集成电路工艺基础——05_物理气相淀积

1、电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院Chap 5 物理气相淀积物理气相淀积v PVD（Physical Vapor Deposition) 定义：定义： 利用某种物理过程，例如蒸发或者溅射现象实现利用某种物理过程，例如蒸发或者溅射现象实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底表面物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底表面上，并淀积成薄膜。上，并淀积成薄膜。v PVD基本方法基本方法 蒸发（蒸发（-族化合物半导体）族化合物半导体） 溅射溅射电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v蒸发蒸发 在真空系统中加热蒸发源，使原子获得足够的在真空系统中加热蒸发源，使原子获得足够的能量后便可以脱离金属表

2、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。子，淀积在晶片上。v溅射溅射 真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上。料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上。物理气相淀积物理气相淀积电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院物理气相淀积物理气相淀积vPVD的发展：的发展： 蒸发蒸发 蒸发优点：蒸发优点： 较高的淀积速率较高的淀积速率 薄膜纯度高，厚度控制精确薄膜纯度高，厚度控制精确 生长机理简单生长机理简单 蒸发缺点：

3、蒸发缺点： 台阶覆盖能力差台阶覆盖能力差 工艺重复性不好工艺重复性不好 淀积多元化合金薄膜时组分难以控制淀积多元化合金薄膜时组分难以控制电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院物理气相淀积物理气相淀积vPVD的发展：的发展： 溅射溅射 溅射优点：溅射优点： 淀积薄膜与衬底附着性好淀积薄膜与衬底附着性好 淀积多元化合金薄膜时组分容易控制淀积多元化合金薄膜时组分容易控制 较高的薄膜溅射质量较高的薄膜溅射质量电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院真空蒸发法制备薄膜设备真空蒸发法制备薄膜设备电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院真空蒸发法制备薄膜设备真空蒸发法制备薄膜设备v真空蒸法设备真空蒸法设备

4、 真空系统真空系统 为蒸发过程提供真空环境为蒸发过程提供真空环境 蒸发系统蒸发系统 放置蒸发源的装置，以及加热和测温装置等放置蒸发源的装置，以及加热和测温装置等 基板及加热系统基板及加热系统 放置硅片，对衬底加热装置和测温装置等放置硅片，对衬底加热装置和测温装置等电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v真空蒸法过程真空蒸法过程: 加热蒸发过程加热蒸发过程：对蒸气源进行加热，使其温度接近或达：对蒸气源进行加热，使其温度接近或达到蒸发材料的熔点，则固态源表面的原子容易逸出，转到蒸发材料的熔点，则固态源表面的原子容易逸出，转变为蒸气变为蒸气 气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程：气化原子或分

5、子在蒸发源与基片之间的输运过程：原子原子或分子在真空环境中，由源飞向硅片，飞行过程中可能或分子在真空环境中，由源飞向硅片，飞行过程中可能与真空室内的残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于与真空室内的残余气体分子发生碰撞，碰撞次数取决于真空度以及源到硅片之间的距离。真空度以及源到硅片之间的距离。 被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：飞到衬底飞到衬底表面的原子在表面上凝结、成核、生长和成膜过程。表面的原子在表面上凝结、成核、生长和成膜过程。真空蒸发的三个过程真空蒸发的三个过程电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院汽化热与蒸汽压汽化热与蒸汽压v汽化热：将蒸

6、发源材料加热到足够高的温度，使汽化热：将蒸发源材料加热到足够高的温度，使其原子或分子获得足够的能量，其原子或分子获得足够的能量，克服固相的原子克服固相的原子束缚束缚而蒸发到真空中，并形成而蒸发到真空中，并形成具有一定动能具有一定动能的气的气相原子或分子，该能量为汽化热相原子或分子，该能量为汽化热H，常用金属，常用金属的的H为为4eVv蒸汽压：蒸汽压：在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力为饱和汽与固态或液态平衡时所表现出来的压力为饱和蒸汽压蒸汽压电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 需要真空环境的原因：需要真空环境的原因：

7、 被蒸发的原子或分子在真空中的输运应该是直线运动，被蒸发的原子或分子在真空中的输运应该是直线运动，以保证被蒸发的原子或分子有效的淀积在衬底上以保证被蒸发的原子或分子有效的淀积在衬底上 真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子或真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子或分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表分子在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表面发生氧化。面发生氧化。 系统中残余气体及所含的杂质原子或分子也会淀积在衬系统中残余气体及所含的杂质原子或分子也会淀积在衬底上，从而严重的影响了淀积薄膜的质量。底上，从而严重的影响了淀积薄膜的质量。真空度与平均自由程真空度与

