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1、1Chap5 Chap5 物理气相沉积物理气相沉积 PVDPVD是是以以物物理理方方式式进进行行薄薄膜膜淀淀积积的的一一种种技技术术。在在集集成成电电路路生生产产中中，金金属属薄薄膜膜在在欧欧姆姆接接触触、互互连连、栅栅电极和肖特基二极管等方面，都有很广泛的应用。电极和肖特基二极管等方面，都有很广泛的应用。PVDPVD有有 两两 种种 方方 法法：蒸蒸 镀镀 法法（EvaporationDeposition）和和溅溅镀镀法法（SputteringDeposition）。前前者者是是通通过过加加热热被被蒸蒸镀镀物物体体，利利用用被被蒸蒸镀镀物物体体在在高高温温（接接近近其其熔熔点点）时时的的饱饱
2、和和蒸蒸汽汽压压，进进行行薄薄膜膜淀淀积积，又又称称热热丝丝蒸蒸发发。后后者者是是利利用用等等离离子子体体中中的的离离子子，对对被被溅溅镀镀物物体体（又又称称离离子子靶靶）进进行行轰轰击击，使使气气相相等等离离子子体体内内具具有有被被溅溅镀镀物物体体的的粒粒子子（原原子子），这这些些粒粒子子淀积到硅晶体上形成溅镀薄膜，又称溅射。淀积到硅晶体上形成溅镀薄膜，又称溅射。2 蒸发：蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有子，淀积在晶片上。按照能量来源的
3、不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种 溅溅射射：真真空空系系统统中中充充入入惰惰性性气气体体，在在高高压压电电场场作作用用下下，气气体体放放电电形形成成的的离离子子被被强强电电场场加加速速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上3蒸蒸发发原原理理图图4 在薄膜淀积技术发展的最初阶段，蒸在薄膜淀积技术发展的最初阶段，蒸发法用的多。其优点：较高的淀积速率、发法用的多。其优点：较高的淀积速率、相对高的真空度、较高的薄膜质量。相对高的真空度、较高的薄膜质量。缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元化缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元化合金薄膜时组
4、分难以控制。合金薄膜时组分难以控制。溅射法优点：淀积多源化合金薄膜时，溅射法优点：淀积多源化合金薄膜时，化学成分容易控制、淀积的薄层与衬底化学成分容易控制、淀积的薄层与衬底附着性好等。附着性好等。溅射技术制备薄膜的技术已基本取溅射技术制备薄膜的技术已基本取代真空蒸发法。代真空蒸发法。55.1真空蒸发法制备薄膜的基本原理真空蒸发法制备薄膜的基本原理 蒸蒸发发：材材料料的的温温度度低低于于熔熔化化温温度度时时，产产生生蒸蒸气气的的过过程程，称称为为升升华华，而而熔熔化化时时产生蒸气的过程称为蒸发。产生蒸气的过程称为蒸发。热蒸发：热蒸发：蒸发材料，使其原子或分蒸发材料，使其原子或分子蒸发，又称。子蒸
5、发，又称。6真空知识：真空知识：PVD一般是以单质的固体材料一般是以单质的固体材料为源，然后设法将它变为气态，再在衬底表面为源，然后设法将它变为气态，再在衬底表面淀积而成薄膜。当一个系统中残留淀积而成薄膜。当一个系统中残留1Pa的空气的空气时，由理想气体状态方程可以计算出，在室温时，由理想气体状态方程可以计算出，在室温下，每立方厘米空间约有下，每立方厘米空间约有2.4*1014个气体分子。个气体分子。这些气体分子不仅严重妨碍了铝、金、铬等金这些气体分子不仅严重妨碍了铝、金、铬等金属蒸发分子由源向衬底的降落淀积，而且使每属蒸发分子由源向衬底的降落淀积，而且使每立方厘米衬底表面每秒钟要遭受到立方厘
