物理方法薄膜沉积技术.ppt

第六章 薄膜制备技术 物理沉积方法Chapter6 ThinFilmDepositionTechniques PhysicalVaporDeposition PVD 图形的转换方法 填充法 Additive 刻蚀法 EtchingorSubtractive 填充法 刻蚀法 IC制造中的薄膜 集成电路芯片制造工艺中 在硅片上制作的器件结构层绝大多数都是采用薄膜沉积的方法完成的 二种薄膜沉积工艺 化学气相沉积 ChemicalVaporDeposition 利用化学反应生成所需的薄膜材料 常用于各种介质材料和半导体材料的沉积 如SiO2 poly Si Si3N4 物理气相沉积 PhysicalVaporDeposition 利用物理机制制备所需的薄膜材料 常用于金属薄膜的制备 如Al Cu W Ti 薄膜制备技术 薄膜 在衬底上生长的薄固体物质 其一维尺寸 厚度 远小于另外二维的尺寸 常用的薄膜包括 SiO2 Si3N4 poli Si Metal 常采用沉积方法制备 物理气相沉积 PhysicalVaporDeposition 化学气相沉积 ChemicalVaporDeposition 薄膜的生长 沉积薄膜的三个阶段 晶核形成 聚集成束 形成连续膜 薄膜特性要求 为满足微纳加工工艺和器件要求 通常情况下关注薄膜的如下几个特性 1 台阶覆盖能力2 低的膜应力3 高的深宽比间隙填充能力4 大面积薄膜厚度均匀性5 大面积薄膜介电 电学 折射率特性6 高纯度和高密度7 与衬底或下层膜有好的粘附能力 台阶覆盖能力 StepCoverage 我们希望薄膜在不平整衬底表面的厚度具有一致性厚度不一致容易导致膜应力 电短路等问题 非共型台阶覆盖 共型台阶覆盖 非共型台阶覆盖出现的原因 高的深宽比间隙填充能力 GapFill 深宽比 孔的深度H与宽度W的比值在亚0 25mm工艺中 填充硅片表面很小的间隙和孔的能力是重要的薄膜特性 防止出现空洞 减少出现缺陷和可靠性问题 W H 薄膜应力 Stress 应力的来源 薄膜的成核和生长过程中的产生本征应力薄膜与衬底的热膨胀系数不匹配导致外应力应力分类 热应力与热膨胀系数a d d 应力的表征通常用圆片在沉积前后的弯曲变化量来测量 测量方法 采用激光束扫描圆片 通过反射光线的变化来表征曲率的变化 因应力造成的薄膜表面龟裂 物理沉积PVD PhysicalVaporDeposition 采用蒸发或溅射等手段使固体材料变成蒸汽 并在硅片表面凝聚并沉积下来 没有化学反应出现 纯粹是物理过程制备金属薄膜的最主要方式 物理沉积方法 ThermalEvaporation 热蒸发 E beamEvaporation 电子束蒸发 Sputtering 溅射 FilterVacuumArc 真空弧等离子体 ThermalOxidation 热氧化 ScreenPrinting 丝网印刷 SpinCoating 旋涂法 Electroplate 电镀 MolecularBeamEpitaxy 分子束外延 高真空环境 10 3Pa 热蒸发技术 ThermalEvaporationTechnique 蒸发工艺是最早出现的金属沉积工艺 钨W Tm 3380 钽Ta Tm 2980 钼Mo Tm 2630 挡板 蒸发源 晶振 电子束蒸发 E beamEvaporationTechnique whenV 10kVElectronVelocity 6 104km sTemperature 5000 6000 E beamEvaporationMachine 热蒸发和电子束蒸发技术的比较 Depositionrate 10 25000nm min 蒸发工艺参数 蒸发要求的真空度 10 5Torr蒸发沉积速率取决于离开蒸汽源的材料量达到硅片衬底的材料量蒸发沉积速率公式 这三者是影响沉积速率的三个主要因素 蒸发工艺的限制 沉积薄膜的速率限制 高速率与均匀性的矛盾沉积薄膜的纯度的限制沉积薄膜的台阶覆盖能力的限制 阴影效应 解决办法 旋转 加热 合金材料与多组分复合材料薄膜的沉积合金蒸汽压相近 采用单源蒸发合金蒸汽压不同 采用多源同时 分次蒸发 溅射技术 Sputtering 溅射技术基本原理 在真空腔中两个平板电极中充有稀薄惰性气体 在施加电压后会使气体电离 