Chap物理氣相沉積

在集成電路制備中，很多薄膜材料由淀積工藝形成半導(dǎo)體薄膜：Si介質(zhì)薄膜：SiO2，Si3N4,BPSG，…金屬薄膜：Al，Cu，W，Ti，…Deposition1）化學(xué)氣相淀積—ChemicalVaporDeposition(CVD)一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長(zhǎng)技術(shù)。

例如：APCVD,LPCVD,PECVD,HDPCVD2）物理氣相淀積—PhysicalVaporDeposition(PVD)利用某種物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術(shù)。例如：蒸發(fā)evaporation，濺射sputtering兩類主要的淀積方式除了CVD和PVD外，制備薄膜的方法還有:銅互連是由電鍍工藝制作旋涂Spin-on鍍/電鍍electrolessplating/electroplatingChap5物理氣相沉積

PVD是以物理方式進(jìn)行薄膜淀積的一種技術(shù)。在集成電路生產(chǎn)中，金屬薄膜在歐姆接觸、互連、柵電極和肖特基二極管等方面，都有很廣泛的應(yīng)用。

PVD有兩種方法：蒸鍍法（EvaporationDeposition）和濺鍍法（SputteringDeposition）。前者是通過(guò)加熱被蒸鍍物體，利用被蒸鍍物體在高溫（接近其熔點(diǎn)）時(shí)的飽和蒸汽壓，進(jìn)行薄膜淀積，又稱熱絲蒸發(fā)。后者是利用等離子體中的離子，對(duì)被濺鍍物體（又稱離子靶）進(jìn)行轟擊，使氣相等離子體內(nèi)具有被濺鍍物體的粒子（原子），這些粒子淀積到硅晶體上形成濺鍍薄膜，又稱濺射。e蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原子，淀積在晶片上。按照能量來(lái)源的不同，有燈絲加熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種e濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場(chǎng)作用下，氣體放電形成的離子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上

在薄膜淀積技術(shù)發(fā)展的最初階段，蒸發(fā)法用的多。其優(yōu)點(diǎn)：較高的淀積速率、相對(duì)高的真空度、較高的薄膜質(zhì)量。缺點(diǎn)：臺(tái)階覆蓋能力差，淀積多元化合金薄膜時(shí)組分難以控制。濺射法優(yōu)點(diǎn)：淀積多源化合金薄膜時(shí)，化學(xué)成分容易控制、淀積的薄層與襯底附著性好等。濺射技術(shù)制備薄膜的技術(shù)已基本取代真空蒸發(fā)法。5.1真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理

蒸發(fā)：材料的溫度低于熔化溫度時(shí)，產(chǎn)生蒸氣的過(guò)程，稱為升華，而熔化時(shí)產(chǎn)生蒸氣的過(guò)程稱為蒸發(fā)。熱蒸發(fā)：蒸發(fā)材料，使其原子或分子蒸發(fā)，又稱。

真空知識(shí)：PVD一般是以單質(zhì)的固體材料為源，然后設(shè)法將它變?yōu)闅鈶B(tài)，再在襯底表面淀積而成薄膜。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中殘留1Pa的空氣時(shí)，由理想氣體狀態(tài)方程可以計(jì)算出，在室溫下，每立方厘米空間約有2.4*1014個(gè)氣體分子。這些氣體分子不僅嚴(yán)重妨礙了鋁、金、鉻等金屬蒸發(fā)分子由源向襯底的降落淀積，而且使每立方厘米襯底表面每秒鐘要遭受到1018個(gè)空氣分子的撞擊，這個(gè)數(shù)值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了金屬淀積膜的原子密度，這些物質(zhì)夾在薄膜中，必然會(huì)破壞薄膜的成分與質(zhì)量。所以，PVD法要求正式淀積之前，必須徹底地抽除淀積室內(nèi)的殘留氣體，即在低氣壓（又稱本底真空度）下，才能開(kāi)始淀積。本底真空度，依據(jù)淀積方法，淀積物性質(zhì)而異。如蒸鋁要比蒸金要求更低的本底真空度。這是因?yàn)殇X易被氧化之故。真空度越高，淀積室內(nèi)氣體分子越少，使得蒸發(fā)材料的原子或分子所走的路程就越長(zhǎng)。通常我們把大量原子或分子，兩次間碰撞自由飛行的平均長(zhǎng)度稱為原子或分子的平均自由程（L)。

