物理气相淀积

1、天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理Chap.5 物理气相淀积 (PVD)ICIC中的薄膜及其制备方法中的薄膜及其制备方法1淀积的概念及淀积的概念及PVDPVD和和CVDCVD23溅射的基本原理及方法溅射的基本原理及方法45真空蒸发的基本原理及过程真空蒸发的基本原理及过程薄膜淀积中的台阶覆盖问题薄膜淀积中的台阶覆盖问题天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理单个完整的CMOS结构天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理IC中的薄膜v 介电薄膜介电薄膜（SiOSiO2 2，SiNSiN）：用来隔）：用来隔离导电层，作为扩散及离子注入离导电

2、层，作为扩散及离子注入的掩蔽膜，或是防止掺杂物的流的掩蔽膜，或是防止掺杂物的流失，或用来覆盖器件免受杂质，失，或用来覆盖器件免受杂质，水汽或刮伤的损害。水汽或刮伤的损害。v 多晶硅多晶硅（PolysiliconPolysilicon）：）：MOSMOS器件器件的栅淀积材料，多层金属导通材的栅淀积材料，多层金属导通材料或浅结的接触材料。料或浅结的接触材料。v 金属薄膜金属薄膜（铝，铜或金属硅化（铝，铜或金属硅化物）：形成低阻值金属连线，欧物）：形成低阻值金属连线，欧姆接触及整流金半接触。姆接触及整流金半接触。介质（SiN）Al多晶硅多晶硅栅介质（SiO2）场氧化SiO2n+n+栅氧化层P-SiM

3、OSFET的剖面图天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理ULSI对薄膜性能的要求 厚度均匀厚度均匀 高纯度以及高密度高纯度以及高密度 可控制组分及组分的比例可控制组分及组分的比例 薄膜结构的高度完整性薄膜结构的高度完整性 良好的电学特性良好的电学特性 良好的附着性良好的附着性 台阶覆盖好台阶覆盖好 低缺陷密度低缺陷密度介质（SiN）Al多晶硅多晶硅栅介质（SiO2）场氧化SiO2n+n+栅氧化层P-SiMOSFET的剖面图天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 薄膜制备方法薄膜制备薄膜制备热氧化热氧化(Oxidation): SiO2物理气相淀积物理气相

4、淀积(PVD):金属膜、介质膜金属膜、介质膜化学气相淀积化学气相淀积(CVD):介质膜、多晶硅、金属介质膜、多晶硅、金属外延生长法外延生长法(Epitaxy):硅器件工作区硅器件工作区PVD： Physical Vapor DepositionCVD：Chemical Vapor Deposition天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理淀积过程天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理PVD与CVDv PVD：物理过程；固态源；台阶覆盖差，纯度高，适合淀积金属：物理过程；固态源；台阶覆盖差，纯度高，

5、适合淀积金属v CVD：化学过程；气态源；台阶覆盖好，纯度较差，适合淀积介质：化学过程；气态源；台阶覆盖好，纯度较差，适合淀积介质天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 台阶覆盖（step coverage, gap fill）台阶覆盖就是指淀积薄膜的表面形貌与半导体表面的各台阶覆盖就是指淀积薄膜的表面形貌与半导体表面的各种台阶形状的关系。种台阶形状的关系。 共形（保形）覆盖（共形（保形）覆盖（conformalconformal）天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理v 非共形覆盖非共形覆盖F1F2F3入射（到达角）入射（到达角）表面迁移（温度，压力）

6、表面迁移（温度，压力）再发射再发射天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理到达角（Arriving Angle）到达角越大，淀积原子到达角越大，淀积原子到达该点的几率越大，到达该点的几率越大，则该点淀积速率越大。则该点淀积速率越大。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理表面迁移（surface mobility）及再发射表面迁移主要取决与温度和压力：表面迁移主要取决与温度和压力：温度温度越高，成膜原子表面迁移越高，成膜原子表面迁移能力越强能力越强，有足够的能量有足够的能量迁移到到达角小的位置迁移到到达角小的位置，因而台阶覆盖性更好；，因而台阶覆盖性更好；压

