第六章物理气相淀积.

1第六章物理气相淀积2基本上，集成电路是由数层材质不同的薄膜组成，而使这些薄膜覆盖在硅晶片上的技术，便是所谓的薄膜沉积及薄膜成长技术－－薄膜淀积淀积：就是指薄膜材料的沉积和生长等技术，指一种材料以物理方式沉积在晶圆表面上的工艺过程。所淀积的薄膜可以是导体、绝缘材料或者半导体材料。比如二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、多晶硅以及金属（Cu、W）3SiliconsubstrateOxide宽厚与衬底相比薄膜非常薄Figure11.4薄膜是指一种在衬底上生长的薄固体物质。如果一种固体物质具有三维尺寸，那么薄膜是指一维尺寸远远小于两外两维上的尺寸。4薄膜特性好的台阶覆盖能力填充高的深宽比间隙的能力好的厚度均匀性高纯度和高密度受控制的化学剂量高度的结构完整性和低的膜应力好的电学特性对衬底材料或下层膜好的黏附性在硅片加工中可以接受的薄膜，必须具备需要的膜特性。为了满足器件的性能，可以接受的薄膜一般具有如下特性5膜对台阶的覆盖我们期望薄膜在硅片表面上厚度一致，如果淀积的膜在台阶上过渡的变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或在器件中产生不希望的诱生电荷。膜的应力要尽可能的小，因为应力还可能导致衬底发生凸起或凹陷的变形。共形台阶覆盖非共形台阶覆盖均匀厚度6高的深宽比间隙可以用深宽比来描述一个小间隙（如槽或孔）深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值深宽比=深度宽度=21深宽比=500Å250Å500ÅD250ÅW高深宽比间隙难淀积均匀厚度的膜。随着集成电路特征尺寸的不断减小，对于高深宽比间隙的均匀、无空洞的填充淀积工艺显得至关重要。71.成核2.核的生长聚集成束，也称为岛生长3.连续的薄膜薄膜生长的步骤8连续的膜气体分子成核凝聚Substrate9淀积主要有两大类：化学气相淀积（ChemicalVaporDeposition：CVD）物理气相淀积（PhysicalVaporDeposition:PVD）包括蒸发、溅射区别在于：反应物的来源是否经过化学变化。10物理气相淀积（PVD）物理气相淀积(physicalvapordeposition)，简称PVD。是指在真空条件下，用物理的方法（即物质的相变过程），将材料汽化成原子、分子或使其电离成离子，并通过气相过程，在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜的技术。在集成电路中应用的许多金属薄膜或合金材料一般都采用PVD技术制备。11PVD技术的两种基本工艺蒸镀法(Evaporation)和溅镀法(Sputtering)蒸镀法（蒸发）：在真空的环境中，用电阻加热或电子束和激光轰击等方法把要蒸发的材料加热到一定温度，使材料中分子或原子的热振动能量超过表面的束缚能，从而使大量分子或原子蒸发或升华，并直接沉淀在基片上形成薄膜。溅镀法（溅射）：利用气体放电产生的正离子在电场作用下的高速运动轰击作为阴极的靶，使靶材中的原子或分子逸出来而沉淀到被镀材料的表面，形成所需要的薄膜。此技术一般使用氩等惰性气体，由在高真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后，可将靶材原子一个个溅击出来，并使被溅击出来的材质（通常为铝、钛或其合金）如雪片般沉积在晶圆表面。12物理气相淀积一般是以单质的固体材料作为源（如铝，金，铬等），然后设法将它变为气态，再在衬底表面淀积而成薄膜。VacuumchamberEvaporationMaterialSubstrateHeaterCloudSputteringMaterialSubstratePlasma13§6.1蒸发在半导体制造的早期，所有金属层都是通过蒸发PVD方法淀积的。为了获得更好的台阶覆盖、间隙填充和溅射速度，在70年代后期，在大多数硅片制造技术领域溅射已取代蒸发。