Chap5物理气相沉积ppt课件

1、1Chap5 Chap5 物理气相堆积物理气相堆积 PVD是以物理方式进展薄膜淀积的一种技术。在集成电路消费中，金属薄膜在欧姆接触、互连、栅电极和肖特基二极管等方面，都有很广泛的运用。 PVD有两种方法：蒸镀法Evaporation Deposition和溅镀法Sputtering Deposition。前者是经过加热被蒸镀物体，利用被蒸镀物体在高温接近其熔点时的饱和蒸汽压，进展薄膜淀积，又称热丝蒸发。后者是利用等离子体中的离子，对被溅镀物体又称离子靶进展轰击，使气相等离子体内具有被溅镀物体的粒子原子，这些粒子淀积到硅晶体上构成溅镀薄膜，又称溅射。2 蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的蒸发

2、：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属外表的束缚成为蒸汽原能量后便可以脱离金属外表的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种 溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电构成的离子被强电场加速，场作用下，气体放电构成的离子被强电场加速，轰击靶资料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上轰击靶资料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上3蒸蒸发发原原理理图图4 在薄膜淀积技术开展的最初阶段，蒸发法用的多。其优点：较高的淀积速率、相对高的真空度

3、、较高的薄膜质量。 缺陷：台阶覆盖才干差，淀积多元化合金薄膜时组分难以控制。 溅射法优点：淀积多源化合金薄膜时，化学成分容易控制、淀积的薄层与衬底附着性好等。 溅射技术制备薄膜的技术已根本取代真空蒸发法。55.1 真空蒸发法制备薄膜的根本原理真空蒸发法制备薄膜的根本原理 蒸发：资料的温度低于熔化温度时，蒸发：资料的温度低于熔化温度时，产生蒸气的过程，称为升华，而熔化时产生蒸气的过程，称为升华，而熔化时产生蒸气的过程称为蒸发。产生蒸气的过程称为蒸发。 热蒸发：热蒸发： 蒸发资料，使其原子或分蒸发资料，使其原子或分子蒸发，又称。子蒸发，又称。 6 真空知识：真空知识：PVD普通是以单质的固体资料普

4、通是以单质的固体资料为源，然后设法将它变为气态，再在衬底外表为源，然后设法将它变为气态，再在衬底外表淀积而成薄膜。当一个系统中残留淀积而成薄膜。当一个系统中残留1Pa的空气的空气时，由理想气体形状方程可以计算出，在室温时，由理想气体形状方程可以计算出，在室温下，每立方厘米空间约有下，每立方厘米空间约有2.4*1014个气体分子。个气体分子。这些气体分子不仅严重妨碍了铝、金、铬等金这些气体分子不仅严重妨碍了铝、金、铬等金属蒸发分子由源向衬底的降落淀积，而且使每属蒸发分子由源向衬底的降落淀积，而且使每立方厘米衬底外表每秒钟要遭遭到立方厘米衬底外表每秒钟要遭遭到1018个空气个空气分子的撞击，这个数

5、值已远远超出了金属淀积分子的撞击，这个数值已远远超出了金属淀积膜的原子密度，这些物质夹在薄膜中，必然会膜的原子密度，这些物质夹在薄膜中，必然会破坏薄膜的成分与质量。所以，破坏薄膜的成分与质量。所以，PVD法要求正法要求正式淀积之前，必需彻底地抽除淀积室内的残留式淀积之前，必需彻底地抽除淀积室内的残留气体，即在低气压又称本底真空度下，才气体，即在低气压又称本底真空度下，才干开场淀积。干开场淀积。7 本底真空度，根据淀积方法，淀积物性本底真空度，根据淀积方法，淀积物性质而异。如蒸铝要比蒸金要求更低的本质而异。如蒸铝要比蒸金要求更低的本底真空度。这是由于铝易被氧化之故。底真空度。这是由于铝易被氧化之

6、故。真空度越高，淀积室内气体分子越少，真空度越高，淀积室内气体分子越少，使得蒸发资料的原子或分子所走的路程使得蒸发资料的原子或分子所走的路程就越长。就越长。 通常我们把大量原子或分子，两次通常我们把大量原子或分子，两次间碰撞自在飞行的平均长度称为原子或间碰撞自在飞行的平均长度称为原子或分子的平均自在程分子的平均自在程L)。8 原子的平均自在程与气体压强成反比。也就是说，P越低，那么L就越大。例如当P=1mmHg时，L=5*10-5cm;P=10-6mmHg时，L=5000cm。这就是要想源资料的原子或分子所走的路程越长，就必需将淀积室抽成高真空。消费上常用的是10-510-6mmHg，而蒸发源

