穿過等離子體區(qū)到達硅表面e）濺射淀積時反應(yīng)腔里壓力在10mtorr左右。在引入放電氣體前，真空室basepressure要達高真空（10－6torr以上）23/37直流濺射系統(tǒng)中等離子體結(jié)構(gòu)和電壓分布（系統(tǒng)中通入氬氣）等離子體中包含同等數(shù)量的正氬離子和電子以及中性氬原子大部分的電壓降在陰極暗區(qū)氬離子轟擊陰極靶（如Al）,Al原子被濺射出，通過等離子區(qū)淀積到陽極硅片上陰極輝光陽極鞘區(qū)等離子體陰極暗區(qū)(鞘區(qū))24/37濺射中的主要過程陰極暗區(qū)25/37大面積濺射靶要較點源會提供更寬范圍的到達角（arrivalangles）26/372、射頻濺射—

也可濺射介質(zhì)

如靶是絕緣材料，不能采用直流濺射，因為絕緣靶上會有正電荷積累。此時可以使用交流電源。13.56MHz27/37RF濺射系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)時的電壓分布當(dāng)兩邊面積不等時，面積小的電極一邊（電流密度大）有更大電壓降，并有關(guān)系:V2V1Unequalareaelectrodes(leftelectrodesmaller)m=1~2（實驗值）28/37一般將靶電極的面積設(shè)計得較小，電壓主要降在靶電極，使濺射在靶上發(fā)生。硅片電極也可以和反應(yīng)腔體相連，以增加電壓降比值硅片電極也可以單獨加上RF偏壓，這樣在實際淀積前可預(yù)先清潔晶片或“濺射刻蝕”.另外一種應(yīng)用是偏壓-濺射淀積（bias-sputterdeposition），在晶片上濺射和淀積同時進行。這可以改善淀積臺階覆蓋性29/373、反應(yīng)濺射

在濺射氣體中引入反應(yīng)活性氣體如氧或氮氣，可改變或控制濺射膜的特性。如在低溫下可制作SiOx、SiNx等鈍化膜或多屬布線中的絕緣層；TiN、TaN等導(dǎo)電膜或擴散阻擋層30/374、磁控濺射

直流濺射和RF濺射中，電子和氣體分子碰撞的離化效率較低，電子的能量有許多消耗在非離化的碰撞和被陽極收集。通過外加磁場提高電子的離化率,磁控濺射可以提高濺射效率。可濺射各種合金和難熔金屬，不會像蒸發(fā)那樣，造成合金組分的偏離陰極表面發(fā)射的二次電子由于受到磁場的束縛,使得高密度等離子體集中在靶附近,而不再轟擊硅片，避免了硅片的升溫均勻性、重復(fù)性好，有良好的臺階覆蓋濺射效率提高31/375、準直濺射

32/37薄膜淀積總結(jié)33/3734/37CVDversusPVD(coarsecomparison)CVDPVDFlexibilityPoorGoodDepositiontemperatureHighLowDepositionpressureHighLowStepcoverage(conformality)GoodPoorThicknessuniformityGoodGoodCompositioncontrolGoodPoorFilmpurityHighLowDielectricPreferred-Metal-Preferred35/37本節(jié)課主要內(nèi)容CVD的原理，制作的典型薄膜DG1/P，hGDG

hG升高低溫反應(yīng)，淀積均勻性增加，產(chǎn)率增加。外延硅（單晶生長，多晶硅，SiO2，Si3N4，淀積溫度較高；反