[工学]第六章 薄膜工艺

4. 金属膜：包括硅化物，用作低阻互连，欧姆 接触，金属/半导体整流等。
薄膜工艺
• 物理气相淀积 ：薄膜淀积过程是物理过程，如蒸 发、溅射等。 • 化学气相淀积 ：薄膜淀积过程是化学反应过程， 如常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相 淀积（LPCVD）等。 • 外延 ：包括物理气相淀积和化学气相淀积，所生 长的薄膜是单晶，因此具有特殊性，其制备技术 包括化学气相淀积、分子束外延（MBE）等。
第六章
薄膜工艺
一、物理气相淀积（PVD） 二、化学气相淀积（CVD） 三、外延（Epitaxy）
在微电子工艺中会用到不同种类的薄膜，比如： 电介质膜、外延膜、多晶硅膜和金属膜等。 1. 电介质膜：可以用作绝缘材料，掩蔽材料和 钝化层等；
2. 外延膜：高质量的单晶膜，对器件进行优化。
3. 多晶硅膜：在MOS器件中作栅电极材料；
热蒸发、电感热蒸发和电子束蒸发。
一个简单的蒸发台
蒸发必须在一定真空度下进行 ， 这是因为真空度太低，蒸气分 子会与空气分子碰撞而损失能 量，改变运动方向，从而到达 不了晶片表面。
其次，低真空下，蒸气分子会 与空气发生氧化等反应。
在真空下，蒸气分子的平均自 由程很大，基本上可以沿直线 方向运动到晶片表面堆积。
磁控等离子体示意图
磁场平行于电极，这样从电极激发出来的二次电子会 被磁场束缚作圆周运动，但离子比较重，受到的影响 比较小。
感应耦合等离子体示意图
线圈上首先加上高电压产生等离子体，然后加上射频 电流产生交变的射频磁场，从而使电子在磁场中的射 程增加，与更多的气体原子（分子）碰撞产生离子。
电子回旋共振等离子体示意图
其中：pe蒸发物质的蒸气压，T温度，ρ蒸发物质密度，A坩埚 面积，M蒸发物质分子量，k玻尔兹曼常数，Z视角因子。
影响蒸发速率的因素
• 温度 ：实际上确定了蒸气压。温度越高，蒸气压
越大，淀积速率越快，但需要控制淀积速率不能 太大，否则会造成薄膜表面形貌变差。
• 视角因子 ：确定了晶片淀积的均匀性，可以调整
晶片的位置，使它们与坩埚在同一圆周上。
一些常用蒸发材料的蒸气压曲线
晶片与坩埚的位置确定了 视角因子Z
cos cos Z 2 R
如果晶片与坩埚均在同一 圆周r之上，则有：
晶片与坩埚的位置
cos cos R 2r 1 Z 2 4 r
蒸发工艺的缺陷
台阶覆盖能力差，为了改善台阶 覆盖，采用办法有： 1. 蒸发过程中旋转晶片； 2. 蒸发过程中加热晶片，增加原子的迁 移能力。
V1 A2 4 ( ) V2 A1
高密度等离子体的产生
• 从本质上来说，是利用电场或磁场来增加电子的射程，增 加电子与气体的碰撞机率，从而增加离子的数量。 • 磁控等离子体：利用磁场增加电子与气体原子（分子）的 碰撞机率； • 电感耦合等离子体：当射频电流流过线圈时会产生感应磁 场，利用感应磁场增加电子与气体原子（分子）的碰撞机 率； • 电子回旋共振等离子体：利用交变电场和磁场的频率耦合， 使电子作圆周运动，从而增加电子与气体原子（分子）的 碰撞机率。
等离子由射频电源激发，线圈产生交变磁场，当射 频电源的频率与磁场频率相同时，电子产生共振作 圆周运动，从而大大增加其射程和碰撞机率。
1.3 物理淀积－蒸发
• 定义 ：将固体源（如铝、钨、钛等）加热
