半导体制造工艺培训教材(共57页).ppt

1、学习情景三常州信息职业技术学院 学习情景三：薄膜制备子情景4：物理气相淀积学习情景三常州信息职业技术学院半导体制造工艺半导体制造工艺 第第2版版 书名：半导体制造工书名：半导体制造工艺艺 第第2 2版版 书号：书号：978-7-111-978-7-111-50757-450757-4 张渊张渊 出版社：机械工业出出版社：机械工业出版社版社学习情景三常州信息职业技术学院物理气相淀积物理气相淀积概念：物理气相淀积，简称概念：物理气相淀积，简称PVD。它。它是以物理方式进行薄膜淀积的一种方是以物理方式进行薄膜淀积的一种方式；式；用途：集成电路中的金属薄膜一般都用途：集成电路中的金属薄膜一般都采用物理

2、气相淀积方式制备；采用物理气相淀积方式制备；方式：蒸发蒸镀和溅射溅镀；方式：蒸发蒸镀和溅射溅镀；学习情景三常州信息职业技术学院蒸发：通过加热被蒸镀物体，利用被蒸蒸发：通过加热被蒸镀物体，利用被蒸镀物体在高温时接近其熔点的饱镀物体在高温时接近其熔点的饱和蒸汽压，进行薄膜淀积，又称热丝和蒸汽压，进行薄膜淀积，又称热丝蒸发；蒸发；溅射：利用等离子体中的离子，对被溅溅射：利用等离子体中的离子，对被溅镀物体粒子靶进行轰击，使气相镀物体粒子靶进行轰击，使气相等离子体内具有被溅镀物体的粒子，等离子体内具有被溅镀物体的粒子，这些粒子淀积到硅晶片上形成溅射薄这些粒子淀积到硅晶片上形成溅射薄膜；膜；学习情景三常州

3、信息职业技术学院溅射系统示意图溅射系统示意图学习情景三常州信息职业技术学院 热丝蒸发热丝蒸发分类：分类：真空钨丝蒸发和电子束蒸发真空钨丝蒸发真空钨丝蒸发真空知识真空知识1标准大气压=760mmHg=760Torr1mmHg=1Torr=133Pa粗真空：76010Torr低真空：1010-3Torr中真空：10-310-5Torr高真空：10-510-8Torr超高真空：10-8Torr以上学习情景三常州信息职业技术学院源材料源材料蒸发的目的是为了形成良好的欧姆接触、蒸发的目的是为了形成良好的欧姆接触、管芯内部互联以及引出电极引线。为管芯内部互联以及引出电极引线。为了到达这个目的，所选用的源材

4、料必了到达这个目的，所选用的源材料必须满足以下几个条件：须满足以下几个条件：有良好的导电性能；有良好的导电性能；容易与硅形成良好的欧姆接触；容易与硅形成良好的欧姆接触；便于键合和引出金属线；便于键合和引出金属线；适合用蒸发工艺；适合用蒸发工艺；学习情景三常州信息职业技术学院与二氧化硅粘附性好；没有毒害；便于光刻；价格廉价；学习情景三常州信息职业技术学院在半导体器件和集成电路制造中，选用铝材料作为蒸发源；原因：铝和P型和N型硅都能形成低电阻的欧姆接触，而且对二氧化硅附着力强，易于蒸发和光刻，导电能力强，价格廉价；除此之外，也用金、镍铬、铅等；学习情景三常州信息职业技术学院真空设备真空设备机械泵机

5、械泵又称真空旋转泵，用来获得低真空的一种抽气设备；能从一个大气压开始抽气，真空度可达10-3Torr；学习情景三常州信息职业技术学院机械泵结构示意图学习情景三常州信息职业技术学院油泵扩散油泵扩散原理：当机械泵抽气到达原理：当机械泵抽气到达10-2Torr以后，再以后，再要抽气，就要用到油扩散泵了它的起始要抽气，就要用到油扩散泵了它的起始点必须在点必须在10-2Torr；工作时用电炉加热扩散泵油，使之沸腾，产工作时用电炉加热扩散泵油，使之沸腾，产生大量油蒸汽；生大量油蒸汽；油蒸汽通过各级喷嘴以较高的速率喷射出来。油蒸汽通过各级喷嘴以较高的速率喷射出来。系统中的气体分子不断作扩散运动，一旦系统中的

