半导体第八讲薄膜技术物理资料

第八讲集成电路薄膜制造技术物理方法内容•物理淀积分类：蒸发和溅射•蒸发设备，系统与坩锅加热技术•多组分薄膜沉积技术•溅射沉积技术特点与优势物理淀积：蒸发和溅射•早期半导体工艺的金属层全由蒸发淀积。尽管蒸发在科研和III-V族工艺方面仍有广泛应用，在大多数硅工艺中，它已被溅射所取代。•原因有两个。首先在于覆盖表面形貌的能力，也称为台阶覆盖(stepcoverage)。当晶体管横向尺寸缩小时，许多结构层的厚度几乎保持不变，因而，金属要覆盖的形貌，其高低变化更为严重，蒸发薄膜覆盖这些结构的能力很差，常在垂直的壁上断开•应用蒸发也难以生产控制良好的合金。由于许多现代硅工艺需要合金，用以形成可靠的接触与金属线，要在批量生产环境下的硅工艺中采用蒸发是比较困难的•某些III-V族工艺利用了蒸发薄膜台阶覆盖性差的特点，来达到良好的工艺结果。此时不是去淀积和刻蚀金属，而是将金属薄膜淀积在已形成图形的光刻胶层顶面，由于金属薄膜在光刻胶边缘处断裂，当光刻胶溶解后，光刻胶顶面上的金属层就被剥离掉了。在这些工艺中不大采用合金，而是用若干不同金属薄层相堆叠，这种叠堆层很难刻蚀•圆片装在高真空腔内，通常由扩散泵或冷泵抽真空•扩散泵系统一般有冷阱，用以防止泵油蒸气反流到腔内。•将被淀积的材料，装入一个坩锅加热容器内，它可以简单地用嵌入的电阻加热器和一个外电源来加热•当坩锅内的材料变热时，材料会发出蒸气，因为腔内压力大大小于1mTorr，蒸气原子可以直线运动通过腔体，直至抵达圆片表面，堆积为薄膜•蒸发系统可有多至4个坩锅，允许不破坏真空而实现多层淀积：还可以装入24片圆片，这些圆片悬挂在坩锅上面的支架上•如果需要合金的话，还可以同时运作几个坩锅。机械挡板放在坩锅前面，可以用于快速启动或停止淀积过程•当样品温度升高，材料会经历典型的固相，液相到气相的变化•任何温度下，材料上面都存在蒸气，平衡蒸气压为pe。样品温度低于熔化温度时，产生蒸气的过程称为升华(sublimation)；样品熔化时，称为蒸发(evaporation)•称为蒸发的半导体工艺通常涉及熔化样品，但是它是一项简单的工艺，其工作范围内蒸气压很高，能够得到可接受的淀积速率•对于蒸发来说，简单地改变样品温度，就可以得到宽范围的压强•当材料是液相时，蒸气压由下式给出：•pe＝3×1012σ3／2T－1／2e△Hv/NkT(12.1)•式中，σ是金属薄膜表面张力，N是阿佛加德罗常数，△Hv是蒸发焓•在确定焓的时候，即使有很小的误差，也会造成蒸气压的极大误差•数据一般由实验确定•为得到高淀积速率，蒸发台通常用很高的坩锅温度工作•在紧靠坩锅上方的区域，蒸发气压达到足够高，以致使这个区域处于黏滞流动状态•在此区域内工作会导致蒸发材料凝聚成小液滴，如这些液滴到达并附着于圆片表面，将使薄膜表面形貌变差•在此范围内工作时，因为在坩锅上方某一距离处形成了虚拟源，也会影响到淀积的均匀性•为了获得最好的均匀性，蒸发器必须在低淀积速率下运行，为了避免薄膜玷污需要很高的真空•淀积速率通常用石英晶体速率指示仪测量•所用器件是一个谐振器板，它可以在谐振频率下振荡，工作时测量其振荡频率•因为晶体顶部有材料蒸发淀积，所外加的质量将使得频率偏移，由测得的频率移动可得出淀积速率•当淀积足够厚的材料后，谐振频率会移动几个百分点，振荡器便失效了，不再出现尖锐的谐振•此检测元件不贵，而且容易替换•如果将频率测量系统的输出与机械挡板的控制相连，淀积层厚度可以在很宽的淀积速率范围内得到很好的控制•可以把淀积厚度的时间速率变化反馈给坩锅的温度控制，以得到恒定的淀积速率•坩锅应用锥形壁构造，以避免当材料消耗时，行星