工艺原理之PVD(六)12

集成电路工艺原理北京大学微电子学系DepartmentofMicroelectronicsPekingUniversityJune12,2020第六章物理气相淀积§6.1真空蒸发制膜基本原理§6.2蒸发源§6.3气体辉光放电§6.4溅射§6.5PVD工艺的台阶覆盖薄膜淀积为了使器件与外部相连，需要淀积金属层并且进行图形化。实际上，当今复杂的IC包含多层（目前已达十几层）相互电隔离的金属层。在金属层之间需要淀积介质层以便实现电学隔离。在金属层间淀积薄膜还可以阻止金属间的互扩散，保护器件和电路免受污染。下面我们将介绍一些目前使用的淀积薄膜方法。薄膜淀积方法物理淀积：真空蒸发阴极溅射分子束外延化学淀积：液相淀积（电镀）气相淀积（CVD）物理气相淀积定义：利用物理过程实现源物质（原子或分子）转移到衬底（硅）表面上的过程基本方法：真空蒸发、溅射6.1.1真空蒸发设备6.1.2汽化热和蒸汽压6.1.3真空度与分子平均自由程6.1.4蒸发速率6.1.5淀积速率6.1.6多组分薄膜的蒸发方法§6.1真空蒸发制膜基本原理蒸发是一种应用较早而且简单直观的薄膜淀积方法。需要蒸发的材料被放在真空腔内，由电阻丝加热。以蒸发Al为例，一小段Al线被放在钨灯丝或蒸发舟上。需要淀积薄膜的衬底被放在真空腔内正对蒸发源的位置上。在真空条件下，对蒸发源加热，使蒸发材料蒸发。由于是在真空下，气压很低，蒸发的分子或原子可以不受阻碍地到达衬底表面并淀积成薄膜。一般来说，电阻丝蒸发会产生严重的污染。电子束蒸发是采用电子束来加热蒸发源，可以降低污染，但是产生的X射线会导致器件的退化。因此，在现代IC制造工艺线上很少采用蒸发来进行淀积，只有在对上述问题要求不高的简单器件制造中采用蒸发技术。概念：利用蒸发材料在高温时具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从源表面逸出，形成蒸汽流，再在衬底表面凝结成固态薄膜优点：设备简单，操作容易，成膜速率快、厚度控制比较精确，所得薄膜纯度较高缺点：薄膜与衬底附着力小，重复性不好，台阶覆盖差6.1.1真空蒸发设备组成部分1.真空系统：提供真空环境2.蒸发系统：放置蒸发源，对源加热及测温3.基板及加热系统：放置衬底（硅片），对衬底加热及测温蒸发过程：1.加热蒸发过程（对蒸发源加热至熔点）2.气化原子或分子在蒸发源及硅片间输运3.淀积过程（飞到衬底表面上的原子或分子在表面凝结、成核生长和成膜的过程）–飞到衬底表面上的原子或分子在其上移动能力弱–衬底表面温度低，到衬底表面立即成核–气相→固相蒸发的关键：高的真空环境如果真空度低–被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体分子碰撞，因此运动方向不断改变，很难保证淀积到衬底上，严重时难以形成均匀连续的薄膜–残余气体中的氧和水汽，将使源（金属）原子或分子在输运过程中氧化，同时也将使加热的衬底（硅）表面氧化–残余气体及所含杂质的原子或分子将淀积在衬底上，从而严重影响淀积薄膜的质量6.1.2汽化热（△H）和蒸汽压（P）汽化热△H△H：克服固相（或液相）的原子束缚蒸发到真气中形成自由（具有一定动能）原子或分子所需的能量（主要用于克服原子间“吸引力”，形成动能的比例小）常用金属：△H～4eV/原子；动能～0.1-0.2eV/原子饱和蒸汽压PP：一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态平衡时表现出的压力在被蒸发物质的分压降到饱和蒸汽压以下时才有净蒸发一定T下，不同材料的P不同，但一定材料的P恒定P＝10-2托（133.310-2Pa）的T为蒸发温度（淀积速率合适）。一般来说，要进行有效的蒸发淀积，蒸发源物质的蒸气压应达到一定值。对大多数常用金属，需加热到熔化之后难熔金属Ta、W、Mo、Ti的蒸发温度高，W在3000度下P＝10mTorr，而K在室温下就有高蒸汽压6.1.3真空度与分子平均自由程分子平均自由程：粒子两次碰撞之间飞行的平均距离＝kT/(21/2d2P)T：绝对温度d：气体分子直径P：气体压强P越小，越大。