6、气体分子不断作扩散运动，一旦与油蒸汽分子相撞，就被油蒸汽分子带走。与油蒸汽分子相撞，就被油蒸汽分子带走。因为油蒸汽分子的质量大，并且作定向运因为油蒸汽分子的质量大，并且作定向运动，所以气体分子就会被油蒸汽分子带到动，所以气体分子就会被油蒸汽分子带到前方；前方；学习情景三常州信息职业技术学院蒸发设备蒸发设备真空蒸发设备又叫真空镀膜机；组成局部：真空镀膜室、抽气系统、测量系统；真空镀膜室：钟罩、蒸发源加热器、衬底加热器；蒸发源加热器一般采用钨丝绕制而成；学习情景三常州信息职业技术学院蒸发系统示意图蒸发系统示意图学习情景三常州信息职业技术学院加热材料应满足：加热材料应满足：要与蒸发材料的熔液有良好的

7、浸润性，即被蒸发材料熔化后能很好的粘在上面而不掉下来；熔点必须高于蒸发金属的熔点，以免在蒸发时，加热器本身熔化；可加工成各种形状，并能重复使用，与蒸发金属间的互熔度必须很小，以免造成蒸发膜玷污或合金化；大多采用钨丝作为加热材料；大多采用钨丝作为加热材料；学习情景三常州信息职业技术学院加热器形状：加热器形状：加热器材料的几何形状直接影响蒸发速率和膜的质量；它们的几何形状和尺寸需要根据蒸发材料的性质、状态、蒸发量及衬底面积而定；通常有以下几种形状：学习情景三常州信息职业技术学院学习情景三常州信息职业技术学院为增大加热丝和源材料的粘合面积，使蒸发源分布均匀，提高蒸发速率及增加加热丝的使用次数，实际中

8、加热丝的做法是：在粗的钨丝上绕上0.5mm的细钨丝，或者采用几股细钨丝绞合成多股丝，然后加工成所需形状；学习情景三常州信息职业技术学院蒸发操作过程：蒸发操作过程：蒸发前准备工作蒸发前准备工作蒸发源加热器处理蒸发源加热器处理一般钨丝外表会有脏物，一定要很好地一般钨丝外表会有脏物，一定要很好地清洗；清洗；清洗可用清洗可用1020% NaOH1020% NaOH或或 KOH KOH溶液煮几溶液煮几次，或用次，或用1020% NaOH1020% NaOH溶液电解。然后溶液电解。然后用冷、热去离子水冲洗至中性，烘干用冷、热去离子水冲洗至中性，烘干备用；备用；初次使用的钨丝应空蒸一次，空蒸相当初次使用的钨

9、丝应空蒸一次，空蒸相当于高温热处理，以去除钨丝中的一些于高温热处理，以去除钨丝中的一些杂质；杂质；学习情景三常州信息职业技术学院铝丝的处理铝丝的处理用甲苯或丙酮去油；用甲苯或丙酮去油；用浓度为用浓度为85%，温度为，温度为6070的磷酸的磷酸溶液腐蚀溶液腐蚀1min，以去除外表的氧化层，以去除外表的氧化层腐蚀后用冷、热去离子水冲洗干净；腐蚀后用冷、热去离子水冲洗干净；然后用无水乙醇脱水，并放在盛有无水然后用无水乙醇脱水，并放在盛有无水乙醇的容器中备用；乙醇的容器中备用；学习情景三常州信息职业技术学院石墨加热衬底的处理石墨加热衬底的处理石墨衬底的清洁用王水浓盐酸和浓硝石墨衬底的清洁用王水浓盐酸和

10、浓硝酸按酸按3：1比例配比煮沸二次；比例配比煮沸二次；每次煮每次煮10min，然后用去离子水煮沸，然后用去离子水煮沸，一直到中性，烘干；一直到中性，烘干；在真空中加温，时间为在真空中加温，时间为12h，以去除石，以去除石墨中的杂质；墨中的杂质；学习情景三常州信息职业技术学院蒸铝过程蒸铝过程翻开机械泵放气阀门。翻开电源开关和翻开机械泵放气阀门。翻开电源开关和机械泵开关及真空室放气阀门，开启机械泵开关及真空室放气阀门，开启钟罩；钟罩；将处理好的铝丝挂好，放好硅片，降下将处理好的铝丝挂好，放好硅片，降下钟罩，关闭真空室放气阀门；钟罩，关闭真空室放气阀门；抽气到抽气到510-2Torr，翻开低真空阀门