8、平均自由程电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院真空度与平均自由程真空度与平均自由程电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院多组分蒸发方法多组分蒸发方法合金靶中各组分材合金靶中各组分材料的蒸汽压接近料的蒸汽压接近蒸发结束后蒸发结束后高温退火高温退火不同温度多源不同温度多源同时蒸发同时蒸发电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院蒸发源（蒸发源（1）v电阻加热源电阻加热源 原理：原理：电阻加热源是利用电流通过加热源时所产生电阻加热源是利用电流通过加热源时所产生的焦耳热来加热蒸发材料。的焦耳热来加热蒸发材料。 加热体：钨、钼、钽和石墨等（熔点要高、饱和蒸汽加热体：钨、钼、钽和石墨等（熔点要高、饱和

9、蒸汽压要低、化学性能稳定）压要低、化学性能稳定）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v电子束蒸发源电子束蒸发源 原理：原理：基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于阳基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于阳极的蒸发材料，使蒸发材料加热气化极的蒸发材料，使蒸发材料加热气化 优点：优点： 比电阻加热源更高的能量密度比电阻加热源更高的能量密度 高纯度薄膜的淀积高纯度薄膜的淀积 热效率高热效率高蒸发源（蒸发源（2）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v激光加热源激光加热源 原理：原理：利用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸利用高功率的连续或脉冲激光束作为能源对蒸发材料进行加热，称为激光束加热蒸

10、发法。发材料进行加热，称为激光束加热蒸发法。 优点：优点： 功率密度高（高熔点材料）功率密度高（高熔点材料） 高纯度薄膜的淀积（激光束光斑小）高纯度薄膜的淀积（激光束光斑小） 可淀积不同熔点的化合物薄膜（高熔点材料）可淀积不同熔点的化合物薄膜（高熔点材料） 真空室内装备简单，可获得高真空度真空室内装备简单，可获得高真空度 缺点：缺点：价格昂贵价格昂贵蒸发源（蒸发源（3）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v高频感应加热蒸发源高频感应加热蒸发源 定义：定义：通过高频感应对装有蒸发材料的坩锅进行加热。通过高频感应对装有蒸发材料的坩锅进行加热。 优点：优点： 蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅

11、现象蒸发源的温度均匀、稳定，不易产生飞溅现象 蒸发速率大蒸发速率大 温度控制精度高，操作比较简单温度控制精度高，操作比较简单 缺点：价格昂贵缺点：价格昂贵蒸发源（蒸发源（4）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 溅射：溅射： 溅射淀积就是用核能离子轰击靶材，使靶材原溅射淀积就是用核能离子轰击靶材，使靶材原子从靶表面逸出，淀积在衬底材料上的过程。子从靶表面逸出，淀积在衬底材料上的过程。 被溅射材料称为靶材，作为阴极；而硅片作为被溅射材料称为靶材，作为阴极；而硅片作为阳极接地。阳极接地。 系统抽真空后充以惰性气体。电子在电场加速系统抽真空后充以惰性气体。电子在电场加速下，与惰气碰撞，产生惰气

12、离子和更多电子。下，与惰气碰撞，产生惰气离子和更多电子。而惰气离子打在靶材上，溅射出靶原子则淀积而惰气离子打在靶材上，溅射出靶原子则淀积在阳极衬底上形成薄膜。在阳极衬底上形成薄膜。 溅射（溅射（Sputtering）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 应用：应用： 1 淀积薄膜淀积薄膜 （淀积薄膜）（淀积薄膜） 2 表面清洁表面清洁（干法刻蚀）（干法刻蚀）v 优点优点（溅射原子具有大的动能）（溅射原子具有大的动能）： 在电极表面有更高的迁移能力在电极表面有更高的迁移能力 台阶覆盖好台阶覆盖好 薄膜与衬底之间的附着力增强。薄膜与衬底之间的附着力增强。 溅射（溅射（Sputtering）电

13、子科技大学中山学院电子科技大学中山学院气体辉光放电（气体辉光放电（1）模型：模型：一个圆柱形玻璃管内的两端装上两个平板一个圆柱形玻璃管内的两端装上两个平板电极，里面充以气压约为几电极，里面充以气压约为几Pa到几十到几十Pa的气体，的气体，在电极上加上直流电压。在电极上加上直流电压。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v（1）无光放电区）无光放电区 极少量的原子受到高能宇宙射线的激发而电离，在外电极少量的原子受到高能宇宙射线的激发而电离，在外电场作用下因电离而产生的电子和离子做定向运动，形成场作用下因电离而产生的电子和离子做定向运动，形成电流。电流。v（2）汤生放电区）汤生放电区 电极间电压