使残余气体的压强保持在足够低的水平，才能使源原子或分子的平均自由程远大于源位置与衬底位置之间的距离简单推导：碰撞次数p=d2Ln令p～1，则～L＝1/d2n考虑分子运动的严格结果：＝1/(21/2d2n)由理想气体定律：P＝nkT所以：＝kT/(21/2d2P)6.1.4蒸发速率直接关系薄膜的淀积速率影响蒸发速率的因素：温度、蒸发面积、表面清洁度、加热方式等–最大影响因素是蒸发源温度，因为温度越高，源物质的平衡蒸汽压越大（随温度上升增加很快）6.1.5淀积速率分子速率分布概率:p(v)=4[m/2kT]3/2v2exp(-mv2/2kT)v为分子速率m为分子质量vx=vy=vz=(2kT/m)1/2Jn=vxtSN/2tS=Nvx/2=(N2kT/2m)1/2=(1/2kTm)1/2P单位时间通过一个平面的气体分子数6.1.6多组分薄膜的蒸发方法单源蒸发法：按组分比例制成合金靶；要求合金靶中各组分材料的蒸汽压应该接近多源同时蒸发：用多个坩埚，在每个坩埚中放入一种材料，在不同温度下同时蒸发多源顺序蒸发：不同材料放在不同坩埚中，按顺序蒸发，并根据组分控制各层层厚，之后通过高温退火形成所需的多组分薄膜§6.2蒸发源6.2.1电阻加热源6.2.2电子束加热源6.2.3激光束加热源6.2.4高频感应加热源真空蒸发设备的主要差别表现在对蒸发源的加热方式上6.2.1电阻加热源利用电流通过加热源时所产生的焦耳热来加热蒸发材料特点：结构简单，价廉易制，操作方便，蒸发速率快分为两大类：直接加热源：加热体即为待蒸发材料的载体。主要加热体材料有钨、钼、钽、石墨间接加热源：耐高温的陶瓷材料、石墨作为坩锅对加热体材料的要求：1.熔点高。必须高于蒸发材料的蒸发温度（一般为1000℃~2000℃）2.饱和蒸气压低。以保证蒸发过程中具有最小的自蒸发量，从而不影响真空度、不对淀积薄膜造成污染3.化学性质稳定。高温下不与蒸发材料发生化学反应蒸发材料对加热体材料的“浸润性”–浸润性：面蒸发、蒸发稳定–不浸润：点蒸发，亲和差，容易脱落，如Ag在W上6.2.2电子束蒸发源电阻加热不能满足难熔金属和氧化物材料的蒸发，特别是不能满足实现高纯度的膜电子束加热是以动能电子轰击处于阳极的蒸法材料，使蒸发材料加热汽化电子束蒸发的优点：1.电子束轰击能量密度高，可使熔点在3000℃以上的材料熔化，可蒸发W、Mo、Ge、SiO2、Al2O3等；蒸发速率高2.高纯度淀积：容器用水冷却，避免容器材料的蒸发污染及与蒸发材料的反应3.热效率高：热量直接加在蒸发材料表面，且热传导和热辐射损失少电子束蒸发缺点：1.化合物受轰击会分解，对淀积薄膜的结构和性质产生影响2.一次电子和二次电子电离气体分子，影响膜质量3.结构复杂、设备昂贵4.加速高压产生软X射线分子束外延（MBE）设备中常使用这一种蒸发源6.2.3激光加热源用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料加热常用光源：连续输出的CO2激光器，波长10.6微米，在这个波长下，很多介质材料和半导体材料的吸收率高通常是将蒸发材料制成粉末以增加吸收，适于蒸发那些成份比较复杂的合金或化合物材料特点：①聚焦激光束功率密度高，可达106W/cm2以上，可蒸发任何高熔点材料。因此，对于淀积含有不同熔点材料的化合物薄膜，可保证成份比例②材料蒸发速率高，蒸发过程容易控制③激光束光斑小，局部加热材料，防止坩埚材料污染，提高淀积薄膜纯度④真空室内装置简单，容易获得高真空⑤大功率激光器昂贵，影响广泛应用6.2.4高频感应加热蒸发源由水冷高频线圈和石墨或陶瓷坩埚组成使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失（对铁磁体），致使蒸发材料升温，直至汽化蒸发特点：①可采用大坩埚，增加蒸发表面，所以蒸发速率大②蒸发源温度均匀、稳定，不易产生飞溅③温度控制精度高，操作较简单④大功率高频电源价格昂贵，同时需对高频电磁场进行屏蔽，防止外界电磁干扰