薄膜沉积过程的模拟针对集成电路中铝膜的沉积

1、薄膜沉积过程的模拟针对集成电路中铝膜的沉积王洪瑞(学号) 邓越(学号) 全健平(学号) 金鹤(学号) 渠志光(学号)2002级电子科学与技术专业指导老师：胡明教授【摘要】：要生产高密度的半导体器件，重要的一点就是保证铝膜对硅衬底上沟槽的良好沉积。在本文中，我们从原子的角度，利用分子动力学计算和模拟了沉积在带沟槽的硅衬底的铝膜的形貌。其中，着重考虑了入射原子能量和角度，结果发现这两个因素对于薄膜质量有很大的影响。【关键词】：分子动力学；沉积；沟槽 【ABSTRACT】： It is important that aluminum films fill the grooves on silicon

2、 substrates if high density devices are to be produced. In this paper , we calculate and simulate the profiles of deposited aluminum films on grooved subtrates on a atom scale using a molecular dynamics method. We put emphasis on the energy and angle of sputtered atoms . As a result, we find both th

3、e factors have great effect on the quality of the growed films【KEY WORDS】：molecular dynamics; deposition; groove1 引言高速计算机的出现引起超大规模集成电路芯片上的期间密度的迅速增大，这使得亚微米级的内部多层互联变得必不可少。为了制造这些亚微米级的互连线，就必须研发出能使铝膜良好地覆盖硅衬底上的沟槽的技术。铝膜的淀积主要有两种方法，真空蒸发法和溅射法。其中溅射法由于较高的入射粒子能量而应用越来越广泛。在溅射过程中有很多参数，如衬底温度，入射能量和角度，沉积速率，基板形貌等等会对沉积薄

4、膜的效果有很大影响，所以需仔细地研究这些因素，并小心地控制，以使沉积效果达到最佳。2 建模2.1 分子动力学法介绍分子运动学假定原子的运动是由牛顿运动方程决定的。假定绝热近似严格成立时，原子的运动有特定的轨道，其量子效应可以忽略。经典的MD模型根据单个原子与周围原子受到的作用力，计算每个原子的牛顿力学运动轨迹，从而计算原子运动的位置与坐标，又称为计算机模拟经典轨迹法。需要描绘体系中N个粒子的坐标、速度，对于第i个原子的坐标、速度，分析它所受的作用力。分子间的作用力一般可根据经验势得出，常用的势能有雷纳德-琼斯势和摩斯势。对于原子之间的作用，一般采用前者。它可以表示为： (1)那么，其在t时刻的

5、速度与位移（坐标）就可以通过数值积分求出，常用的方法采用Verlet算法。问题的关键在于原子与原子之间的作用势函数与参数的确定以及算法实现。2.2 建立模型模型是采用分子动力学方法描述的铝膜在带沟槽的硅衬底上的二维生长。（1）衬底描述： 本文中所用的基底是带有沟槽的衬底，如图所示，左右平台处各为18个和15个原子尺寸长，沟槽深度（侧墙）和宽度（底部）各为15个和12个原子尺寸长度。预先淀积3层均匀密排的铝原子，它们保持恒定均匀的温度，在以后的沉积过程中，它们的位置固定不变。由于溅射原子能量较大，当沉积到基底上时，会失去竖直方向上的动能，将能量传给基板，从而引起基板温度略有上升，为简单起见，本模

6、型中忽略此影响。（2）入射原子描述：铝原子的各项固定参数为：质量：44.8*10(-27)kg;直径：2.8*10(-10)m; 互作用势常数：0.36eV。可控制的参数时能量和角度，这两项分开讨论：（a）竖直入射（角度为0），变换能量的数值，观察沉积效果。（b）斜入射，保持能量恒定，改变入射角度，观察沉积效果。入射原子的初始位置为：竖直方向位于衬底上方数十倍原子直径处水平位置由随即函数得出。（3）沉积过程模拟： 根据分子动力学方法，随即入射一个原子后，每隔一段很小的时间，重新计算此原子的受力，加速度，速度，位移。采用雷纳德-琼斯势函数求微分的方法得到受力。 F(R(i,j)=4*e*12*(

7、r0/r)13-(r0/r)7/2/r0 r<2.5r0 = 0 r>2.5r0 (2)其中，e为互作用势常数，r0为平衡距离，屏蔽半径取为2.5平衡距离。忽略重力的影响，找出原子的合力后，计算出水平和竖直方向上的加速度，通过加速度算出速度，再得出位移。当竖直方向上速度减为0，停止竖直方向上的运动，凭借水平方向上的速度扩散，最终找到稳定的位置沉积。整个过程采用verlet算法。（4）周期性边界条件 由于采用的衬底规模有限，必须采用周期性边界条件。即原子左出右进，右出左进，使衬底近似符合实际情况。在竖直方向上，上方无边界。下方有衬底限制。3 模型的不足此模型比较粗略地模拟了铝膜沉积过

8、程，忽略了衬底温度，沉积速率以及硅原子与铝原子晶格常数匹配等问题。4 结果和分析1、垂直入射即入射角度为0º，能量分别取6ev、60ev、600ev，模拟得到的薄膜沉积形貌。 6eV 60eV 600eV 图1入射粒子能量对薄膜形貌的影响2、入射粒子能量为100eV，入射角度分别为0、30、60度时，模拟得到的薄膜沉积形貌。 30度 45度 60度 0度图2入射角度对薄膜形貌的影响5 结果讨论在竖直入射时，入射原子的能量较低时，容易出现柱状生长，产生较多的空洞和间隙，生长质量不高，随着能量的提高，薄膜越来越致密，空洞越来越少，但由于基底的沟槽的存在，在沟槽中部还是会出现较大的空洞。当

9、能量很高时，原子有足够的能量进入下一层的空隙，填充能力变得很强，这时对于沟槽的填充效果达到最好，空洞最小。在斜入射时，由于阴影效应，先入射的原子会遮蔽后入射的原子，加上沟槽侧壁的较大的遮蔽效应，使得沟槽底部左侧基本难以有原子填充，呈现斜柱状生长，与竖直方向角度越大，此现象越明显，沟槽填充的越少。因此在铝膜溅射过程中，为提高沟槽填充的质量，应尽量竖直入射能量较大的原子。参考文献：1 H. Zhang, Z. N. Xia, “molecular dynamics simulation of cluster beam al deposition on si (100) substrate”, 期刊

10、名, vol. 35, no.2, pp. 364-369.2 评估报告在此次课程设计中，我们组由五人组成：王洪瑞，邓越，全建平，金鹤，渠志光，组长为王洪瑞。我们的题目是第二个：薄膜沉积过程的模拟（针对集成电路中铝膜的沉积）。在刚接到这个题目时，大家把重点放到了沉积过程上了，讨论采用分子动力学还是蒙特卡洛方法解决此问题。第二周，和老师以及研究生师兄交流时，才发现疏漏了集成电路中的铝膜沉积所特有的性质：基底是带有沟槽的，并非平整的。我们只能重新准备，五人分工去做。金鹤，渠志光负责查询资料；王洪瑞和全建平负责建立模型并编写程序；邓越负责文档和演示稿的准备；总的协调工作由组长负责。通过5天的努力，终于较好的完成了此次课程设计，这要归功于老师及学长们的悉心指导以及我们组成员的共同努力和相互合作。 02级电子科学与技术专业一班第2组 2005.10 .182005.11.7致谢 此次课程设计中，除了大家的共同努力和相互协作外，还多亏胡明老师以及研究生师兄的悉心指导和耐心帮助，在