7、力压力越大，淀积速率越快，成膜原子越大，淀积速率越快，成膜原子没有足够的时间进没有足够的时间进行表面迁移行表面迁移，因为台阶覆盖性能较差。，因为台阶覆盖性能较差。再发射则主要取决于成膜原子与薄膜之间的作用力。再发射则主要取决于成膜原子与薄膜之间的作用力。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理台阶覆盖问题的改进 工艺选择及参数优化（淀积方式、温度、设备形式等）工艺选择及参数优化（淀积方式、温度、设备形式等） 器件设计优化（尽量减少深宽比器件设计优化（尽量减少深宽比）天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理5.1 真空蒸发法基本原理PVD:PVD:利用某种物理

8、过程实现物质的转移，即原子或分利用某种物理过程实现物质的转移，即原子或分子由源转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜子由源转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜 真空蒸发法真空蒸发法 （EvaporationEvaporation）设备简单、操作容易、设备简单、操作容易、纯度较高、成膜快、机纯度较高、成膜快、机理简单理简单附着力小、工艺重复附着力小、工艺重复性差、台阶覆盖性差、性差、台阶覆盖性差、不适用多组分材料不适用多组分材料 溅射溅射 （sputteringsputtering）适用于任何物质，不适用于任何物质，不受蒸气压和膜成分限受蒸气压和膜成分限制，靶材料与膜成分制，靶材料与膜成分符合，附

9、着好，台阶符合，附着好，台阶覆盖较好覆盖较好设备、操作较复杂设备、操作较复杂天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 真空蒸发设备及蒸发过程真空蒸发设备：真空蒸发设备：v 真空系统真空系统v 蒸发系统蒸发系统v 基板及加热系统基板及加热系统蒸发过程：蒸发过程： 固固 气气 固固v 加热蒸发过程加热蒸发过程v 气相输运过程气相输运过程v 表面淀积过程表面淀积过程真空蒸发：真空蒸发：在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从蒸发源表面逸出，形成蒸气流并入射到硅片（衬子从蒸发源表面逸出，形成蒸气流并入射到硅片（衬底）表面，凝结形成固态薄膜的过程。又

10、称为热蒸发。底）表面，凝结形成固态薄膜的过程。又称为热蒸发。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理真空蒸发设备天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理蒸发中的几个基本概念汽化热：汽化热： 克服固相中原子间的吸克服固相中原子间的吸引力，并形成具有一定引力，并形成具有一定动能的气相原子和分子。动能的气相原子和分子。饱和蒸气压：饱和蒸气压： 真空室内蒸发物质的蒸真空室内蒸发物质的蒸气与固态或液态平衡时气与固态或液态平衡时所表现出来的压力。所表现出来的压力。真空度与平均自由程真空度与平均自由程： 真空系统中粒子两次碰撞之真空系统中粒子两次碰撞之间飞行的平均距离称为

11、蒸发间飞行的平均距离称为蒸发原子或分子的平均自由程。原子或分子的平均自由程。高真空度的目的：高真空度的目的：v 保证粒子近似直线运动保证粒子近似直线运动v 避免残余气体使金属或衬底避免残余气体使金属或衬底发生氧化发生氧化v 避免残余气体或杂质淀积避免残余气体或杂质淀积天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 多组分薄膜蒸发方法v单源蒸发法单源蒸发法: : 合金靶中各组分材料蒸气压应该接近合金靶中各组分材料蒸气压应该接近v多源同时蒸发法多源同时蒸发法： 不同的温度控制，蒸发速率不一致不同的温度控制，蒸发速率不一致v多源顺序蒸发法多源顺序蒸发法： 需高温退火需高温退火天津工业大学