7、到衬底的间隔 大约在1030cm之间，即平均自在程远远大于源到衬底的间隔 ，当源分子或原子从源资料脱离以后，就可以直线方式射到衬底上。当然这不是绝对的，碰撞一定也有的，只不过这种碰撞几率小到可以忽略不计。9 一、真空蒸发设备一、真空蒸发设备 三大部分三大部分 1 1真空系统：为蒸发过程提供真空环境真空系统：为蒸发过程提供真空环境 2 2蒸发系统：放置蒸发源，以及加热和测蒸发系统：放置蒸发源，以及加热和测温安装。温安装。 3 3基板及加热：放置衬底，对衬底加热安基板及加热：放置衬底，对衬底加热安装及丈量安装。装及丈量安装。 真空蒸发法过程：真空蒸发法过程： 1 1 加热蒸发过程加热蒸发过程 2

8、2 气化原子或分子在蒸发源与基片气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程之间的输运过程 3 3被蒸发的原子或分子在衬底外表的淀积被蒸发的原子或分子在衬底外表的淀积过程过程 10蒸蒸发发原原理理图图11 二、汽化热和蒸汽压二、汽化热和蒸汽压 三、真空度与分子平均自在程三、真空度与分子平均自在程 四、多组成薄膜的蒸发方法四、多组成薄膜的蒸发方法 单源蒸发法：单源，合金溶液单源蒸发法：单源，合金溶液 多源同时蒸发法：多坩埚，同时蒸发多源同时蒸发法：多坩埚，同时蒸发 多源顺序蒸发法：多坩埚，按顺序蒸发多源顺序蒸发法：多坩埚，按顺序蒸发125.2 5.2 蒸发源蒸发源 1.1.电阻加热源电阻加热源 利

9、用电流经过加热源时所产生可以的焦耳热来蒸利用电流经过加热源时所产生可以的焦耳热来蒸发资料。发资料。 蒸发中出现的质量问题：蒸发中出现的质量问题： 1 1铝层厚度控制不适宜铝层厚度控制不适宜 铝层厚度是蒸铝工艺中一个主要的参数。太薄，铝层厚度是蒸铝工艺中一个主要的参数。太薄，在键合工序容易开焊呵斥半导体器件或集成电路在键合工序容易开焊呵斥半导体器件或集成电路断路，严重影响废品率。假设太厚，电极图形看断路，严重影响废品率。假设太厚，电极图形看不清，添加了光刻难度。腐蚀时间一长，容易呵不清，添加了光刻难度。腐蚀时间一长，容易呵斥脱胶，钻蚀景象。斥脱胶，钻蚀景象。132 2铝层外表氧化铝层外表氧化 蒸

10、铝后出现铝层发黄或发灰，这阐明外表被氧蒸铝后出现铝层发黄或发灰，这阐明外表被氧化及其他合金物出现，杨画册铝层化及其他合金物出现，杨画册铝层 不仅难以光刻不仅难以光刻核键合，而且影响器件性能。核键合，而且影响器件性能。 呵斥铝层氧化有以下缘由：呵斥铝层氧化有以下缘由： 1 1钨丝纯度不够，杂质含量太多或清洁处置得钨丝纯度不够，杂质含量太多或清洁处置得不够；不够； 2 2真空度低或真空零件不干净；真空度低或真空零件不干净； 3 3蒸发时挡板翻开的过早，即在，铝溶液外表蒸发时挡板翻开的过早，即在，铝溶液外表的氧化层还未去掉时就开场蒸发。因此把赃物也的氧化层还未去掉时就开场蒸发。因此把赃物也蒸发上去了

11、；蒸发上去了； 4 4衬底加热温度较高，并且取片过快；衬底加热温度较高，并且取片过快； 5 5分散泵抽气率不高，在蒸发时，各部分加热分散泵抽气率不高，在蒸发时，各部分加热后放出的气体未及时抽走；后放出的气体未及时抽走； 6 6真空系统中出现慢性漏气。真空系统中出现慢性漏气。 14 2.2.电子束蒸发源电子束蒸发源 (1)(1)基于电子在电场作用下，获得动能轰击处基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于阴极的蒸发资料，使蒸发资料加热气化。于阴极的蒸发资料，使蒸发资料加热气化。 (2)(2)电子束蒸发的优点：电子束蒸发的优点： l l 膜纯度高，钠离子玷污少膜纯度高，钠离子玷污少 l l 光刻腐蚀方

12、便光刻腐蚀方便 l l 镀膜层均匀镀膜层均匀 l l 节约大量钨丝和铝源节约大量钨丝和铝源 l l 运用范围广运用范围广 l l 铝膜晶粒致密均匀铝膜晶粒致密均匀15 3.3.激光加热源激光加热源 利用高功率的延续或脉冲激光作为能源利用高功率的延续或脉冲激光作为能源对蒸发资料进展加热。对蒸发资料进展加热。 4.4.高频感应加热蒸发源高频感应加热蒸发源 经过高频感应对装有蒸发资料的坩埚进经过高频感应对装有蒸发资料的坩埚进展加热。展加热。 165.3 5.3 气体辉光放电气体辉光放电 溅射：具有一定能量的入射离子在对固体溅射：具有一定能量的入射离子在对固体外表轰击时，入射离子在与固体外表原子的碰外