蒸发由待蒸发的材料放进坩锅，在真空系统中加热并使之蒸发（见下图）14简单的蒸发装置机械泵高真空阀高真空泵工艺腔(钟罩)坩锅蒸发金属载片盘Figure12.1515（1）真空系统真空反应室，石英或不锈钢容器（2）蒸发系统放置蒸发源的装置（3）加热系统加热器、速率控制器真空蒸发系统组成16蒸发加热的主要方法：(1)电阻加热（铝,金,铬)(2)电子束加热（3000℃,难熔金属)(3)激光加热真空蒸发镀膜最常用的是电阻加热法，以电阻（灯丝、蒸发器）通过发热的原理来加热蒸镀原料，最高蒸发温度达1700℃其优点是加热源的结构简单，造价低廉，操作方便；缺点是不适用于难熔金属和耐高温的介质材料。17电子束加热和激光加热则能克服电阻加热的缺点。电子束加热：利用加速电子碰撞蒸发材料而使其蒸发。蒸发源配有电子腔，利用磁场或电场加速并聚焦电子束，使电子束聚集在蒸发材料的局部而形成加热束斑，束斑温度可达3000～6000℃。电子束的动能变成热能，使材料蒸发。激光加热是利用大功率的激光作为加热源，但由于大功率激光器的造价很高，目前只能在少数研究性实验室中使用。18常用的几种加热器形状丝状舟状坩埚19当系统内残留有1Pa的空气时，每立方厘米存在2.4×1014个气体分子。这些分子会阻碍淀积的金属蒸汽分子由源向衬底的降落淀积，所以PVD之前，必须衬底抽除淀积室内的残留气体，即在低气压开始淀积。真空状态下气体稀薄程度称为真空度，通常用压力值表示。1958年，第一界国际技术会议曾建议采用“托”(Torr)作为测量真空度的单位。国际单位制(SI)中规定压力的单位为帕(Pa)。我国采用SI规定。真空知识20真空度划分区域：粗真空：760～10Torr低真空：10～10－3Torr中真空：10－3～10－5Torr高真空：10－5～10－8Torr超高真空：10－8Torr以上即使在10－8Torr以上的超高真空系统中，也不能说完全没有气体分子，只是极少而已真空度常用毫米汞柱（mmHg）或托（Torr）来表示，也可以用帕（Pa）1托＝1mmHg＝1/760标准大气压（atm）1标准大气压＝760mmHg＝760Torr1mmHg＝1Torr＝133Pa21在真空蒸发工艺中，系统真空度是直接影响成膜质量的关键。为了使蒸发原子或分子能淀积在离开蒸发源一定距离的衬底上，真空室的真空度通常应优于6×10-2帕，制作铝膜需要在1×10-3帕以上，制作高纯薄膜须优于10-8帕。真空度测试用真空计22高真空的理由高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行。这是基于下达几个理由：(1)被蒸发的原子或分子在真空中的输运应该是直线运动，以保证被蒸发的原子或分子有效的淀积在衬底上。如果真空度很低，被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体的分子碰撞，使被蒸发的原子或分子的运动方向不断改变，很难保证被蒸发的原子或分子淀积在衬底上。(2)如果真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子或分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表面发生氧化。(3)系统中残余气体及所含质原子或分子也会淀积在衬底上，从而严重地影响了淀积薄膜的质量。23真空蒸发设备真空蒸发设备又称真空镀膜机MaterialSubstrateHeaterVacuumchamberCloud真空镀膜机种类不同，结构也不同，但是核心三大部分相同：真空镀膜室，抽气系统和测量系统24真空镀膜机由钟罩、蒸发源加热器、衬底加热器等部件组成钟罩有玻璃和金属两种，钟罩上有观察窗，以便随时观察蒸发情况2526蒸发操作过程（蒸铝膜）（a）挂铝丝（99.99%纯度），将硅片置于衬底加热器上，转动活动挡板，使之位于蒸发源与硅片之间，盖好钟罩。（b）抽真空：开动机械泵，打开低真空阀，待真空度高于1.3Pa后，关低真空阀，开高真空阀，转到用扩散泵抽高真空。（c）硅片加热：当真空度抽到6.710-3Pa后，开始加温，使衬底温度升到约400℃，恒温数分钟以除去硅片表面吸附的污物，然后降温。（d）蒸发：衬底温度降至150℃且真空度达到6.710-3Pa以上，逐步加热蒸发源使之熔化后附在钨丝上，先使铝中高蒸汽压杂质挥发掉（提高铝的纯度），然后迅速增大加热电流到一定值，打开挡板，使铝蒸发到硅片上。