熔化，产生的蒸气在真空中直线运动抵达 晶片表面，堆积成薄膜。 • 根据加热方式，可将蒸发系统分为： 电阻
离子入射到到晶片表面时，可能产生的结果
反射 ：入射离子能量很 低； 吸附 ：入射离子能量小 于10eV； 离子注入 ：入射离子能 量大于10KeV； 溅射 ：入射离子能量为 10 － 10KeV 。一部分离 子能量以热的形式释放； 一部分离子造成靶原子 溅射。
影响溅射速率的因素
• 离子质量 ：离子质量增大，溅射速率有上升的趋 势，但随原子序数呈周期性起伏。 • 离子能量 ：存在能量阈值；能量越大，溅射产额 越大；能量过大，发生离子注入，产额降低，因 此产额在某一能量时会有最大值。 • 离子数量 ：采用高密度等离子体可以增加溅射速 率。 • 靶原子质量和结晶性 ：金属材料中，铜、银、金 较容易溅射；碳、硅、钛、钒、锆、铌、钽、钨 等较难溅射。
1、物理淀积的基本知识
• 真空系统 ：物理淀积必须在真空环境中进 行，否则由于空气分子的碰撞作用，将严 重妨碍物理淀积的过程。真空度则依淀积 方法和淀积物的性质而异。 • 等离子体 ：等离子体产生是溅射工艺的物 理基础，是等离子产生和运动的过程。
1.1 真空系统的产生和密封
真空度的常用单位有托（Torr）、大气压（atm）、 毫米汞柱（mmHg）、帕斯卡（Pa）等。其关系如 下： Torr转换成其它气压单位的转换因子（相乘） 单位 标准大气压（atm） 转换因子 1.33×10-3
直流等离子体的组成
• 直流等离子体由各种辉区和暗区组成。 暗区 是离 子和电子获得能量的加速区； 辉区 是不同粒子发 生碰撞、复合、电离的区域。 • 直流等离子体的组成包括： 阿斯顿暗区、阴极辉 区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正辉柱、 阳极辉区和阳极暗区等区域。
射频（交流）等离子体示意图
该系统中，二次电子的发射不再是维持等离 子体的必要条件。
平板等离子体反应腔示意图
在这个系统中，等离子体靠二次电子的发射维持 。等离子体 主要包括：正离子、电子、中性气体分子或原子。
高压电源在电极间产生的电弧解离气体 产生离子和电子
离子和电子在直流电源的作用下分别向 负极和正极运动
离子轰击负极激发出大量的二次电子， 这些电子向正极运动
电子向正极运动的过程中与中性气体原 子碰撞产生大量的离子，产生循环
合金膜的蒸发要注意：合金中各组分的蒸气压要 一致，否则会出现膜组分不均匀的现象。为了改善合 金膜的组分均匀性，可采用以下方法： 1.多源不同温度蒸发； 2.分层蒸发，但淀积后需要高温扩散。
一台蒸发台用于蒸发铝，铝材料温度加热到 1100℃。蒸发器的行星转动机构半径是 40cm， 坩埚直径 5cm ，铝的淀积速率是多少？铝的密 度：2.7g/cm3。
溅射薄膜形成过程
溅射原子运动到晶片表面
被晶片表面吸附并扩散
岛状区域长大合并成连续 薄膜
原子密度足够大时成核
晶核长大成岛状
溅射薄膜表面形貌
在不同真空度，温度和离子能量下，溅射薄膜的形 貌会发生变化。
溅射薄膜不同形貌特点
特点 1区 T区 2区 形成条件 低真空，低温，低离子能量。 高真空，高离子能量。
冷却元件制冷后恢复工 作状态
连接真空系统与泵腔体， 循环工作
吸附泵必须在一定真空 泵下才能有效的工作。
真空密封：
在中真空领域，一般采用O型橡 胶圈进行密封；