13、表轰击时，入射离子在与固体外表原子的碰撞过程中将发生能量和动量的转移，并能将固撞过程中将发生能量和动量的转移，并能将固体外表的原子溅射出来。体外表的原子溅射出来。 根底是辉光放电。根底是辉光放电。 1. 1. 直流辉光放电直流辉光放电 2. 2. 辉光放电中的碰撞过程辉光放电中的碰撞过程 弹性碰撞：弹性碰撞： 非弹性碰撞：非弹性碰撞： 1 1电离过程；电离过程；2 2激发过程；激发过程；3 3分解分解反响反响 3. 3. 射频辉光放电射频辉光放电175.4 5.4 溅射溅射 溅射是利用等离子体中的离子，对被溅射物体电极进展轰击，使气相等离子体内具有被溅射镀物的粒子，使其淀积到硅片外表并构成薄膜

14、的一种方法，因此将高纯粒子从某种物质的外表撞击出原子的物理过程叫溅射。 溅射是目前大规模集成电路制造中运用得最广泛的一种镀膜方法，它可以用来淀积不同的金属，包括铝、铝合金、钛、钨钛合金。 18 溅射具有以下优点：溅射具有以下优点： 可在一个面积很大的靶子上进展，这样处理可在一个面积很大的靶子上进展，这样处理了大尺寸硅片淀积铝膜厚度均匀性的问题了大尺寸硅片淀积铝膜厚度均匀性的问题 在选定的任务条件下，膜厚容易控制，只需在选定的任务条件下，膜厚容易控制，只需调理时间就可得到所需厚度调理时间就可得到所需厚度 3 3溅射淀积薄膜的合金，成分要比蒸发容易控溅射淀积薄膜的合金，成分要比蒸发容易控制制 4

15、4改动加在硅片上的偏压和温度，可以控制薄改动加在硅片上的偏压和温度，可以控制薄膜的许多重要性能，如台阶覆盖和晶粒构造等。膜的许多重要性能，如台阶覆盖和晶粒构造等。 5 5在溅射之前进展预溅射，做一番清洁处置，在溅射之前进展预溅射，做一番清洁处置，这样可以获得质量更好的薄膜。这样可以获得质量更好的薄膜。 19 一、溅射特性一、溅射特性 1. 1. 溅射阈值：溅射阈值：1030ev1030ev取决于靶资取决于靶资料料 2. 2. 溅射率：被溅射出来的原子数与溅射率：被溅射出来的原子数与入射离子数之比，其大小于入射离子的入射离子数之比，其大小于入射离子的能量、种类、靶资料的种类等有关。能量、种类、靶

16、资料的种类等有关。 3. 3. 溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速度 有有5 5个特点个特点20 二、溅射方法二、溅射方法 1. 1. 直流溅射：溅射率低，靶资料有较直流溅射：溅射率低，靶资料有较好导电性时可以很方便的溅射淀积各类金属薄好导电性时可以很方便的溅射淀积各类金属薄膜。膜。 2. 2. 射频溅射：导电性很差的非金属资射频溅射：导电性很差的非金属资料的溅射。料的溅射。 3. 3. 磁控溅射：店家速率较高，任务气磁控溅射：店家速率较高，任务气体压力较低，薄膜质量好，是目前运用最广泛体压力较低，薄膜质量好，是目前运用最广泛的一种溅射淀积方法。的一种溅射淀积方法。 4. 4. 反响溅射：

17、在淀积同时构成化合物。反响溅射：在淀积同时构成化合物。 5. 5. 偏压溅射：在普通溅射根底上，加偏压溅射：在普通溅射根底上，加一定偏置电压在衬底与靶资料之间，改动入射一定偏置电压在衬底与靶资料之间，改动入射到衬底外表的带电粒子的数量和能量。到衬底外表的带电粒子的数量和能量。21 6. 6. 接触孔中薄膜的溅射淀积：带接触孔中薄膜的溅射淀积：带有准直器。有准直器。 7. 7. 长投准直溅射技术：不用准直器便长投准直溅射技术：不用准直器便能改善接触孔底部覆盖效果的溅射技术。能改善接触孔底部覆盖效果的溅射技术。 需求处理的问题：需求处理的问题： 1 1溅射会导致反响室室壁外表凝结靶溅射会导致反响室室壁外表凝结靶资料的原子，从而构成污染；资料的原子，从而构成污染； 2