薄膜淀积工艺(下).ppt

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1、第五章 薄膜淀积工艺（下）薄膜淀积（Thin Film Deposition）工艺 概述 概述 真空技术与等离子体简介 真空技术与等离子体简介 化学气相淀积工艺 化学气相淀积工艺 物理气相淀积工艺 物理气相淀积工艺 小结 小结参考资料：参考资料：微电子制造科学原理与工程技术 微电子制造科学原理与工程技术第 第12 12章 章（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）四、物理气相淀积工艺 引言 引言 蒸发工艺 蒸发工艺 溅射工艺 溅射工艺（一）引言11、物理气相淀积物理气相淀积（PPhysical hysical VVapor apor DDepositione

2、position）技术：技术：蒸发 蒸发（Evaporation Evaporation）法 法 溅射 溅射（Sputtering Sputtering）法 法PVD PVD的特点：的特点：靶材料 靶材料 薄膜材料 薄膜材料22、在、在ICIC制造中，制造中，PVDPVD技术主要用于技术主要用于金属薄膜的制备金属薄膜的制备。蒸发的速率取决于：蒸发的速率取决于：(1)(1)离开 离开蒸气源的材料有多少；蒸气源的材料有多少；(2)(2)到达 到达硅片衬底的材料有多少 硅片衬底的材料有多少真空度一般要求高于 真空度一般要求高于10 10-5-5Torr Torr。（二）蒸发工艺介绍11、蒸发蒸发工艺

3、是最早出现的金属淀积工艺。工艺是最早出现的金属淀积工艺。22、蒸发工艺的淀积速率、蒸发工艺的淀积速率单位时间内通过单位面积表面的气体分（原）子数 单位时间内通过单位面积表面的气体分（原）子数其中，其中，P P是压强，是压强，M M是气体分（原）子质量 是气体分（原）子质量单位时间内坩锅内蒸气源材料质量的消耗速率 单位时间内坩锅内蒸气源材料质量的消耗速率其中，其中，Pe Pe是蒸气源的平衡蒸气压，是蒸气源的平衡蒸气压，T T是材料温度 是材料温度假设材料 假设材料温度近似为恒定 温度近似为恒定，同时，同时面积 面积A A恒定 恒定，则有：，则有：为一个固定量 为一个固定量1)1)通量密度：通量密

4、度：质量蒸发率：质量蒸发率：图 图12.2 12.2 常用材料的蒸气压曲线 常用材料的蒸气压曲线温度越高 温度越高，蒸气压越高。蒸气压越高。a.a.离开蒸气源的气体分子流 离开蒸气源的气体分子流 F F 当蒸气源近似为 当蒸气源近似为点源 点源时 时，气体分子流是 气体分子流是各向同性 各向同性的。的。当蒸气源近似为 当蒸气源近似为平面源 平面源时 时，气体分子流与夹角 气体分子流与夹角 有关。有关。此时，蒸气源正上方的硅片会得到更 此时，蒸气源正上方的硅片会得到更多的淀积薄膜。多的淀积薄膜。2)2)离开坩埚材料离开坩埚材料与与堆积在圆片表面材料堆积在圆片表面材料的的比值比值假设 假设：腔室真

5、空度足够 腔室真空度足够高 高，气体分子的相互碰撞可以被忽略，气体分子的相互碰撞可以被忽略，离开蒸气源的 离开蒸气源的气体分子以 气体分子以直线形式 直线形式运动到硅片表面 运动到硅片表面。图 图12.3 12.3 圆片淀积位置 圆片淀积位置b.b.到达圆片表面的材料 到达圆片表面的材料比例常数 比例常数为获得好的 为获得好的均匀性 均匀性，一般采，一般采用 用球形放置 球形放置方式，此时有：方式，此时有：k k为一个常数 为一个常数，保证了达到硅，保证了达到硅片表面各点的气体分子数相等，片表面各点的气体分子数相等，即淀积速率的 即淀积速率的均匀性 均匀性。考虑到到达圆片表面的部分正比于圆片所

