Thin-Film-Process-Introduction

2020年6月6日ThinFilmProcessIntroductionOutline2薄膜工艺概括PVD工艺原理与应用CVD工艺原理与应用热氧化工艺原理与应用WWThinFilmProcessOverview薄膜在集成电路中的应用N-WellP-WellP+N+N+P+LiningOxideDryoxidation1000C/200AGateOxidePolySiGateLPCVDU-Poly620C/2KASpacerLPCVDTEOS700C/150A+LPCVDSi3N4680C/300ARemovedlayers:Thermalpadoxide920C/110ALPCVDAASi3N4780C/1625ASacoxide920C/110A薄膜在集成电路中的应用ThinFilmProcessOverview5金属薄膜：功能：电极，互连，功函数层；种类：Al，Ti，TiN，W，WN,Cu，Ta，TaN，Silicide半导体薄膜：功能：有源层，电极，互连；种类：单晶硅，Poly-Si，a-Si,SiGe;绝缘体薄膜：功能：介质层，隔离层，钝化层；种类：SiO2，Si3N4，SiON，BPSG,HighK，LowK；薄膜制程?通过物理或化学的方法在衬底上淀积一层单原子到几微米厚的固体物质的过程.ThinFilmProcessOverviewThinFilmProcessOverview薄膜的制作方法?1.CVDChemicalVaporDeposition化学气相沉积（PECVD,HDPCVD,LPCVD,APCVD,SAPCVD,MOCVD,EPI，ALD）可以沉积金属,非金属,半导体各种类型的薄膜..2.PVDPhysicalVaporDeposition物理气相沉积（真空蒸镀（热蒸发，E-Beam）溅射（RF,DC,磁控,反应）,离子镀）理论上可以沉积各种薄膜,比较常用的是金属薄膜.3.Electro-ChemicalPlating电镀/化学镀可以沉积多种薄膜,在IC行业主要是镀Cu,Au.用在Cu互连和封装.沉积法：外来物质淀积于基底表面形成薄膜生长法：外来物质与基底材料表面发生反应生成；热氧化（Furnace，ISSG）7薄膜颗粒薄膜厚度均匀性薄膜的纯度薄膜的密度，致密性薄膜台阶覆盖/高深宽比孔隙能力（SEM，TEM）薄膜成分配比，结构（FTIR，XRF，XRD）应力控制电学性质（电阻，介电常数，击穿电压）衬底材料和薄膜粘附性光学性质（反射率，折射率）薄膜表面粗糙度（AFM）ThinFilmProcessOverview薄膜的一般特性与评估方法8薄膜的生长模型ThinFilmProcessOverview薄膜台阶覆盖/高深宽比孔隙能力由于线宽尺寸的缩小，对薄膜的台阶覆盖能力和空隙填充能力越来越高。ThinFilmProcessOverview真空系统10压强单位1Pa1bar1at1atm1Torr1psi帕斯卡（Pa）1=100000Pa=98066.5Pa=101325Pa≈133.322Pa≈6894.76Pa巴（bar）=0.00001bar1=0.980665bar=1.01325bar≈1.3332×10^−3bar≈68.948×10^−3bar工程大气压（at）≈10.197×10^−6at≈1.0197at1≈1.0332at≈1.3595×10^−3at≈70.307×10^−3at标准大气压（atm）≈9.8692×10^−6atm≈0.98692atm≈0.96784atm1≈1.3158×10^−3atm≈68.046×10^−3atm托（Torr）≈7.5006×10^−3Torr≈750.06Torr≈735.56Torr=760Torr1≈51.715Torr磅力每平方英寸(psi)≈145.04×10^−6psi≈14.504psi≈14.223psi≈14.696psi≈19.337×10^−3psi11牛顿/平方米1公斤力/平方厘米10牛顿/平方厘米规定为101.325kPa1mmHgThinFilmProcessOverviewVacuumPumpsandGaugesPVD制程对腔体真空度要求非常高，它对薄膜的性能有很大的影响。压力（Torr）1个大气压1Torr1mTorr1E-8(Torr)λ（cm）66.7nm4.72E-034.724.72E+0511ThinFilmProcessOverviewPhysicalVaporDeposition（PVD）PVD沉积的定义PVD沉积的特点PVD沉积的分类PVD沉积工艺的原理PVD沉积工艺的应用PhysicalVaporDeposition（PVD）PVD沉积的定义物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition,PVD)是指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到衬底表面上的过程。该过程的实现一般是在真空状态下实现PVD沉积的特点源物质经过物理过程进入气相;需要相对较低的气体压力环境;要使用固态的或者融化态的物质作为沉积过程的源物质；应用：金属薄膜的沉积（主要）介质薄膜的沉积PhysicalVaporDeposition（PVD）PVD的分类真空蒸发沉积(Evaporation)电阻式加热（热蒸发）电子束蒸发溅射沉积(Sputtering)直流溅射（DC-Sputter）射频溅射（RF-Sputter）磁控溅射（Reactive-Sputter)反应溅射(Magnetron–Sputter)PhysicalVaporDeposition（PVD）原理：在真空状态下，加热源材料，使原子或分子从源材料表面逸出从而在衬底上生长薄膜的方法。