12、天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理5.2 蒸发源v 电阻加热源电阻加热源：结构简单，价廉易做结构简单，价廉易做 直接加热源：钨、钼、钽等；熔点高、蒸气压低、化直接加热源：钨、钼、钽等；熔点高、蒸气压低、化 学学性质稳定；性质稳定；润湿性润湿性好好 间接加热源：耐高温陶瓷和石墨坩埚间接加热源：耐高温陶瓷和石墨坩埚v 电子束加热源电子束加热源： 更高的能量密度，能蒸发难熔材料更高的能量密度，能蒸发难熔材料 水冷坩埚避免容器材料的蒸发及与蒸发材料之间的反应水冷坩埚避免容器材料的蒸发及与蒸发材料之间的反应 热效率高，热传导和热辐射损失小热效率高，热传导和热辐射损失小v 激光加热源激光加热源

13、v 高频感应加热源高频感应加热源天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理电阻丝直接加热蒸发电阻丝加热源示意图电阻丝加热源示意图加热螺旋电阻丝源棒（或源丝）天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理电子束加热源示意图电子束加热源示意图灯丝加速栅极偏转板偏转磁铁电子束蒸发原子蒸气坩埚冷却水电子束蒸发天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 蒸发速率均匀性的控制平板式基板平板式基板 行星式转动机构的半球形罩行星式转动机构的半球形罩 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理5.3 气体辉光放电（Glow Discharge ）直流辉

14、光放电：直流辉光放电：天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理气体辉光放电现象气压逐渐下降气压逐渐下降原子受激幅度不同原子受激幅度不同天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理5.4 等离子体（Plasma）的产生与应用v 弹性碰撞弹性碰撞v 非弹性碰撞非弹性碰撞v 电离过程：电离过程：e-+Ar Ar+ + 2e-v 激发过程：激发过程： e-+O2 O2* + e-v 分解反应：分解反应： e-+CF4 CF3* + F*+ e- 等离子体（等离子体（PlasmaPlasma）：）：一种由正离子、电子、光子、以一种由正离子、电子、光子、以及原子、原子团、分

15、子和它们的激发态所组成的混合气及原子、原子团、分子和它们的激发态所组成的混合气体，而且正、负带电粒子的数目相等，宏观上呈现电中体，而且正、负带电粒子的数目相等，宏观上呈现电中性的性的物质存在形态。物质存在形态。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理Illustration of Ionization天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理Excitation Collision天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理Relaxation天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理Dissociation天津工业大学天津工业大

16、学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理等离子体的物理特性v高度高度电离电离（不同的等离子体电离度不同，（不同的等离子体电离度不同，0.001%-100%），是电和热的良导体，具有比普通气体大几百，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容倍的比热容；v带带正电的和带负电的粒子密度几乎相等正电的和带负电的粒子密度几乎相等，宏观上宏观上呈呈电电中性的中性的。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理物质四态固体 冰液体 水气体 水汽等离子体 电离气体温度00C1000C100000C天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理等离子体的应用 看似看似“神秘神秘”的

17、等离子体，其实是宇宙中一种常见的的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的个宇宙的9999。 等离子体可分为两种：等离子体可分为两种：高温高温和和低温低温等离子体等离子体。 等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场产等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场产生来控制等离子体。生来控制等离子体。低温等离子体物理的发展为材料、能低温等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间科学的进一步发展提新的技术和工艺。源、信息、环境空间科学的进一步发展提新的技术和工艺。如日光灯、如日光灯、PDP

18、PDP等离子电视、等离子电视、ICIC工艺中的等离子体应用工艺中的等离子体应用 。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理PDP的工作原理天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理5.5 溅射（Sputtering） 溅射：溅射：具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入射具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生能量和动量的转离子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生能量和动量的转移，并可能将固体表面的原子溅射出来，这种现象称为移，并可能将固体表面的原子溅射出来

19、，这种现象称为溅射溅射。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理离子入射具有能量的离子打到材料表面具有能量的离子打到材料表面会发生的会发生的四种情况四种情况：n很低能量的离子简单反弹；很低能量的离子简单反弹；n能量小于能量小于10eV10eV的离子会吸附于的离子会吸附于表面，并以声子（热）释放能表面，并以声子（热）释放能量；量；n能量介于能量介于10eV10eV到到10keV10keV时，能时，能量传递，发生溅射过程，逸出量传递，发生溅射过程，逸出的原子一般具有的原子一般具有101050eV50eV的能的能量，远大于蒸发原子；量，远大于蒸发原子；n能量大于能量大于10keV1

