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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 真空技术与等离子体简介 化学气相淀积工艺 物理气相淀积工艺 小结,参考资料：微电子制造科学原理与工程技术第12章（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 蒸发工艺 溅射工艺,（一）引言,1、物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）技术：,蒸发（Evaporation）法 溅射（Sputtering）法,PVD的特点：,靶材料,薄膜材料,2、在IC制造中，PVD技术主要用于金属薄膜的制备。,蒸发的速率取决于：,(1)离开蒸气源的材料有多少；(2)到达硅片
2、衬底的材料有多少,真空度一般要求高于10-5Torr。,（二）蒸发工艺介绍,1、蒸发工艺是最早出现的金属淀积工艺。,2、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,其中，P是压强，M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,其中，Pe是蒸气源的平衡蒸气压，T是材料温度,假设材料温度近似为恒定，同时面积A恒定，则有：,为一个固定量,1)通量密度：,质量蒸发率：,图12.2 常用材料的蒸气压曲线,温度越高，蒸气压越高。,a.离开蒸气源的气体分子流 F,当蒸气源近似为点源时，气体分子流是各向同性的。当蒸气源近似为平面源时，气体分子流与夹角有关。,此时，蒸气
3、源正上方的硅片会得到更多的淀积薄膜。,2)离开坩埚材料与堆积在圆片表面材料的比值,假设：腔室真空度足够高，气体分子的相互碰撞可以被忽略，离开蒸气源的气体分子以直线形式运动到硅片表面。,图12.3 圆片淀积位置,b.到达圆片表面的材料比例常数,为获得好的均匀性，一般采用球形放置方式，此时有：,k为一个常数，保证了达到硅片表面各点的气体分子数相等，即淀积速率的均匀性。,考虑到到达圆片表面的部分正比于圆片所对的立体角,3)淀积速率的公式：,其中，是淀积材料的质量密度。Rd的单位是：m/s,影响淀积速率的主要参数：,a.被蒸发材料本身的性质b.淀积温度：温度越高，Pe越高c.腔室和坩锅的几何形状,讨
4、论,3、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,加热温度有限加热元件沾污,提高蒸发温度坩锅材料沾污,只加热淀积材料存在辐射损伤,1)薄膜的淀积速率：,4、蒸发工艺的限制因素,图12.4 在高的淀积速率下材料平衡蒸汽压使坩埚正上方区域形成粘滞流，在坩埚顶部上方10cm处形成虚拟源,2)淀积薄膜材料的纯度,高速率与均匀性的矛盾,解决：加热硅片并进行旋转。,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。,3)淀积薄膜的台阶覆盖性,注意：增加衬底温度要影响薄膜形貌，因此常用蒸发后加 离子束，使沉积层重新分布,图12.10 蒸发多成分薄膜的方法示意图,4)合
5、金材料与多组分复合材料薄膜的淀积,b.当合金材料的蒸气压不同时，采用多源同时蒸发；c.当进行多成分薄膜淀积时，采用多源按次序蒸发。,a.当合金材料的蒸气压相近时，一般采用单源蒸发；,（三）溅射工艺介绍,1、溅射概述,2)溅射工艺(相对于蒸发工艺)的优势：,a.台阶覆盖性得到改善b.辐射缺陷远小于电子束蒸发c.容易制备难熔金属、合金材料和复合材料薄膜。,3)当靶材料是化合物或合金时，淀积材料的化学配比与 靶材料的略微不同。,当不同成分的溅射速率不同时，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,IC制造中金属材料的淀积,1)溅射工艺的用途：,2、溅射原理,简单的直流溅射