6、对的立体角 考虑到到达圆片表面的部分正比于圆片所对的立体角3)3)淀积速率的公式：淀积速率的公式：其中，其中，是淀积材料的质量密度。是淀积材料的质量密度。R Rd d的单位是：的单位是：m/s m/s影响淀积速率的主要参数：影响淀积速率的主要参数：a.a.被蒸发 被蒸发材料本身 材料本身的性质 的性质b.b.淀积温度：淀积温度：温度越高，温度越高，Pe Pe越高 越高c.c.腔室和坩锅的 腔室和坩锅的几何形状 几何形状讨 论33、常用蒸发系统（加热器）常用蒸发系统（加热器）电阻加热蒸发、（电感）感应加热蒸发、电子束蒸发 电阻加热蒸发、（电感）感应加热蒸发、电子束蒸发加热 加热温度有限 温度有限

7、加热元件沾污 加热元件沾污提高蒸发温度 提高蒸发温度坩锅材料沾污 坩锅材料沾污只加热淀积材料 只加热淀积材料存在辐射损伤 存在辐射损伤1)1)薄膜的 薄膜的淀积速率：淀积速率：44、蒸发工艺的限制因素、蒸发工艺的限制因素图 图12.4 12.4 在高的淀积速 在高的淀积速率下材料平衡蒸汽压 率下材料平衡蒸汽压使坩埚正上方区域形 使坩埚正上方区域形成粘滞流，在坩埚顶 成粘滞流，在坩埚顶部上方 部上方10 10cm cm处形成 处形成虚 虚拟源 拟源2)2)淀积 淀积薄膜材料 薄膜材料的 的纯度 纯度高速率与均匀性的矛盾 高速率与均匀性的矛盾解决：解决：加热 加热硅片并进行 硅片并进行旋转 旋转。

8、当表面吸附原子移动率低时，阴影 当表面吸附原子移动率低时，阴影效应会造成严重的台阶覆盖问题。效应会造成严重的台阶覆盖问题。3)3)淀积薄膜的 淀积薄膜的台阶覆盖性 台阶覆盖性注意 注意：增加衬底温度要影响薄膜形貌，因此常用：增加衬底温度要影响薄膜形貌，因此常用蒸发后加 蒸发后加 离子束 离子束，使沉积层重新分布，使沉积层重新分布图 图12.10 12.10 蒸发多成分薄膜的方法示意图 蒸发多成分薄膜的方法示意图4)4)合金材料 合金材料与 与多组分复合材料薄膜 多组分复合材料薄膜的淀积 的淀积b.b.当合金材料的 当合金材料的蒸气压不同 蒸气压不同时，采用 时，采用多源同时蒸发；多源同时蒸发；

9、c.c.当进行 当进行多成分薄膜淀积 多成分薄膜淀积时，采用 时，采用多源按次序蒸发 多源按次序蒸发。a.a.当合金材料的 当合金材料的蒸气压相近 蒸气压相近时，一般采用 时，一般采用单源蒸发 单源蒸发；（三）溅射工艺介绍1 1、溅射 溅射概述 概述2)2)溅射 溅射工艺 工艺(相对于蒸发工艺 相对于蒸发工艺)的 的优势 优势：a.a.台阶 台阶覆盖性 覆盖性得到 得到改善 改善b.b.辐射缺陷 辐射缺陷远 远小 小于电子束蒸发 于电子束蒸发c.c.容易制备 容易制备难熔金属 难熔金属、合金材料 合金材料和 和复合材料 复合材料薄膜 薄膜。3)3)当靶材料是 当靶材料是化合物 化合物或 或合金

10、 合金时，淀积材料的化学配比与 时，淀积材料的化学配比与 靶材料的略微不同。靶材料的略微不同。当 当不同成分的 不同成分的溅射速率不同时 溅射速率不同时，靶表面积累更多溅射速率，靶表面积累更多溅射速率较低的材料，使得淀积薄膜的成分重新接近靶体材料 较低的材料，使得淀积薄膜的成分重新接近靶体材料IC IC制造中 制造中金属 金属材料的 材料的淀积 淀积1)1)溅射 溅射工艺的 工艺的用途 用途：22、溅射原理、溅射原理简单的直流溅射系统示意图 简单的直流溅射系统示意图 真空中充入的氩气 真空中充入的氩气 在电场下产生气体放电 在电场下产生气体放电（等离子体）（等离子体）高能 高能Ar Ar+轰击