20、0keV时，离子注入时，离子注入过程；过程；溅射原子二次电子反射离子与中性粒子入射离子表面衬底损伤注入溅射天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理溅射过程v 入射过程中入射离子与靶材之间有很入射过程中入射离子与靶材之间有很大的能量传递，因而溅射出的原子具大的能量传递，因而溅射出的原子具有较大的动能（有较大的动能（10-50eV），而真空），而真空蒸发过程中原子所获得的动能一般只蒸发过程中原子所获得的动能一般只有有0.1-0.2eV左右；左右；v 因此溅射法的因此溅射法的台阶覆盖能力和附着力台阶覆盖能力和附着力都比真空蒸发要好，同时辐射缺陷远都比真空蒸发要好，同时辐射缺陷远小于

21、电子束蒸发，制作复合材料和合小于电子束蒸发，制作复合材料和合金膜时性能更好金膜时性能更好，是大多数硅基工艺，是大多数硅基工艺PVD的最佳选择。的最佳选择。 天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 溅射特性v 溅射阈值溅射阈值 EEt，1030ev，取决于靶材，取决于靶材v 溅射率溅射率S入射离子能量（一定范围内能量越大，入射离子能量（一定范围内能量越大，S越大）越大）入射离子的种类（原子量越大，入射离子的种类（原子量越大，S越大，周期性变化）越大，周期性变化）被溅射物质的种类（与入射离子种类的影响类似）被溅射物质的种类（与入射离子种类的影响类似）离子入射角（平行和垂直时最小

22、，离子入射角（平行和垂直时最小，70左右最大）左右最大）v 溅射原子的能量和速度溅射原子的能量和速度天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 溅射方法v 直流溅射直流溅射v 射频溅射射频溅射v 磁控溅射磁控溅射v 反应溅射反应溅射v 偏压溅射偏压溅射v 离子束溅射离子束溅射至真空泵溅射气体溅射靶衬底阳极绝缘V(DC)v 530MHz530MHz的交流电（一般为的交流电（一般为13.56MHz13.56MHz）v 在射频电场中，因为电场周期性地改在射频电场中，因为电场周期性地改变方向，则电子不容易到达电极和容变方向，则电子不容易到达电极和容器壁而损失；器壁而损失；v 射频电场可

23、以通过很多类型的阻抗耦射频电场可以通过很多类型的阻抗耦合进入淀积室，所以电极可以是导体，合进入淀积室，所以电极可以是导体，也可以是绝缘体。也可以是绝缘体。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理磁控溅射SNNSNSeAr+AreEB靶原子e2基片溅射靶溅射的缺点溅射的缺点：较低的薄膜淀积速率；：较低的薄膜淀积速率；较高的工作气压。较高的工作气压。磁控溅射的优点磁控溅射的优点：磁场的存在：磁场的存在延长延长了电子在等离子体中的运动轨迹，了电子在等离子体中的运动轨迹，提高了与原子碰撞的效率提高了与原子碰撞的效率，提高了，提高了原子电离的几率，从而在较低的气原子电离的几率，从而在较

24、低的气压下实现了较高的溅射效率和淀积压下实现了较高的溅射效率和淀积速率。速率。天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理 接触孔中的薄膜溅射淀积v 溅射原子遵循余弦分布溅射原子遵循余弦分布 某方向上原子的分布概率与该方向与溅射平面法线的某方向上原子的分布概率与该方向与溅射平面法线的夹角的余弦值成正比夹角的余弦值成正比v 带准直器的溅射淀积方法带准直器的溅射淀积方法 改善台阶覆盖性能改善台阶覆盖性能 降低淀积速率，增加污染和成本降低淀积速率，增加污染和成本v 长投准直溅射技术长投准直溅射技术 靶与硅片之间的距离更长，同时在低压下产生等离子靶与硅片之间的距离更长，同时在低压下产生等离子体体天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路工艺原理带准直器的溅射淀积天津工业大学天津工业大学 集成电路工艺原理集成电路