6、系统示意图,真空中充入的氩气 在电场下产生气体放电（等离子体）高能Ar+轰击靶材（阴极），使其表面原子剥离并淀积到对面阳极（硅片）表面,气压范围：1100mTorr,图12.12 离子入射到靶表面时可能产生的结果,(1)带能离子轰击靶表面时，可能造成的结果：,a.离子能量很低时，被反弹回来；b.能量小于10 eV的离子被吸附在靶 表面，以声子（热）形式释放能量；c.能量大于10 keV的离子深入衬底，改变衬底的原子排列结构；,离子注入,d.当离子能量处于上述两者之间，能量传递仅限于表面几层原子层，通过断裂化学键使表面靶原子发 射出来。,溅射,(2)淀积速率与溅射产额,a.影响淀积速率的关键因素
7、：,入射离子流量、溅射产额和溅射材料在腔室的输运。,溅射产额的定义：,b.影响溅射产额的关键因素：,离子质量、离子能量、靶原子质量和靶的结晶性能等。,注意：对于每一种靶材料，都存在一个能量阈值，低于该值 则不发生溅射。,1030eV,当能量较低时，溅射 产额随能量的平方增 加，至100eV左右；此后，溅射产额随能 量线性增加，至750eV 左右；此后，溅射产额基本 不变，直至发生离子 注入。,图12.13 溅射产额与离子能量的关系,图12.14 4-15keV离子射向银、铜、钽靶时，溅射产额与离子原子序数的关系,(3)高密度磁控溅射,通过增加一个与电场方向垂直的磁场，可使等离子体中的电子螺旋式
8、运动，增加与气体分子的碰撞几率而提高等离子体密度。,等离子体密度可由0.0001%增加到0.03%。,图12.18 S-Gun溅射靶示意图,3、溅射薄膜形貌与台阶覆盖,靶原子被溅射出来 多次碰撞 达到硅片表面被吸附 沿表面扩散，原子之间碰撞结合成核 形成岛状区域 岛互相连接成连续薄膜,图12.20 薄膜淀积的区域模型,(1)区域模型,a.原子能量低，衬底温 度低时，1区：无定 形态b.随气压降低，衬底温 度升高，T区：小晶 粒，高反射率c.进一步提高衬底温度 或轰击能量，2区、3 区：大晶粒，表面粗糙,(2)溅射薄膜的台阶覆盖性,a.台阶形貌与表面扩散、气相分子平均自由程的关系,不均匀覆盖，台
9、阶顶部有拱形突起,完全保形的均匀覆盖,不均匀覆盖，台阶侧壁下方及台阶底部薄,b.溅射法形成的台阶形貌虽优于蒸发法，但不如CVD法。,I)衬底加热溅射。II)在硅片衬底上加RF偏压，圆片被高 能离子轰击，使溅射材料再淀积。,溅射金属原子 离子化 定向入射到硅片表面,图12.21 接触孔处台阶覆盖随时间增加而变化的示意图,c.改善措施：,VI)离化金属等离子体淀积（IMP，Ionized Metal Plasma Deposition）。,III)强迫填充溅射。,IV)准直溅射。,强迫填充法示意图,图12.23 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。,4、常用溅射工艺,(1)
10、金属薄膜：采用磁控直流溅射；介质薄膜：采用RF溅射(2)溅射前预清洗工艺：采用RF等离子体，Ar+离子轰击硅片 表面，去除自然氧化层(3)合金材料的溅射：合金靶：薄膜组分受控于气相传输多靶溅射：调节各靶功率来改变淀积层组分(4)TiN反应离子溅射：在N气氛下进行Ti靶溅射，生成TiN。,本章小结：,薄膜淀积工艺可分为化学气相淀积和物理气相淀积两大类。化学气相淀积主要应用于介质材料和半导体材料薄膜的 制备，其优势在于优良的台阶覆盖能力。化学气相淀积的速率受气相传输和表面化学反应的约束。采用物理气相淀积可制备范围广泛的薄膜材料，但在IC 制造中主要用于金属层制备。随着IC特征尺寸的不断缩小和深宽比提高，金属的CVD 工艺成为今后发展的重点。,1、对于蒸发工艺，选择高的淀积速率会带来那 些问题？2、请说明为什么溅射工艺的台阶覆盖性比蒸发 法好，而比CVD法差？,课后作业,