§6.3气体辉光放电6.3.1直流辉光放电6.3.2辉光放电中的碰撞过程6.3.3射频辉光放电溅射过程都是建立在辉光放电的基础上，即射向固体表面的离子都是来源于气体放电6.3.1直流辉光放电放电类型–无光放电区（基于自然电离）–汤生放电区（a作用、g作用）–辉光放电区首先发生在阴极的边缘和不规则处；电流增加与有效放电面积增大相关；电流密度与阴极材料、形状以及气体种类、压强等有关–反常辉光放电区整个阴极均成为有效放电区域，即整个阴极全部由辉光（离子层）覆盖；电流增加与放电极板间电压升高相关；溅射选在反常辉光放电区–电弧放电非自持放电自持放电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，其中正、负带电粒子数相等的，宏观上呈现电中性的物质存在形态。具有一定导电性。辉光放电属于等离子体中粒子能量和密度较低、放电电压较高的一种类型，其特点是质量较大的重粒子，包括离子、原子和原子团的能量远远低于电子的能量，是一种非热平衡状态的等离子体。对于气压为1Pa左右的辉光放电等离子体来说•电子、离子和中性粒子的总密度为3104cm-3，而其中电子和离子只占万分之一左右•电子的平均动能约2eV，平均运动速度约9.5105ms-1，对应温度为23000K•离子和中性原子的能量只是电子能量的1%~2%左右，温度只有300~500K。对于Ar+离子和Ar原子，平均速度只有5102ms-1•在整个放电过程中，电子充当着主要的导电和碰撞电离作用等离子鞘层——自偏压效应•电子与离子具有不同速度的一个直接后果•任何浸没于等离子体中的物体，包括阴极和阳极，其表面相对于等离子体都呈负电位，因此在其表面附近形成一个积累吸引正离子、排斥电子的等离子鞘层•鞘层厚度依赖于电子的密度和温度，典型值~100mm•在鞘层中，电子密度较低，因而碰撞电离率较小而成为暗区•阴、阳极间的电压几乎都降落在鞘层区域，而等离子体内的电势为常数•由于外电场的叠加，阴极鞘层加大，阳极鞘层减小6.3.2辉光放电中的碰撞过程等离子体中高速运动的电子与其它粒子的碰撞是维持气体放电的主要微观机制。更准确地说，电子与其它粒子的非弹性碰撞是维持自持放电的主要机制非弹性碰撞中可能发生许多不同过程：①电离过程，如e-+Ar→Ar++2e-这一过程使电子数目增加，从而使放电得以持续。其反过程称为复合②激发过程，如e-+O2→O2＊+e-其中星号表示相应的粒子已处于能量较高的激发态③分解反应，如e-+CF4→CF3＊+F＊+e-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中性原子、离子之间的碰撞过程也同时发生6.3.3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（5~30MHz，如13.56MHz），会产生稳定的射频辉光放电特点：①在周期性射频电场中，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②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③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，也可以是绝缘体。据此，射频辉光放电在溅射技术中得到广泛应用射频放电激发源：高频电场直接激发（E型放电）；高频磁场感应激发（H型放电）§6.4溅射6.4.1概念6.4.2溅射特性6.4.3溅射方法6.4.1概念溅射：获得加速的离子轰击固体靶材表面时，通过表面原子碰撞，发生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出的过程溅射的应用：–制备薄膜，即飞溅出的靶材原子淀积在衬底材料上–清洁固体表面（反溅）与蒸发的不同之处：发生动量转移，打出的原子的动能大（10~50eV，而蒸发出的原子的动能只有0.1~0.2eV），有方向性。因此淀积时在衬底表面上有较大的迁移能力，成膜与衬底有更