转动部分逐步增大的阴影遮挡效应•蒸发的一个重要限制是台阶覆盖•在此情况下，台阶是通过绝缘层刻蚀至衬底的接触孔的横断面，对于这样的距离(～1μm)尺度，入射材料原子束可以认为是不发散的•假定入射原子在圆片表面不移动，这种高差形貌将投射出一定的阴影区，在接触孔的一边，薄膜通常是不连续的•当淀积连续进行时，在绝缘层顶部生长的薄膜使得阴影区边缘向上移动•台阶覆盖问题对于金属化层来说是特别严重的，因为金属化是工艺过程的最后几个步骤，如果不采用平面化技术，所累积的形貌高差会十分严重•优化圆片的取向可以得到某些有限的改进•一种常用的改进台阶覆盖的方法是在蒸发过程中旋转圆片•蒸发台内用于承载圆片的的半球形夹具，被设计成能使圆片环绕蒸发器顶部转动•侧壁上的淀积速率仍低于平坦表面，但是它成为轴向均匀的•标准的蒸发工艺不能在纵横比大于1.0的图形上形成连续薄膜，纵横比在0.5与1.0之间时也是很勉强的•第二种改善台阶覆盖的方法是加热圆片•蒸发台在行星机构后面加装了一组红外灯或低强度难熔金属加热线圈•到达圆片的原子在它们化学成键成为生长薄膜的一部分之前，能沿表面扩散•这种随机运动会导致原子的净移动，使之进入淀积速率低的区域蒸发系统：坩锅加热技术•有三种类型坩锅加热系统：电阻、电感和电子束系统。电阻加热系统是最简单类型的加热源，一个带电源输入的高真空腔，只用一个小线圈和一台简单的可调变压器，就可以构造一台简单的蒸发台。在这种系统中装入的料是放置在加热线圈中的小固体棒，这里需要调节输入功率以避免材料熔化，从线圈中掉下•由于加热灯丝至少要热到能使材料蒸发，与电阻加热坩锅有关的一个问题是灯丝的蒸发和出气。如果要蒸发像铝这样的材料，用中等功率输入就可以得到合适的蒸气压。另一方面，如果要蒸发难熔金属，常常没有合用的电阻加热元件•可以达到中等材料温度的方法是应用电感加热坩锅•固体材料放入一个一般由氮化硼(BN)制成的坩锅中•一个金属线圈绕在坩锅上，通过这个线圈施加RF功率，RF射频在材料中感应出涡流电流，使其加热•线圈本身用水冷，保持温度低于100℃，有效地避免了线圈材料损耗•感应加热可用于提高坩锅温度，以蒸发难熔金属，但是坩锅本身材料的玷污仍是一个严重问题•用只加热材料而冷却坩锅的方法来避免这种影响，实现此目的的常用方法是电子束(e-beam)蒸发•一个简单的低通量电子束系统包括一个加热钨丝环，它围绕着一根相对钨丝处于高偏压的材料细棒周围。从钨丝喷射出的电子轰击材料棒，提高材料棒末端的温度，从而产生出蒸发原子束•大多数电子束蒸发台，是由在坩锅下面的电子枪喷射出有一定强度的高能束流，灯丝这样放置能减小灯丝材料(一般由钨制成)向圆片表面的淀积•一个强磁场将束流弯曲270°，使它能射到材料表面•电子束可以扫描材料，以熔化大部分的材料表面，材料被加热的部分被有效地包裹在较冷的部分中多组分薄膜•淀积合金和化合物材料•如果材料是Al和Cu那样有很相近的蒸气压，可以简单地由一个适当制备的混合物靶来蒸发这些材料•在某些应用中，譬如形成GaAs的欧姆接触，其合金的各组成成分蒸气压相当接近，而且合金成分的变化也是可以接受的•如果我们将一定组分的TiW固体样品放在坩埚里，然后蒸发它，蒸发出的主要材料不会是TiW，而是某种其他的Ti和W的混合物•坩埚温度为2500℃时，Ti的蒸气压是1Torr，而W的蒸气压仅为3×10－8Torr，开始时出来的蒸气几乎是纯钛。由于这样的蒸发引起剩下的熔料组分变化，淀积薄膜的组成也将慢慢变化•这种工艺的基本问题是合金中不同成分材料的蒸气压不同，将合金组分控制到某一合理的精度之内是很困难的，对许多种化合物控制其组成则是不可能•共同蒸发采用多个源同时蒸发以淀积某一合金结构，例如淀积TiW，用两坩埚，一个放入W，另一个放入Ti，在不同的温度下蒸发•虽然对于单个坩埚蒸发，这是一个重大改进，但仍留下蒸气压问题。