14、升高，电子运动速度加快，电子与中性气体电极间电压升高，电子运动速度加快，电子与中性气体分子之间的碰撞不再是低速时的弹性碰撞，而会使气体分子之间的碰撞不再是低速时的弹性碰撞，而会使气体分子电离，产生分子电离，产生电子电子和正离子（和正离子（ 作用），同时正离子作用），同时正离子对阴极的碰撞也将产生对阴极的碰撞也将产生二次电子二次电子（ 作用），从而使电作用），从而使电子产生雪崩效应，致使电流快速增加。子产生雪崩效应，致使电流快速增加。气体辉光放电（气体辉光放电（2）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v（3）辉光放电）辉光放电 汤生放电之后，气体突然发生放电击穿现象，电路中电流汤生放电之后，

15、气体突然发生放电击穿现象，电路中电流大幅度增加，同时放电电压显著下降。正常辉光放电的电大幅度增加，同时放电电压显著下降。正常辉光放电的电流密度仍然比较小，所以溅射不是选在这个区域。流密度仍然比较小，所以溅射不是选在这个区域。v （4）反常辉光放电反常辉光放电 当整个阴极均成为有效放电区域之后，也就是整个阴极全当整个阴极均成为有效放电区域之后，也就是整个阴极全部由辉光所覆盖后，只有增加功率才能增加阴极的电流密部由辉光所覆盖后，只有增加功率才能增加阴极的电流密度，从而增大电流，也就是放电的电压和电流密度将同时度，从而增大电流，也就是放电的电压和电流密度将同时增大，此时进入反常辉光放电。增大，此时进

16、入反常辉光放电。v（5）电弧放电）电弧放电气体辉光放电（气体辉光放电（3）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院气体辉光放电（气体辉光放电（4）电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院气体辉光放电（气体辉光放电（5）v溅射溅射 溅射的过程是建立在辉光放电的基础上的，即溅射的过程是建立在辉光放电的基础上的，即射向固体射向固体表面的离子来源于气体放电表面的离子来源于气体放电，因正常辉光放电时的电流，因正常辉光放电时的电流密度比较小，溅射选在密度比较小，溅射选在反常辉光放电区反常辉光放电区。v等离子体等离子体 放电击穿之后的气体具有一定的导电性，这种气体为等放电击穿之后的气体具有一定的导电性，这种

17、气体为等离子体。离子体。等离子体是一种由正离子、电子、光子以及原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混合气体。子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气体。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院溅射特性：溅射特性：v 溅射阈值溅射阈值 定义：对于每一种靶材，都存在一个能量阈值，定义：对于每一种靶材，都存在一个能量阈值，低于这个值就不会发生溅射现象。低于这个值就不会发生溅射现象。v 溅射率溅射率: 定义：正离子轰击作为阴极的靶材时，平均每定义：正离子轰击作为阴极的靶材时，平均每个正离子能从靶上打出的原子数目；用个正离子能从靶上打出的原子数目；用S表示

18、。表示。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 溅射率溅射率 与入射离子能量的关系与入射离子能量的关系 只有当入射离子能量超过一定只有当入射离子能量超过一定能量时，才能发生溅射能量时，才能发生溅射 随入射离子能量增加，溅射率随入射离子能量增加，溅射率先增加后平缓最后降低，先增加后平缓最后降低，发生离子注入发生离子注入溅射特性：溅射特性：电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院 与入射离子种类的关系与入射离子种类的关系 入射离子原子量越大，溅射率越高入射离子原子量越大，溅射率越高 凡电子壳层填满的元素作为入射离子，则溅射率最大。（惰性凡电子壳层填满的元素作为入射离子，则溅射率最大。（惰性气体

19、被选为入射离子。气体被选为入射离子。溅射特性：溅射特性：电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院v 溅射率溅射率 与被溅射物质的种类有关（参照图与被溅射物质的种类有关（参照图5.13） 一般来说随靶元素原子序数增加而增大一般来说随靶元素原子序数增加而增大 与入射离子入射角的关系与入射离子入射角的关系 随入射角的增加，溅射率以随入射角的增加，溅射率以1/cos规律增加。规律增加。 当入射角接近当入射角接近80o时，溅射率迅速下降。时，溅射率迅速下降。溅射特性：溅射特性：电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院溅射方法溅射方法v 直流溅射：淀积金属薄膜直流溅射：淀积金属薄膜v 射频溅射：适用于淀积各种金属和非金属薄膜射频溅射：适用于淀积各种金属和非金属薄膜电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院溅射方法溅射方法v 一般溅射淀积一般溅