优点：设备简单、操作容易、成膜速率快缺点：薄膜与衬底附着力小、重复性不好，台阶覆盖差真空蒸发沉积(Evaporation)蒸发成膜过程（岛状生长）加热源材料，通常至熔点气化原子或分子从蒸发源向衬底输运飞到衬底上的原子或分子在表面凝结（成核）核再捕获到飞抵的原子分子或表面扩散原子分子（晶核长大）核与核合成而形成网络结构（晶粒合并）网络被填实即生成连续的薄膜（连续成膜）PhysicalVaporDeposition（PVD）薄膜厚度和质量的影响因素真空度：减少气体分子间碰撞，抑制蒸发分子与残余气体之间的反应；蒸发速率：单位时间内从蒸发源单位面积离开的分子/原子数；沉积速率：淀积速率正比于蒸发速率，快膜层结构松散，慢结构较紧密，但缺陷增加；衬底位置：薄膜的沉积速率与衬底和蒸发源距离平方成反比；衬底温度：高的衬底温度，易于排除衬底表面吸附的气体分子，使膜层在衬底上附着更牢，减少膜层的内应力，但容易被再次蒸发和形成大的晶粒。PhysicalVaporDeposition（PVD）原理：利用电流通过加热源时所产生的焦耳热来加热蒸发材料。优点：结构简单、装置便宜、操作方便、蒸发速率快、广泛用于Au、Ag、Cu、Ni等导体材料。缺点：坩埚或其它加热体以及支撑部件可能的污染，不适用于高纯或难容物质的蒸发。电阻加热蒸发装置PhysicalVaporDeposition（PVD）PhysicalVaporDeposition（PVD）原理：阴极产生的电子在电场加速下，获得足够的动能轰击处于阳极的蒸发材料，使之受热气化优点：a.电子束轰击能量密度高，可使熔点3000℃以上的材料熔化,可蒸发：W、Mo、Al2O3等；b.提高纯度：坩埚用水冷却，避免容器材料的污染及与蒸发材料的反应;c.热效率高，热量直接加在蒸发材料表面，热传导和热辐射损失少;缺点：a.化合物受轰击会分解;b.结构复杂、设备昂贵;c.电离气体分子，影响膜质量。E-beam蒸发装置利用石英晶体振荡频率的变化来测量薄膜的质量厚度，然后根据相应材料的密度转换显示为几何厚度。e+eee----+++++++e+-eAtom/molecule/radicalIonNegativeionElectronPlasmaintroduction19等离子体又称电浆,是物质第四态,占了整个宇宙的99%;PhysicalVaporDeposition（PVD）1.NeutralArgasentersintoPVDchamber2.ArbecomesenergizedionAr+byfreeelectronscreatedbyplasma3.EnergizedAr+ionsbombardthetargetsurface5.ReleasedMetalatomdepositsontowaferandformsathinfilm4.AtomicBondsarebrokenbyAr+sputterandmetalatomisreleasedNeutralArArion(Ar+)SputteredMetalSputteringBasics20腔体靶材晶圆PhysicalVaporDeposition（PVD）21工艺基本原理溅射三要素:Target,Gas,Plasma；轰击target气体，通常用Ar.(价廉，分子量较大。)溅射成膜溅射沉积薄膜主要由高能量粒子（通常为由电场加速的正电荷离子）对固态靶材表面进行撞击，使靶材表面的原子或分子（团）被撞击出来，进而结合或凝聚在基材上形成薄膜。PhysicalVaporDeposition（PVD）22工艺基本原理PhysicalVaporDeposition（PVD）Sputter腔体结构23PhysicalVaporDeposition（PVD）24工艺原理----RFPVD等离子体的产生：在两极之间不断振荡运动的电子将可从高频电场中获得足够的能量并使得气体分子电离，而由电极过程产生的二次电子对于维持放电的重要性相对下降。常用频率13.56MHz；溅射原理:在靶材上产生自偏压效应，这导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。(当靶处于正半周时，由于电子质量比离子质量小，故速率高，在很短时间内飞向靶面，中和其表面累积的正电荷，并在靶表面迅速累积大量电子，使靶材表面呈负电位，吸引正离子继续轰击靶表面产生溅射)RFPVD特点：1.高频电场可以耦合进入沉积室，而不再要求电极一定要是导体,适用于金属和非金属材料溅射沉积;2.射频溅射损伤相比直流溅射小;3.辐射大;PhysicalVaporDeposition（PVD）原理:在溅射装置中的靶材附近加入磁场，受洛伦磁力的影响,垂直方向分布的磁力线将电子约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，增加电子运动的路径，提高电子与气体分子的碰撞几率和电离过程。;特点:1.所需维持等离子体电压低;2.溅射效率高;3.不均匀刻蚀,使靶材利用率低;4.溅射损伤小;工艺原理----磁控溅射25PhysicalVaporDeposition（PVD）工艺原理----反应溅射DC/RFpowerMN“poisoned”layerMetalTarget++++Ar+N2gasplasmaArArArArMMWaferM+NreactiononwafersurfaceProcess：-Reactivegas(N2/O2)isaddedtotheplasmaandpoisonsthetargetwithaMNcompound.-ArgonsputterejectsTifromtheMNfilmonthetarget.-ChemicallyactiveMetalisthendepositedonthesubstrate.-NitrogenthenreactswiththedepositedMetalatomsonthewafertoformMN.-Reactivegasdecreasessputterrate。26PhysicalVaporDeposition（PVD）金属氮化物沉积OnlyAron,生长Ti；Ar,N2bothon,可沉积TiN；根据毒化程度：可以分为两种模