原子的平均自由程與氣體壓強(qiáng)成反比。也就是說(shuō)，P越低，則L就越大。例如當(dāng)P=1mmHg時(shí)，L=5*10-5cm;P=10-6mmHg時(shí)，L=5000cm。這就是要想源材料的原子或分子所走的路程越長(zhǎng)，就必須將淀積室抽成高真空。生產(chǎn)上常用的是10-5~10-6mmHg，而蒸發(fā)源到襯底的距離大約在10~30cm之間，即平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于源到襯底的距離，當(dāng)源分子或原子從源材料脫離以后，就可以直線形式射到襯底上。當(dāng)然這不是絕對(duì)的，碰撞肯定也有的，只不過(guò)這種碰撞幾率小到可以忽略不計(jì)。一、真空蒸發(fā)設(shè)備三大部分（1）真空系統(tǒng)：為蒸發(fā)過(guò)程提供真空環(huán)境（2）蒸發(fā)系統(tǒng)：放置蒸發(fā)源，以及加熱和測(cè)溫裝置。（3）基板及加熱：放置襯底，對(duì)襯底加熱裝置及測(cè)量裝置。真空蒸發(fā)法過(guò)程：（1）蒸發(fā)過(guò)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(guò)程——所需能量為汽化熱Hv

（2

氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運(yùn)過(guò)程（3）被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積過(guò)程即氣相分子在襯底上吸附、成核和生長(zhǎng)蒸發(fā)原理圖二、汽化熱和蒸汽壓三、真空度與分子平均自由程四、多組成薄膜的蒸發(fā)方法單源蒸發(fā)法：?jiǎn)卧?，合金溶液多源同時(shí)蒸發(fā)法：多坩堝，同時(shí)蒸發(fā)多源順序蒸發(fā)法：多坩堝，按順序蒸發(fā)5.2蒸發(fā)源

1.電阻加熱源利用電流通過(guò)加熱源時(shí)所產(chǎn)生能夠的焦耳熱來(lái)蒸發(fā)材料。蒸發(fā)中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題：（1）鋁層厚度控制不合適鋁層厚度是蒸鋁工藝中一個(gè)主要的參數(shù)。太薄，在鍵合工序容易開(kāi)焊造成半導(dǎo)體器件或集成電路斷路，嚴(yán)重影響成品率。如果太厚，電極圖形看不清，增加了光刻難度。腐蝕時(shí)間一長(zhǎng)，容易造成脫膠，鉆蝕現(xiàn)象。（2）鋁層表面氧化蒸鋁后出現(xiàn)鋁層發(fā)黃或發(fā)灰，這說(shuō)明表面被氧化及其他合金物出現(xiàn)，楊畫(huà)冊(cè)鋁層不僅難以光刻核鍵合，而且影響器件性能。造成鋁層氧化有以下原因：

1）鎢絲純度不夠，雜質(zhì)含量太多或清潔處理得不夠；

2）真空度低或真空零件不干凈；

3）蒸發(fā)時(shí)擋板打開(kāi)的過(guò)早，即在，鋁溶液表面的氧化層還未去掉時(shí)就開(kāi)始蒸發(fā)。因而把贓物也蒸發(fā)上去了；

4）襯底加熱溫度較高，并且取片過(guò)快；

5）擴(kuò)散泵抽氣率不高，在蒸發(fā)時(shí)，各部分加熱后放出的氣體未及時(shí)抽走；

6）真空系統(tǒng)中出現(xiàn)慢性漏氣。

2.電子束蒸發(fā)源(1)基于電子在電場(chǎng)作用下，獲得動(dòng)能轟擊處于陰極的蒸發(fā)材料，使蒸發(fā)材料加熱氣化。(2)電子束蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)：l

膜純度高，鈉離子玷污少l

光刻腐蝕方便l

鍍膜層均勻l

節(jié)約大量鎢絲和鋁源l

應(yīng)用范圍廣l

鋁膜晶粒致密均勻3.激光加熱源利用高功率的連續(xù)或脈沖激光作為能源對(duì)蒸發(fā)材料進(jìn)行加熱。4.高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源通過(guò)高頻感應(yīng)對(duì)裝有蒸發(fā)材料的坩堝進(jìn)行加熱。

5.3氣體輝光放電

濺射：具有一定能量的入射離子在對(duì)固體表面轟擊時(shí)，入射離子在與固體表面原子的碰撞過(guò)程中將發(fā)生能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，并能將固體表面的原子濺射出來(lái)?；A(chǔ)是輝光放電。1.