蒸发完毕转回挡板，并停止蒸发源加热。（e）取片：待硅片温度降至150℃以下，关闭高真空阀，关闭扩散泵电源，对真空室放气，打开钟罩，取出硅片。27汽化热真空蒸发系统个的能源(通常为热源)将蒸发源材料加热到足够高的温度、使其原子或分获得足够的能量，克服固相(或液相)的原子束缚而蒸发到真空个，并形成具有一定动能的气相原子或分子，这个能量就是汽化热ΔH。汽化热的主要部分是用来央克服凝聚相中原子间的吸引力，至于动能(3/2ΔT)所占的比例则很小。常用金属材料的汽化热每个原子近似为4eV的数量级，而在蒸发温度下的动能仅为0.2eV/原子左右。蒸发过程中的几个概念28蒸汽压和蒸发速率在一定的温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态平衡时所表现比来的压力称为该物质的饱和蒸汽压P。只有当环境中被蒸发物质的分压降到了它平衡时的饱和蒸汽压以下时，才可能有物质的净蒸发。在一定温度下，各种物质的饱和蒸汽压是不相同的，但具有恒定的数值。相反，一定的饱和蒸汽压必定对应一定的物质温度，已经规定在饱和蒸汽压为133.3×10-2Pa(1Torr＝133.3Pa)时的温度，称为该物质的蒸发温度。2930沉积膜的表面结构3132多组分薄膜的蒸发方法在集成电路制造工艺中，往往需要制备多组分薄膜。利用蒸发制备多组分薄膜的方法主要有以下三种(a)单源蒸发法、(b)多源同时蒸发法和(c)多源顺序蒸发法。33§6.2辉光放电§6.2.1辉光放电的物理过程气体原子的电离是辉光放电的关键，而电子与气体分子的非弹性碰撞是维持自持放电的主要机制。在非弹性碰撞中，可能发生许多不同的过程，其中最具代表性的是：(1)电离过程：e-+Ar→Ar++2e-这一过程是电子数目增加(2)激发过程：e-+O2→O2＊+e-使气体分子处于较高的激发态(3)分解反应：e-+CF4→CF3＊+F＊+e-在这一过程中分子被分解为两个反应基团，其化学活性将远高于原来的分子。除了电子外，中性原子、离子之间发成的碰撞过程也存在。各种各样的过程使对等离子体的描述十分复杂。34§6.2.2直流辉光放电(1)无放电区域ab(2)汤生放电区bc(3)辉光放电区ce(4)反常辉光放电区ef(5)电弧放电区fg35§6.2.3等离子体与等离子体鞘层放电击穿之后的气体具有一定的导电性，我们把这种具有一定导电能力的气体称为等离子体，等离子体是一种由正离子、电子、光子以及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气体，而且正、负带电粒的数目相等，宏观上呈现电中性的物质存在形态。不同的粒子具有相差极大的运动速率。其中电子与离子具有不同的直接后果就是在阴极和阳极表面附近形成所谓的等离子鞘层，即任何处于等离子体中的物体表面相对于等离子来说都呈现负电性，并在物体表面附近出现正电荷积累。E36§6.2.4射频辉光放电在一定气压下，当阴阳极之间所加交变电压的频率在射频范围(13.56MHz)时，就会产生稳定的射频解光放电．其特点足：(1)在射频电场中，因为电场周期性地改变方向，则带电粒子不容易到达电极和器壁而离开放电空间，这就相对地减少了带电粒子的损失。同时在两极之间不断振荡运动的电子可以从高频电场中获得足够的能量并使气体分子电离，只要有较低的电场就可以维持放电。另外，阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿的必要条件。而在直流放电中，离子对阴极碰撞所产生的二次电子发射对维持放电是不可忽略的。(2)射频电场可以通过任何一种类型的阻抗耦合进入淀积室，所以电极可以是导体，也可是绝缘体。由于这个特点、射频辉光放电在溅射技术中得到十分广泛的应用。射频放电的激发源有两种：一种是用高频电场直接激发的，称为E型放电；另一种是用高频磁场感应激发的，称为H型放电。37§6.3溅射溅射也是物理气相淀积形式之一，主要是一个物理过程，而非化学过程。在溅射过程中，高能粒子在撞击具有高纯度的靶材料固体平板，按物理过程撞击出原子。这些被撞击出的原子穿过真空，最后淀积在硅片上。386.3.1溅射工作原理溅射（sput