11、；，翻开低真空阀门；翻开烘烤电源开关，逐步升温，使温度翻开烘烤电源开关，逐步升温，使温度到达到达1300。关闭烘烤电源开关，待衬底温度降低到关闭烘烤电源开关，待衬底温度降低到100时开始蒸发；时开始蒸发；学习情景三常州信息职业技术学院翻开蒸发开关，将钨丝通电加热，并逐步加大电压。铝丝随温度升高逐步熔化，并开始挥发；当熔融的铝层外表的杂质挥发以后，迅速翻开挡板，使纯洁的铝淀积到硅片上数秒钟后关闭挡板，开始蒸发；待铝膜淀积到一定厚度时，关闭蒸发开关；待衬底温度降低到150左右，关闭高真空、预真空阀门及扩散泵加热开关；学习情景三常州信息职业技术学院待温度降到70以下时，翻开真空室放气阀门，通入氮气或

12、空气，开启钟罩，取出硅片；学习情景三常州信息职业技术学院蒸发中出现的质量问题：蒸发中出现的质量问题：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参数。铝层厚度是蒸铝工艺中一个主要参数。一般铝层为一般铝层为12m；如果铝太薄，在键合工序中容易开焊，如果铝太薄，在键合工序中容易开焊，造成半导体器件或集成电路断路，严造成半导体器件或集成电路断路，严重影响成品率；重影响成品率；如果铝层太厚，电极图形看不清，增加如果铝层太厚，电极图形看不清，增加了光刻难度。腐蚀时间一长，容易造了光刻难度。腐蚀时间一长，容易造成脱胶，钻蚀现象；成脱胶，钻蚀现象；学习情景三常州信息职业技术学院铝层厚度大

13、小是由蒸发源到硅片距离、蒸距离、蒸发时间、硅片加热温度以及真空度发时间、硅片加热温度以及真空度等因素决定的；实际中，源距大于7cm，硅片加热温度为180220。学习情景三常州信息职业技术学院电子束蒸发电子束蒸发原理：原理：高速电子流打在蒸发源外表上，使蒸发高速电子流打在蒸发源外表上，使蒸发源熔化，以变成蒸汽分子，淀积在硅源熔化，以变成蒸汽分子，淀积在硅片衬底上；片衬底上；学习情景三常州信息职业技术学院电子束蒸发优点电子束蒸发优点膜纯度高，钠离子玷污少膜纯度高，钠离子玷污少钨丝蒸发钠离子玷污严重的原因与钨丝钨丝蒸发钠离子玷污严重的原因与钨丝的制造有关制造时用的制造有关制造时用NaOH清洗，不清洗

14、，不可防止的带进大量的可防止的带进大量的Na+。蒸发源加。蒸发源加热时，温度较高不可防止的造成钨热时，温度较高不可防止的造成钨-铝铝金属和杂质的相互扩散，使钨丝中的金属和杂质的相互扩散，使钨丝中的Na+进入蒸发源中，并伴随铝一起蒸进入蒸发源中，并伴随铝一起蒸发到硅片外表。同时发到硅片外表。同时Na+在氧化层中在氧化层中有很大的溶解度，在有很大的溶解度，在480合金时，合金时， Na+会渗入到氧化层中，造成会渗入到氧化层中，造成Na+玷玷污；污；学习情景三常州信息职业技术学院光刻腐蚀方便光刻腐蚀方便钨丝蒸发利用钨丝作为铝源承载体，在钨丝蒸发利用钨丝作为铝源承载体，在蒸发过程中，由于高温下钨蒸发过