6、米衬底表面每秒钟要遭受到1018个空气个空气分子的撞击，这个数值已远远超出了金属淀积分子的撞击，这个数值已远远超出了金属淀积膜的原子密度，这些物质夹在薄膜中，必然会膜的原子密度，这些物质夹在薄膜中，必然会破坏薄膜的成分与质量。所以，破坏薄膜的成分与质量。所以，PVD法要求正法要求正式淀积之前，必须彻底地抽除淀积室内的残留式淀积之前，必须彻底地抽除淀积室内的残留气体，即在低气压（又称本底真空度）下，才气体，即在低气压（又称本底真空度）下，才能开始淀积。能开始淀积。7本底真空度，依据淀积方法，淀积物性本底真空度，依据淀积方法，淀积物性质而异。如蒸铝要比蒸金要求更低的本质而异。如蒸铝要比蒸金要求更低
7、的本底真空度。这是因为铝易被氧化之故。底真空度。这是因为铝易被氧化之故。真空度越高，淀积室内气体分子越少，真空度越高，淀积室内气体分子越少，使得蒸发材料的原子或分子所走的路程使得蒸发材料的原子或分子所走的路程就越长。就越长。通常我们把大量原子或分子，两次通常我们把大量原子或分子，两次间碰撞自由飞行的平均长度称为原子或间碰撞自由飞行的平均长度称为原子或分子的平均自由程（分子的平均自由程（L)。8 原子的平均自由程与气体压强成反比。也就原子的平均自由程与气体压强成反比。也就是说，是说，P越低，则越低，则L就越大。例如当就越大。例如当P=1mmHg时，时，L=5*10-5cm;P=10-6mmHg时
8、，时，L=5000cm。这就是要想源材料的原子或分子所走的路程越这就是要想源材料的原子或分子所走的路程越长，就必须将淀积室抽成高真空。生产上常用长，就必须将淀积室抽成高真空。生产上常用的是的是10-510-6mmHg，而蒸发源到衬底的距离，而蒸发源到衬底的距离大约在大约在1030cm之间，即平均自由程远远大于之间，即平均自由程远远大于源到衬底的距离，当源分子或原子从源材料脱源到衬底的距离，当源分子或原子从源材料脱离以后，就可以直线形式射到衬底上。当然这离以后，就可以直线形式射到衬底上。当然这不是绝对的，碰撞肯定也有的，只不过这种碰不是绝对的，碰撞肯定也有的，只不过这种碰撞几率小到可以忽略不计。
9、撞几率小到可以忽略不计。9一、真空蒸发设备一、真空蒸发设备三大部分三大部分（1 1）真空系统：为蒸发过程提供真空环境）真空系统：为蒸发过程提供真空环境（2 2）蒸蒸发发系系统统：放放置置蒸蒸发发源源，以以及及加加热热和和测测温装置。温装置。（3 3）基基板板及及加加热热：放放置置衬衬底底，对对衬衬底底加加热热装装置及测量装置。置及测量装置。真空蒸发法过程真空蒸发法过程：（1 1）加热蒸发过程加热蒸发过程（2 2）气气化化原原子子或或分分子子在在蒸蒸发发源源与与基基片片之之间间的输运过程的输运过程（3 3）被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积）被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程过程10蒸蒸发发
10、原原理理图图11二、汽化热和蒸汽压二、汽化热和蒸汽压三、真空度与分子平均自由程三、真空度与分子平均自由程四、多组成薄膜的蒸发方法四、多组成薄膜的蒸发方法单源蒸发法：单源，合金溶液单源蒸发法：单源，合金溶液多源同时蒸发法：多坩埚，同时蒸发多源同时蒸发法：多坩埚，同时蒸发多源顺序蒸发法：多坩埚，按顺序蒸发多源顺序蒸发法：多坩埚，按顺序蒸发125.2 5.2 蒸发源蒸发源1.1.电阻加热源电阻加热源利利用用电电流流通通过过加加热热源源时时所所产产生生能能够够的的焦焦耳耳热热来来蒸蒸发材料。发材料。蒸发中出现的质量问题：蒸发中出现的质量问题：（1 1）铝层厚度控制不合适）铝层厚度控制不合适铝铝层层厚厚