最终，淀积速率成为材料温度的极为敏感的函数•对于单成分膜，绝对淀积速率并不那么重要，因为可以用淀积薄膜厚度指示器来打开或关闭挡板•除非多个速率指示器放于蒸发台不同的地方，共同蒸发系统不能分别控制每种组分的束流，因而在共同蒸发时，即使只需要一般性的控制薄膜的组成，也要格外注意控制温度•多成分薄膜淀积的一种替代方法是进行按次序淀积•可以在多源系统中用打开与关闭挡板的方法来实现•淀积完成后，提高样品温度让各组分互相扩散，从而形成合金•可以反复地交替淀积，形成更多不同材料薄层的方法来改善上述方法•这样的工艺要求圆片能承受以后的高温工序溅射•溅射是微电子制造中，不用蒸发而进行金属膜淀积的主要替代方法•Langmuir在20世纪20年代将其发展成为一种薄膜淀积技术•溅射的台阶覆盖比蒸发好，辐射缺陷远少于电子束蒸发，在制作复合材料膜和合金时性能更好，这些优点使得溅射金属淀积技术成为大多数硅基工艺的最佳选择•在真空腔中有一个平行板等离子体反应器，非常类似于简单的反应离子刻蚀系统•等离子腔体使高能离子轰击到溅射靶上，溅射靶含有所要淀积的材料•溅射时，将靶材料放置在具有最大离子流的电极上•为了收集尽可能多的出射原子，阴极与阳极相距很近，通常小于10cm•用某种惰性气体充入此腔体，腔内气体压力维持在0.1Torr左右，这使得平均自由程有几百微米的量级•由于该工艺的物理特点，可用溅射淀积的金属种类很多•在溅射元素金属时，因为简单的直流溅射具有较大溅射速率，故优先采用•溅射绝缘材料如SiO2时，应当用RF等离子体•如果靶材料是化合物或合金，所淀积材料的化学配比会与靶材料略微不同•当溅射速率不同时，可以看到靶的表面积聚更多的溅射速率较低的材料，这将使淀积薄膜的成分重新接近于靶体材料•因而溅射不仅对于元素，而且对很宽范围内材料的淀积均具有很大吸引力•当具有能量的离子打到材料表面，会发生四种情况•很低能量的离子会从表面简单地反弹回来•能量小于10eV的离子会吸附于表面，以声子(热)形式释放出它的能量•能量大于10kev时，离子穿过许多原子层的距离，深入到衬底里，释放出大多数的能量，在这些地方，它改变了衬底的物理结构，在离子注入中，这类高能量比较常见•在上述两种极端情况之间，有两种能量传递机制同时发挥作用，一部分离子能量以热的形式放出，剩下的部分造成衬底材料的物理再排列•在这样低的能量下，表面的核阻止是相当有效的，大多数能量传递发生在几个原子层内，此时，衬底原子和原子团将从衬底表面发射出来•从阴极逸出的原子和原子团带有能量10～50eV，这差不多是蒸发工艺原子能量的100倍，这种增加的能量使溅射原子的表面迁移率增加，与蒸发相比，改善了台阶覆盖•对于典型的溅射能量，溅出材料的95％左右是原子形貌和台阶覆盖•溅射工艺在微电子领域最常见的应用是淀积集成电路金属互连层•一般这些层覆盖在像Si02那样的厚介质层上，为与器件连接，需先在Si02上刻蚀出孔•淀积薄膜工艺的关键要求是，即使覆盖在高纵横的结构上，薄膜也能保持合适厚度•覆盖典型的高纵横比接触孔的薄膜，在顶表面和上面的拐角处，淀积速率是高的，侧壁上的淀积速率比较适中，侧壁薄膜厚度向底部逐渐减小，在台阶底角处，可以产生明显的凹口或裂纹•除非加热衬底，否则这种趋势随着图形的纵横比增加而增大•与蒸发薄膜比较，即使低温溅射的薄膜，也有较好的台阶覆盖，其原因是有较高的压力和较高的淀积原子的入射能量。在孤立台阶的边缘，由于有增大的视角因子，淀积膜趋向于形成尖端或凸起