15、程中，由于高温下钨-铝直接接铝直接接触而变成合金，因此在蒸发的铝膜中触而变成合金，因此在蒸发的铝膜中含有钨或其他金属杂质，这给光刻带含有钨或其他金属杂质，这给光刻带来一定困难；来一定困难；电子束蒸发时，铝是放在用水冷却的紫电子束蒸发时，铝是放在用水冷却的紫铜坩埚中内，坩埚有较高的热传递性铜坩埚中内，坩埚有较高的热传递性和充分的接触面积，当铝源中心熔化和充分的接触面积，当铝源中心熔化蒸发时，与坩埚接触的四壁和底部仍蒸发时，与坩埚接触的四壁和底部仍处于固态，防止铜铝反响，所以电子处于固态，防止铜铝反响，所以电子束蒸发所得到的铝膜纯度高，易于光束蒸发所得到的铝膜纯度高，易于光刻，线条整齐；刻，线条整

16、齐；学习情景三常州信息职业技术学院镀膜层均匀镀膜层均匀电子束蒸发时采用行星式转动机构，硅电子束蒸发时采用行星式转动机构，硅片在空间不断旋转，因此镀膜十分均片在空间不断旋转，因此镀膜十分均匀钨丝蒸发时硅片是固定不动的；匀钨丝蒸发时硅片是固定不动的；学习情景三常州信息职业技术学院节省大量钨丝和铝源节省大量钨丝和铝源钨丝蒸发时每根钨丝使用58次就得更换，而电子束蒸发采用屏蔽灯丝结构，灯丝寿命较长，使用得当，可以使用一年，并省去清洗钨丝的工作；电子束蒸发将铝放在坩埚里，由于坩埚容积大，可放源150g左右，每蒸发一次所用铝源不多，而钨丝蒸发每次都得加铝源；学习情景三常州信息职业技术学院不能产生均匀的台阶

17、覆盖不能产生均匀的台阶覆盖通过片架的通过片架的“自转和自转和“公转，在台公转，在台阶覆盖覆盖方面取得了一些进步；阶覆盖覆盖方面取得了一些进步；在超大规模集成电路制造技术中，金属在超大规模集成电路制造技术中，金属化需要能够填充具有高深宽比的小孔，化需要能够填充具有高深宽比的小孔，并且产生等角的台阶覆盖；并且产生等角的台阶覆盖；蒸发技术在高深宽比的孔填充方面远远蒸发技术在高深宽比的孔填充方面远远不能满足要求，所以导致蒸发在现代不能满足要求，所以导致蒸发在现代IC生产中被淘汰；生产中被淘汰；蒸发缺点蒸发缺点学习情景三常州信息职业技术学院难以淀积合金材料难以淀积合金材料由于合金是两种金属材料组成，而两

18、种金属就会有两种不同的熔点，这使得利用蒸发使合金材料按原合金比例淀积到硅片上是不可能的；学习情景三常州信息职业技术学院溅射溅射概念：概念： 利用等离子体中的离子，对被溅镀物体利用等离子体中的离子，对被溅镀物体粒子靶进行轰击，使气相等离子粒子靶进行轰击，使气相等离子体内具有被溅镀物体的粒子，这些粒体内具有被溅镀物体的粒子，这些粒子淀积到硅晶片上形成溅射薄膜；子淀积到硅晶片上形成溅射薄膜；学习情景三常州信息职业技术学院溅射优点：溅射优点：可在一个面积很大的靶上进行，这样解决了大尺寸硅片淀积铝膜厚度均匀性的问题；在选定工作条件下，膜厚较容易控制，只要调节时间就可以得到所需要厚度；溅射淀积薄膜的合金成

19、分要比用蒸发容易控制；学习情景三常州信息职业技术学院溅射工作原理：溅射工作原理：产生离子并导向一个靶；产生离子并导向一个靶；离子把靶外表上的原子轰击出来；离子把靶外表上的原子轰击出来；被轰击出的原子向硅片运动；被轰击出的原子向硅片运动；在硅片外表这些原子凝成薄膜；在硅片外表这些原子凝成薄膜；学习情景三常州信息职业技术学院溅射示意图溅射示意图学习情景三常州信息职业技术学院辉光放电辉光放电轰击靶材料的高能粒子是辉光放电产生的；原理：原理：一根玻璃管中充满了压力为1Torr的氩气，两个电极之间的距离为15cm，电压为1.5kv，在玻璃管中引入一个电子，这个电子在两个电极间的电场中加速，这个自由电子有