离子在电场的加速下轰击靶材 阴极 在使靶材上撞击 溅射 出原子 被撞击出的原子迁移到衬底表面形成薄膜 驱动方式 直流型DCDiode射频型RFDiode磁场控制型Magnetron 离子溅射技术物理过程 1 2 3 4 离子溅射技术物理过程 当具有一定能量的离子打到材料表面 所产生的物理过程包括 1 低能量离子会从表面简单反射 2 能量小于10eV的离子会吸附于表面 以声子的形式释放出它的能量 3 能量大于10KeV时 离子穿透多层原子层 深入到靶材内部 改变靶材物理特性 离子注入 4 能量落在10eV 10KeV之间时 一部分离子能量以热的形式释放 剩下的部分能量造成靶材表面几个原子层 原子或原子团 脱离靶材 发射出表面 逸出的原子和原子团的能量约为10 50eV 约为蒸发工艺中原子 原子团能量的100倍 迁移率大大增加 可改善台阶覆盖能力 提高微隙填充能力 沉积速率与溅射产额 影响沉积速率的关键因素入射离子流量 溅射产额和溅射材料在腔室中的输运影响溅射产额的关键因素 离子能量 离子质量 靶原子质量和靶的结晶性对于每一种靶材 都存在一个能量阈值 低于该值则不发射溅射 10 30eV 溅射产额随离子能量的变化关系 离子能量略大于阈值时 溅射产额随能量的平方增加 100 750eV时 溅射线性增加 750eV时 溅射产额略微增加 直至发生离子注入 溅射产额与离子原子序数的变化关系 直流 射频型溅射 DC RFdiode 直流 射频型溅射 DC RFdiode 磁控溅射 MagnetSputtering 通过增加一个与电场方向垂直的磁场 可使等离子体的电子螺旋式运动 增加与气体分子碰撞几率而提高等离子体浓度等离子体密度可由0 0001 增加至0 03 靶材表面的离子和电子运动轨迹 磁控溅射过程 蒸发法和溅射法的比较 溅射法具有强的间隙填充能力 溅射法形成的台阶形貌优于蒸发法 但不如CVD法改善措施 衬底加热 硅片衬底加RF偏压 圆片被高能电子轰击 使溅射材料再沉积 强迫填充溅射 准直溅射 在高深宽比的接触孔处 典型的台阶覆盖随时间增加而变化的截面图 强迫填充溅射施加几个大气压的高压使金属自动坍塌 准直溅射控制粒子沉积的方向 更好的填充高深宽比的孔 但是减低了沉积速率 常用的溅射工艺流程 金属薄膜 采用磁控直流溅射介质薄膜 采用RF溅射溅射前预清洗工艺 采用RF等离子体 Ar 离子轰击硅片表面 去除自然氧化层合金材料的溅射 合金靶材 薄膜组分受控于气相传输多靶溅射 调节各靶功率来改变沉积层组分TiN反应离子溅射 在N气氛下进行Ti靶溅射 生成TiN 真空弧等离子体镀膜技术 真空弧等离子体镀膜技术 单离子源 真空弧等离子体镀膜技术 多离子源 多腔体沉积系统 MultiChamberDepositionSystem 薄膜厚度的测量 1 原位监控 石英晶振仪2 台阶仪 Profiler 3 光学干涉仪4 光脉冲反射计 石英晶振 石英晶体是离子型晶体 具有压电效应压电谐振 在晶振上加交变电压 或者电流不断开关 则晶片就产生机械振动 石英压电谐振效应的固有频率的影响因素 芯片厚度 几何尺寸 切割类型 石英晶振 n 谐波数 n 1 3 5 dQ 石英晶体的厚度c 切变弹性系数r 石英晶体的密度 2 65 103kg m3 质量负载效应 在芯片上镀上膜层 芯片厚度增大 则芯片固有频率减小 石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频率有关的参量的变化而测量淀积薄膜的厚度 台阶仪 StylusProfilometer 探针直接在样品表面扫描 记录表面微观轮廓信息物理破坏式测量 接触式 轻拍式 光学干涉仪 膜厚干涉不同的膜厚对应于不同的颜色改变衬底的倾斜度 颜色也跟着改变 why 光脉冲反射计 Spectroreflectometer 在不同波长测量反射光强度通过反射光强度与波长的对应关系确定厚度光学探测器精度高于人眼 测出的厚度精确程度高 改善大面积薄膜均匀性的基本方法 1 高真空环境2 洁净的衬底表面 加热 离子表面清洁 3 旋转样品架4 离子 原子束均匀性提高 DryOxidationSi S O2 V SiO2 S WetOxidationSi S H2O V SiO2 S H2 V 热氧化技术 湿氧氧化和干氧