11、度度是是蒸蒸铝铝工工艺艺中中一一个个主主要要的的参参数数。太太薄薄，在在键键合合工工序序容容易易开开焊焊造造成成半半导导体体器器件件或或集集成成电电路路断断路路，严严重重影影响响成成品品率率。如如果果太太厚厚，电电极极图图形形看看不不清清，增增加加了了光光刻刻难难度度。腐腐蚀蚀时时间间一一长长，容容易易造造成脱胶，钻蚀现象。成脱胶，钻蚀现象。13（2 2）铝层表面氧化）铝层表面氧化 蒸铝后出现铝层发黄或发灰，这说明表面被氧蒸铝后出现铝层发黄或发灰，这说明表面被氧化及其他合金物出现，杨画册铝层化及其他合金物出现，杨画册铝层 不仅难以光刻不仅难以光刻核键合，而且影响器件性能。核键合，而且影响器件性
12、能。造成铝层氧化有以下原因：造成铝层氧化有以下原因：1 1）钨丝纯度不够，杂质含量太多或清洁处理得）钨丝纯度不够，杂质含量太多或清洁处理得不够；不够；2 2）真空度低或真空零件不干净；）真空度低或真空零件不干净；3 3）蒸发时挡板打开的过早，即在，铝溶液表面）蒸发时挡板打开的过早，即在，铝溶液表面的氧化层还未去掉时就开始蒸发。因而把赃物也的氧化层还未去掉时就开始蒸发。因而把赃物也蒸发上去了；蒸发上去了；4 4）衬底加热温度较高，并且取片过快；）衬底加热温度较高，并且取片过快；5 5）扩散泵抽气率不高，在蒸发时，各部分加热）扩散泵抽气率不高，在蒸发时，各部分加热后放出的气体未及时抽走；后放出的气
13、体未及时抽走；6 6）真空系统中出现慢性漏气。）真空系统中出现慢性漏气。142.2.电子束蒸发源电子束蒸发源(1)(1)基基于于电电子子在在电电场场作作用用下下，获获得得动动能能轰轰击击处处于阴极的蒸发材料，使蒸发材料加热气化。于阴极的蒸发材料，使蒸发材料加热气化。(2)(2)电子束蒸发的优点：电子束蒸发的优点：l l膜纯度高，钠离子玷污少膜纯度高，钠离子玷污少l l光刻腐蚀方便光刻腐蚀方便l l镀膜层均匀镀膜层均匀l l节约大量钨丝和铝源节约大量钨丝和铝源l l应用范围广应用范围广l l铝膜晶粒致密均匀铝膜晶粒致密均匀153.3.激光加热源激光加热源利利用用高高功功率率的的连连续续或或脉脉冲
14、冲激激光光作作为为能能源源对蒸发材料进行加热。对蒸发材料进行加热。4.4.高频感应加热蒸发源高频感应加热蒸发源通过高频感应对装有蒸发材料的坩埚进通过高频感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热。行加热。165.3 5.3 气体辉光放电气体辉光放电 溅溅射射：具具有有一一定定能能量量的的入入射射离离子子在在对对固固体体表表面面轰轰击击时时，入入射射离离子子在在与与固固体体表表面面原原子子的的碰碰撞撞过过程程中中将将发发生生能能量量和和动动量量的的转转移移，并并能能将将固固体体表表面面的原子溅射出来。的原子溅射出来。基础是辉光放电。基础是辉光放电。1.1.直流辉光放电直流辉光放电2.2.辉光放电中的碰撞过
15、程辉光放电中的碰撞过程 弹性碰撞：弹性碰撞：非弹性碰撞：非弹性碰撞：（1 1）电电离离过过程程；（2 2）激激发发过过程程；（3 3）分分解解反应反应3.3.射频辉光放电射频辉光放电175.4 5.4 溅射溅射 溅溅射射是是利利用用等等离离子子体体中中的的离离子子，对对被被溅溅射射物物体体电电极极进进行行轰轰击击，使使气气相相等等离离子子体体内内具具有有被被溅溅射射镀镀物物的的粒粒子子，使使其其淀淀积积到到硅硅片片表表面面并并形形成成薄薄膜膜的的一一种种方方法法，因因此此将将高高纯纯粒粒子子从从某某种种物物质质的的表表面撞击出原子的物理过程叫溅射。面撞击出原子的物理过程叫溅射。溅射是目前大规模