20、可能碰撞氩原子，把氩原子中的电子激发出来，激发出来的电子就是轰击源材料的轰击源；学习情景三常州信息职业技术学院溅射方式：溅射方式：直流溅射无法溅射绝缘材料，少用直流溅射无法溅射绝缘材料，少用射频射频RF溅射可溅射绝缘材料溅射可溅射绝缘材料磁控溅射磁控溅射学习情景三常州信息职业技术学院溅射优势与蒸发相比溅射优势与蒸发相比适合于淀积合金，而且具有保持复杂合金成分的能力；能获得良好的台阶覆盖蒸发来自于点源，而溅射来自平面源并且可以从各个角度覆盖硅片外表，通过旋转和加热硅片，台阶覆盖还可以得到进一步提高；形成的薄膜与硅片的黏附性比蒸发工艺好；能够淀积难容金属；学习情景三常州信息职业技术学院铜铜Cu制备

21、制备CVD淀积铜电镀铜Cu EcpCu淀积，需要在制备铜互连之前，CVD一层薄Cu种子层；CVD方式用于淀积Cu布线种子层；电镀铜工艺用于同互连线制备；学习情景三常州信息职业技术学院铜电镀铜电镀Cu EcpECP是工业上传统的镀膜工艺之一，电镀工艺存在较大污染和难以控制的工艺过程，在半导体工艺中一直未得到采用；直到铜互连技术的被采用；铜电镀工艺优点：本钱低工艺简单无需真空支持淀积速率易提高学习情景三常州信息职业技术学院铜电镀工艺铜电镀工艺用湿法化学品和电流将靶材上的铜离子用湿法化学品和电流将靶材上的铜离子转移到硅片外表的过程；转移到硅片外表的过程；系统构造系统构造电镀液硫酸铜、硫酸、水电镀液硫

22、酸铜、硫酸、水脉冲直流电流源脉冲直流电流源铜靶材铜靶材硅片硅片学习情景三常州信息职业技术学院原理：原理：当电源加在铜靶阳极和硅片阴极当电源加在铜靶阳极和硅片阴极之间时，溶液中产生电流并形成电场；之间时，溶液中产生电流并形成电场；铜靶阳极中的铜发生反响转换成铜铜靶阳极中的铜发生反响转换成铜离子，并在外加电场作用下，向硅片离子，并在外加电场作用下，向硅片阴极定向移动，到达硅片时，铜阴极定向移动，到达硅片时，铜离子阴极与阴极处的电子发生反响生离子阴极与阴极处的电子发生反响生成铜原子，并被镀在硅片外表；成铜原子，并被镀在硅片外表；学习情景三常州信息职业技术学院铜电镀铜电镀ECP原理示意图原理示意图学习

23、情景三常州信息职业技术学院学习情景三常州信息职业技术学院电镀铜缺陷：电镀铜缺陷：填充高深宽比的沟槽不填充高深宽比的沟槽不理想！在沟槽的不理想！在沟槽的不同部位，电流密度不同部位，电流密度不均匀；沟槽顶部电流均匀；沟槽顶部电流密度高，底部电流密密度高，底部电流密度低度低加上集成电路特征尺寸加上集成电路特征尺寸不断缩小，沟槽深宽不断缩小，沟槽深宽比增大，使得沟槽更比增大，使得沟槽更加难以得到良好的填加难以得到良好的填充。充。学习情景三常州信息职业技术学院解决措施：解决措施：添加剂法添加剂法参加添加剂是改善高深宽比沟槽的填充参加添加剂是改善高深宽比沟槽的填充性能非常关键的因素；性能非常关键的因素；添加剂类型：添加剂类型：加速剂加速剂抑制剂抑制剂平坦剂平坦剂学习情景三常州信息职业技术学院原理及步骤：原理及步骤：添加剂吸附到铜种子层外表，沟槽内首添加剂吸附到铜种子层外表，沟槽内首先进行均匀性填充；先进行均匀性填充； 当加速剂当加速剂A到达临界浓度时，电镀开始到达临界浓度时，电镀开始从均匀性填充变成由底部向上填充；从均匀性填充变成由底部向上填充；抑制剂抑制剂S大量吸附在沟槽开口处，在和大量吸附在沟槽开口处，在和氯离子的共同作用下，通过扩散氯离子的共同作