Chap5 物理气相沉积.ppt

1、Chap5 物理气相沉积,PVD是以物理方式进行薄膜淀积的一种技术。在集成电路生产中，金属薄膜在欧姆接触、互连、栅电极和肖特基二极管等方面，都有很广泛的应用。 PVD有两种方法：蒸镀法（Evaporation Deposition）和溅镀法（Sputtering Deposition）。前者是通过加热被蒸镀物体，利用被蒸镀物体在高温（接近其熔点）时的饱和蒸汽压，进行薄膜淀积，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）进行轰击，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形成溅镀薄膜，又称溅射。,蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以

2、脱离金属表面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，在高压电场作用下，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,蒸发原理图,在薄膜淀积技术发展的最初阶段，蒸发法用的多。其优点：较高的淀积速率、相对高的真空度、较高的薄膜质量。 缺点：台阶覆盖能力差，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基本取代真空蒸发法。,5.1 真空蒸发法制备薄膜的基本原理,蒸发：材料的温度低于熔化温度时，产生蒸气的

3、过程，称为升华，而熔化时产生蒸气的过程称为蒸发。 热蒸发： 蒸发材料，使其原子或分子蒸发，又称。,真空知识：PVD一般是以单质的固体材料为源，然后设法将它变为气态，再在衬底表面淀积而成薄膜。当一个系统中残留1Pa的空气时，由理想气体状态方程可以计算出，在室温下，每立方厘米空间约有2.4*1014个气体分子。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，而且使每立方厘米衬底表面每秒钟要遭受到1018个空气分子的撞击，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，必然会破坏薄膜的成分与质量。所以，PVD法要求正式淀积之前，必须彻底地抽除淀积室内的残留气体，

4、即在低气压（又称本底真空度）下，才能开始淀积。,本底真空度，依据淀积方法，淀积物性质而异。如蒸铝要比蒸金要求更低的本底真空度。这是因为铝易被氧化之故。真空度越高，淀积室内气体分子越少，使得蒸发材料的原子或分子所走的路程就越长。 通常我们把大量原子或分子，两次间碰撞自由飞行的平均长度称为原子或分子的平均自由程（L)。,原子的平均自由程与气体压强成反比。也就是说，P越低，则L就越大。例如当P=1mmHg时，L=5*10-5cm;P=10-6mmHg时，L=5000cm。这就是要想源材料的原子或分子所走的路程越长，就必须将淀积室抽成高真空。生产上常用的是10-510-6mmHg，而蒸发源到衬底的距离

5、大约在1030cm之间，即平均自由程远远大于源到衬底的距离，当源分子或原子从源材料脱离以后，就可以直线形式射到衬底上。当然这不是绝对的，碰撞肯定也有的，只不过这种碰撞几率小到可以忽略不计。,一、真空蒸发设备 三大部分 （1）真空系统：为蒸发过程提供真空环境 （2）蒸发系统：放置蒸发源，以及加热和测温装置。 （3）基板及加热：放置衬底，对衬底加热装置及测量装置。 真空蒸发法过程： （1） 加热蒸发过程 （2） 气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程 （3）被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程,蒸发原理图,二、汽化热和蒸汽压 三、真空度与分子平均自由程 四、多组成薄膜的蒸发方法 单源蒸发法：

6、单源，合金溶液 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,5.2 蒸发源,1.电阻加热源 利用电流通过加热源时所产生能够的焦耳热来蒸发材料。 蒸发中出现的质量问题： （1）铝层厚度控制不合适 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造成半导体器件或集成电路断路，严重影响成品率。如果太厚，电极图形看不清，增加了光刻难度。腐蚀时间一长，容易造成脱胶，钻蚀现象。,（2）铝层表面氧化 蒸铝后出现铝层发黄或发灰，这说明表面被氧化及其他合金物出现，杨画册铝层 不仅难以光刻核键合，而且影响器件性能。 造成铝层氧化有以下原因： 1）钨丝纯度不够，杂质含量太多或清

7、洁处理得不够； 2）真空度低或真空零件不干净； 3）蒸发时挡板打开的过早，即在，铝溶液表面的氧化层还未去掉时就开始蒸发。因而把赃物也蒸发上去了； 4）衬底加热温度较高，并且取片过快； 5）扩散泵抽气率不高，在蒸发时，各部分加热后放出的气体未及时抽走； 6）真空系统中出现慢性漏气。,2.电子束蒸发源 (1)基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于阴极的蒸发材料，使蒸发材料加热气化。 (2)电子束蒸发的优点： l 膜纯度高，钠离子玷污少 l 光刻腐蚀方便 l 镀膜层均匀 l 节约大量钨丝和铝源 l 应用范围广 l 铝膜晶粒致密均匀,3.激光加热源 利用高功率的连续或脉冲激光作为能源对蒸发材料进行加热

8、。 4.高频感应加热蒸发源 通过高频感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热。,5.3 气体辉光放电,溅射：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移，并能将固体表面的原子溅射出来。 基础是辉光放电。 1. 直流辉光放电 2. 辉光放电中的碰撞过程 弹性碰撞： 非弹性碰撞： （1）电离过程；（2）激发过程；（3）分解反应 3. 射频辉光放电,5.4 溅射,溅射是利用等离子体中的离子，对被溅射物体电极进行轰击，使气相等离子体内具有被溅射镀物的粒子，使其淀积到硅片表面并形成薄膜的一种方法，因此将高纯粒子从某种物质的表面撞击出原子的物理过程叫溅射。

9、溅射是目前大规模集成电路制造中应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。,溅射具有以下优点： ）可在一个面积很大的靶子上进行，这样解决了大尺寸硅片淀积铝膜厚度均匀性的问题 ）在选定的工作条件下，膜厚容易控制，只要调节时间就可得到所需厚度 3）溅射淀积薄膜的合金，成分要比蒸发容易控制 4）改变加在硅片上的偏压和温度，可以控制薄膜的许多重要性能，如台阶覆盖和晶粒结构等。 5）在溅射之前进行预溅射，做一番清洁处理，这样可以获得质量更好的薄膜。,一、溅射特性 1. 溅射阈值：1030ev取决于靶材料 2. 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

10、射离子的能量、种类、靶材料的种类等有关。 3. 溅射原子的能量和速度 有5个特点,二、溅射方法 1. 直流溅射：溅射率低，靶材料有较好导电性时可以很方便的溅射淀积各类金属薄膜。 2. 射频溅射：导电性很差的非金属材料的溅射。 3. 磁控溅射：店家速率较高，工作气体压力较低，薄膜质量好，是目前应用最广泛的一种溅射淀积方法。 4. 反应溅射：在淀积同时形成化合物。 5. 偏压溅射：在一般溅射基础上，加一定偏置电压在衬底与靶材料之间，改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和能量。,6. 接触孔中薄膜的溅射淀积：带有准直器。 7. 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。 需要解决的问题： 1）溅射会导致反应室室壁表面凝结靶材料的原子