16、集成电路制造中溅射是目前大规模集成电路制造中应用得最广泛的一种镀膜方法，它可以应用得最广泛的一种镀膜方法，它可以用来淀积不同的金属，包括铝、铝合金、用来淀积不同的金属，包括铝、铝合金、钛、钨钛合金。钛、钨钛合金。18溅射具有以下优点：溅射具有以下优点：）可可在在一一个个面面积积很很大大的的靶靶子子上上进进行行，这这样样解解决决了大尺寸硅片淀积铝膜厚度均匀性的问题了大尺寸硅片淀积铝膜厚度均匀性的问题）在在选选定定的的工工作作条条件件下下，膜膜厚厚容容易易控控制制，只只要要调节时间就可得到所需厚度调节时间就可得到所需厚度3 3）溅溅射射淀淀积积薄薄膜膜的的合合金金，成成分分要要比比蒸蒸发发容容易易
17、控控制制4 4）改变加在硅片上的偏压和温度，可以控制薄）改变加在硅片上的偏压和温度，可以控制薄膜的许多重要性能，如台阶覆盖和晶粒结构等。膜的许多重要性能，如台阶覆盖和晶粒结构等。5 5）在溅射之前进行预溅射，做一番清洁处理，）在溅射之前进行预溅射，做一番清洁处理，这样可以获得质量更好的薄膜。这样可以获得质量更好的薄膜。19一、溅射特性一、溅射特性1.1.溅溅射射阈阈值值：1030ev1030ev取取决决于于靶靶材料材料2.2.溅溅射射率率：被被溅溅射射出出来来的的原原子子数数与与入入射射离离子子数数之之比比，其其大大小小于于入入射射离离子的能量、种类、靶材料的种类等有关。子的能量、种类、靶材料
18、的种类等有关。3.3.溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速度 有有5 5个特点个特点20二、溅射方法二、溅射方法 1.1.直直流流溅溅射射：溅溅射射率率低低，靶靶材材料料有有较较好好导导电电性性时时可可以以很很方方便便的的溅溅射射淀淀积积各各类类金金属属薄膜。薄膜。2.2.射射频频溅溅射射：导导电电性性很很差差的的非非金金属属材料的溅射。材料的溅射。3.3.磁磁控控溅溅射射：店店家家速速率率较较高高，工工作作气气体体压压力力较较低低，薄薄膜膜质质量量好好，是是目目前前应应用用最最广广泛的一种溅射淀积方法。泛的一种溅射淀积方法。4.4.反反应应溅溅射射：在在淀淀积积同同时时形形成成化化合合物。
19、物。5.5.偏偏压压溅溅射射：在在一一般般溅溅射射基基础础上上，加加一一定定偏偏置置电电压压在在衬衬底底与与靶靶材材料料之之间间，改改变变入入射到衬底表面的带电粒子的数量和能量。射到衬底表面的带电粒子的数量和能量。21 6.6.接接触触孔孔中中薄薄膜膜的的溅溅射射淀淀积积：带有准直器。带有准直器。7.7.长长投投准准直直溅溅射射技技术术：不不用用准准直直器器便便能改善接触孔底部覆盖效果的溅射技术。能改善接触孔底部覆盖效果的溅射技术。需要解决的问题：需要解决的问题：1 1）溅溅射射会会导导致致反反应应室室室室壁壁表表面面凝凝结结靶靶材料的原子，从而形成污染；材料的原子，从而形成污染；2 2）远远离离硅硅片片中中心心的的通通孔孔存存在在台台阶阶覆覆盖盖的不对称性；的不对称性；3 3）在低压下获得等离子体比较困难。）在低压下获得等离子体比较困难。22总结：总结：概念，分类；概念，分类；2.真空蒸发概念，过程；真空蒸发概念，过程；3.汽化热，饱和蒸汽压；汽化热，饱和蒸汽压；4.目前对蒸发法加热方式有几种；目前对蒸发法加热方式有几种；5.溅射概念，其基础是什么；溅射概念，其基础是什么；6.溅射的用途；溅射的用途；7.溅射方法有几种，接触孔中薄膜的溅射溅射方法有几种，接触孔中薄膜的溅射淀积方法。淀积方法。