11、靶材 轰击靶材（阴极）（阴极），使其表面原，使其表面原子剥离并 子剥离并淀积到对面阳 淀积到对面阳极（硅片）极（硅片）表面 表面气压范围：气压范围：1 1 100 100mTorr mTorr图 图12.12 12.12 离子入射到靶表 离子入射到靶表面时可能产生的结果 面时可能产生的结果(1)(1)带能离子 带能离子轰击 轰击靶表面 靶表面时，可能造成的结果：时，可能造成的结果：a.a.离子 离子能量很低时 能量很低时，被，被反弹回来 反弹回来；b.b.能量 能量小于 小于10 10 eV eV的离子被吸附在靶 的离子被吸附在靶 表面，以声子（热）形式释放能量；表面，以声子（热）形式释放能量

12、；c.c.能量 能量大于 大于10 10 keV keV的离子 的离子深入衬底 深入衬底，改变衬底的原子排列结构；改变衬底的原子排列结构；离子注入 离子注入d.d.当离子 当离子能量处于上述两者之间 能量处于上述两者之间，能量传递仅限于表面几层原子层，能量传递仅限于表面几层原子层，通过 通过断裂化学键使表面靶原子发 断裂化学键使表面靶原子发 射出来 射出来。溅射 溅射(2)(2)淀积速率与溅射产额 淀积速率与溅射产额a.a.影响 影响淀积速率 淀积速率的关键因素：的关键因素：入射离子流量 入射离子流量、溅射产额 溅射产额和 和溅射材料 溅射材料在腔室 在腔室的输运 的输运。溅射产额的定义：溅射

13、产额的定义：b.b.影响 影响溅射产额 溅射产额的关键因素：的关键因素：离子质量 离子质量、离子能量 离子能量、靶原子质量 靶原子质量和 和靶的结晶性能 靶的结晶性能等。等。注意：注意：对于每一种靶材料，都存在一个 对于每一种靶材料，都存在一个能量阈值 能量阈值，低于该值，低于该值 则不发生溅射。则不发生溅射。10 10 30 30eV eV 当能量较低时，当能量较低时，溅射 溅射 产额随能量的 产额随能量的平方增 平方增 加 加，至，至100 100eV eV左右；左右；此后，此后，溅射产额随能 溅射产额随能 量线性增加，至 量线性增加，至750 750eV eV 左右；左右；此后，此后，溅

14、射产额基本 溅射产额基本 不变 不变，直至发生离子，直至发生离子 注入。注入。图 图12.13 12.13 溅射产额与 溅射产额与离子能量的关系 离子能量的关系图 图12.14 12.14 4-15 4-15keV keV离子射向银、铜、钽靶时，溅射产额与离子原子序数的关系 离子射向银、铜、钽靶时，溅射产额与离子原子序数的关系(3)(3)高密度磁控溅射 高密度磁控溅射通过增加一个 通过增加一个与电场方向垂直的磁场 与电场方向垂直的磁场，可使等离子体中的电子，可使等离子体中的电子螺旋式运动 螺旋式运动，增加与气体分子的碰撞几率而，增加与气体分子的碰撞几率而提高等离子体密度 提高等离子体密度。等离

15、子体密度可由 等离子体密度可由0.0001%0.0001%增加到 增加到0.03%0.03%。图 图12.18 12.18 S-Gun S-Gun溅射靶示意图 溅射靶示意图33、溅射薄膜形貌与台阶覆盖、溅射薄膜形貌与台阶覆盖靶原子 靶原子被溅射出来 被溅射出来 多次 多次碰撞 碰撞 达到硅片表面被 达到硅片表面被吸附 吸附 沿表面 沿表面扩散 扩散，原子之间 原子之间碰撞结合成核 碰撞结合成核 形成 形成岛状区域 岛状区域 岛互相连接成 岛互相连接成连续薄膜 连续薄膜图 图12.20 12.20 薄膜淀积的 薄膜淀积的区域模型 区域模型(1)(1)区域模型 区域模型a.a.原子能量低，衬底温