直流輝光放電2.

輝光放電中的碰撞過(guò)程彈性碰撞：非彈性碰撞：（1）電離過(guò)程；（2）激發(fā)過(guò)程；（3）分解反應(yīng)3.射頻輝光放電5.4濺射

濺射是利用等離子體中的離子，對(duì)被濺射物體電極進(jìn)行轟擊，使氣相等離子體內(nèi)具有被濺射鍍物的粒子，使其淀積到硅片表面并形成薄膜的一種ＰＶＤ方法，因此將高純粒子從某種物質(zhì)的表面撞擊出原子的物理過(guò)程叫濺射。濺射是目前大規(guī)模集成電路制造中應(yīng)用得最廣泛的一種鍍膜方法，它可以用來(lái)淀積不同的金屬，包括鋁、鋁合金、鈦、鎢鈦合金。

濺射具有以下優(yōu)點(diǎn)：１）可在一個(gè)面積很大的靶子上進(jìn)行，這樣解決了大尺寸硅片淀積鋁膜厚度均勻性的問(wèn)題２）在選定的工作條件下，膜厚容易控制，只要調(diào)節(jié)時(shí)間就可得到所需厚度3）濺射淀積薄膜的合金，成分要比蒸發(fā)容易控制4）改變加在硅片上的偏壓和溫度，可以控制薄膜的許多重要性能，如臺(tái)階覆蓋和晶粒結(jié)構(gòu)等。5）在濺射之前進(jìn)行預(yù)濺射，做一番清潔處理，這樣可以獲得質(zhì)量更好的薄膜。

一、濺射特性1.

濺射閾值：10~30ev取決于靶材料2.

濺射率：被濺射出來(lái)的原子數(shù)與入射離子數(shù)之比，其大小于入射離子的能量、種類、靶材料的種類等有關(guān)。3.

濺射原子的能量和速度有5個(gè)特點(diǎn)二、濺射方法

1.

直流濺射：濺射率低，靶材料有較好導(dǎo)電性時(shí)可以很方便的濺射淀積各類金屬薄膜。

2.

射頻濺射：導(dǎo)電性很差的非金屬材料的濺射。

3.

磁控濺射：店家速率較高，工作氣體壓力較低，薄膜質(zhì)量好，是目前應(yīng)用最廣泛的一種濺射淀積方法。

4.

反應(yīng)濺射：在淀積同時(shí)形成化合物。

5.

偏壓濺射：在一般濺射基礎(chǔ)上，加一定偏置電壓在襯底與靶材料之間，改變?nèi)肷涞揭r底表面的帶電粒子的數(shù)量和能量。

6.

接觸孔中薄膜的濺射淀積：帶有準(zhǔn)直器。

7.長(zhǎng)投準(zhǔn)直濺射技術(shù)：不用準(zhǔn)直器便能改善接觸孔底部覆蓋效果的濺射技術(shù)。需要解決的問(wèn)題：

1）濺射會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)室室壁表面凝結(jié)靶材料的原子，從而形成污染；

2）遠(yuǎn)離硅片中心的通孔存在臺(tái)階覆蓋的不對(duì)稱性；

3）在低壓下獲得等離子體比較困難。1、直流（DC）濺射只能濺射導(dǎo)電物質(zhì)a）陽(yáng)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(fù)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(guò)等離子體區(qū)到達(dá)硅表面e）濺射淀積時(shí)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(dá)高真空（10－6

torr以上）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(guò)等離子區(qū)淀積到陽(yáng)極硅片上陰極輝光陽(yáng)極鞘區(qū)等離子體陰極暗區(qū)(鞘區(qū))濺射中的主要過(guò)程陰極暗區(qū)2、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?yàn)榻^緣靶上會(huì)有電荷的積累。此時(shí)可以使用交流電源。13.56MHzRF濺射系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓分布當(dāng)兩邊面積不等時(shí)，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(shí)驗(yàn)值）一般將靶電極的面積設(shè)計(jì)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(dú)加上RF偏壓，這樣在實(shí)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(shí)進(jìn)行。這可以改善淀積臺(tái)階覆蓋性3、反應(yīng)濺射

在濺射氣體中引入反應(yīng)活性氣體如氧或氮?dú)?，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(kuò)散阻擋層

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(yáng)極收集。通過(guò)外加磁場(chǎng)提高電子的離化率,磁控