16、原子能量低，衬底温 度低时 度低时，1 1区：区：无定 无定 形态 形态b.b.随 随气压降低 气压降低，衬底温 衬底温 度升高 度升高，T T区：区：小晶 小晶 粒，高反射率 粒，高反射率c.c.进一步提高衬底温度 进一步提高衬底温度 或 或轰击能量 轰击能量，2 2区、区、3 3 区：区：大晶粒，表面粗糙 大晶粒，表面粗糙(2)(2)溅射薄膜的台阶覆盖性 溅射薄膜的台阶覆盖性a.a.台阶形貌与 台阶形貌与表面扩散 表面扩散、气相分子平均自由程 气相分子平均自由程的关系 的关系不均匀覆盖，不均匀覆盖，台阶 台阶顶部有拱形突起 顶部有拱形突起完全保形的 完全保形的均匀覆 均匀覆盖 盖不均匀覆盖

17、 不均匀覆盖，台阶，台阶侧壁 侧壁下方 下方及台阶 及台阶底 底部薄 部薄b.b.溅射法形成的 溅射法形成的台阶形貌 台阶形貌虽 虽优于蒸发法 优于蒸发法，但，但不如 不如CVD CVD法 法。I)I)衬底加热 衬底加热溅射。溅射。II)II)在硅片 在硅片衬底上加 衬底上加RF RF偏压 偏压，圆片被高，圆片被高 能离子轰击，使溅射材料再淀积。能离子轰击，使溅射材料再淀积。溅射金属原子 溅射金属原子 离子化 离子化 定向入射到硅片表面 定向入射到硅片表面图 图12.21 12.21 接触孔处台阶覆盖随时间 接触孔处台阶覆盖随时间增加而变化的示意图 增加而变化的示意图c.c.改善措施：改善措施

18、：VI)VI)离化金属等离子体淀积（离化金属等离子体淀积（IMP IMP，Ionized Metal Plasma Deposition Ionized Metal Plasma Deposition）。）。III)III)强迫填充 强迫填充溅射。溅射。IV)IV)准直 准直溅射。溅射。强迫填充 强迫填充法示意图 法示意图图 图12.23 12.23 准直溅射法：在接近硅片处放置准直器，准直溅射法：在接近硅片处放置准直器，以增加离子入射的定向性。以增加离子入射的定向性。44、常用溅射工艺、常用溅射工艺(1)(1)金属薄膜：金属薄膜：采用 采用磁控直流溅射 磁控直流溅射；介质薄膜：介质薄膜：采用

19、 采用RF RF溅射 溅射(2)(2)溅射前预清洗工艺：溅射前预清洗工艺：采用 采用RF RF等离子体 等离子体，Ar Ar+离子轰击硅片 离子轰击硅片 表面，去除自然氧化层 表面，去除自然氧化层(3)(3)合金材料的溅射：合金材料的溅射：合金靶 合金靶：薄膜组分受控于气相传输 薄膜组分受控于气相传输 多靶溅射 多靶溅射：调节各靶功率来改变淀积层组分：调节各靶功率来改变淀积层组分(4)(4)TiN TiN反应离子溅射：反应离子溅射：在 在N N气氛下进行 气氛下进行Ti Ti靶溅射，生成 靶溅射，生成TiN TiN。本章小结：薄膜淀积工艺 薄膜淀积工艺可分为 可分为化学气相淀积 化学气相淀积和

20、 和物理气相淀积 物理气相淀积两大类。两大类。化学气相淀积 化学气相淀积主要应用于 主要应用于介质材料 介质材料和 和半导体材料薄膜 半导体材料薄膜的 的 制备，其优势在于优良的台阶覆盖能力。制备，其优势在于优良的台阶覆盖能力。化学气相淀积 化学气相淀积的速率受 的速率受气相传输 气相传输和 和表面化学反应 表面化学反应的约束。的约束。采用 采用物理气相淀积 物理气相淀积可 可制备范围广泛的薄膜材料 制备范围广泛的薄膜材料，但在，但在IC IC 制造中主要用于 制造中主要用于金属层制备 金属层制备。随着 随着IC IC特征尺寸的不断缩小和深宽比提高，特征尺寸的不断缩小和深宽比提高，金属的 金属的CVD CVD 工艺 工艺成为今后发展的重点。成为今后发展的重点。11、对于蒸发工艺，选择高的淀积速率会带来那、对于蒸发工艺，选择高的淀积速率会带来那 些问题？些问题？22、请说明为什么溅射工艺的台阶覆盖性比蒸发、请说明为什么溅射工艺的台阶覆盖性比蒸发 法好，而比法好，而比CVDCVD法差？法差？课后作业