对于高真空领域，则需要采取 金属对金属的密封。比如： 2mm 厚的金属环被夹紧在两个 刀口之间。
1.2 等离子体产生
• 等离子体是除了固态、液态、气态之外的 第四态。 • 它是部分离子化的气体，包括离子，电子 和中性原子。特点是：导电性，宏观上的 中性。
M 1 Rd = pe A 2 2 kT 4 r 2 其中：铝原子质量27,坩埚面积19.6cm 2， 1100C下铝的蒸气压 约为10-3Torr，铝的密度2.7g/cm3，半径40cm，代入上式得： R d蒸发台淀积 Ga和 Al的混合 物，如果淀积温度是 1000℃，坩埚内的初 始混合物是1：1，两种成分黏滞系数都为1， 则蒸发初期膜的组成将是怎样？膜的组成 如何随时间变化？
真
空
泵
1. 真空的产生要依靠 真空泵 。而在低真空和高真 空情形下，要分别使用不同的泵。 2. 低真空下一般使用 机械泵 ，其抽真空过程可以 分为三个步骤：捕捉气体，压缩气体，排除气 体。比如：活塞泵，旋转叶片真空泵，罗茨泵 等。 3. 高真空下使用 扩散泵、分子泵和低温泵 。工作 原理有两种：一是转移动量给气态分子而抽取 气体（扩散泵和分子泵）；二是直接俘获气体 分子（低温泵）。
不同靶材料溅射产额与氩离子能量之间的关系
定义溅射产额：
靶上发射出来的原子数 入射到靶上的离子数
45KeV离子射向银、铜和钽靶时，溅射产额与轰击离子序 数之间的关系
离子质量增大，溅射速率有上升的趋势，但随原子序数呈周期 性起伏。
磁控溅射装置示意图
在等离子腔中引入磁场，增加电子与溅射气体的碰撞 机率，从而增加离子的密度和溅射速率。
电阻加热蒸发
感应加热蒸发
电子束蒸发示意图
蒸发淀积速率
对于气体可由气体动力学得到，单位时间通过单位面积的气体分子数： 2 kTM 假设坩埚表面积恒定为A，则坩埚内材料的蒸发速率为： M pe A （单位时间蒸发的材料质量） 2 kT 考虑到坩埚与晶片之间的位置关系，引入视角因子Z，则淀积速率为： RM = M Rd = pe AZ （单位时间淀积薄膜的厚度变化） 2 2 kT Jn = p2
分子泵示意图
分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产 生定向流动而抽气。其叶片是经过特殊设计，在叶片旋转的过程 中，使气体分子能够产生定向流动。分子泵必须在一定的真空度 下才能有效的运行（气体分子的平均自由程大于叶片间距）。
低温泵（吸附泵）示意图
腔体连接真空系统，气 体吸附到冷却元件上 腔体关闭，加热冷却元 件，使吸附的气体解吸 并抽走
1.4 物理淀积－溅射
• 溅射的物理机制：是利用等离子体中的离 子对靶材料进行轰击，靶材料原子或原子 团被发射出来，堆集在晶片衬底上形成薄 膜。 • 与蒸发工艺相比：台阶覆盖性好，容易制 备合金或复合材料薄膜。
靶－接负极
晶片－置于正极
进气－氩气（用于产生等离 子）
简单平行板溅射系统腔体
工作原理：高压产生等离子 体之后，正离子在电场作用 下向负极运动，轰击靶电极， 激发出来的二次电子向正极 运动，维持等离子体。而被 轰击出来的靶原子则堆集在 晶片上形成薄膜。
多孔、低密度， 无定形
晶粒细小，多晶 柱状晶粒，多晶 颗粒状晶粒，多 晶
较高真空，较高温度，较离 子能量。
更高真空，更高温度，更离 子能量。
3区
溅射薄膜的厚度均匀性
影响因素主要有两个：
1. 溅射原子在晶片衬底上的 扩散速率 。与温度有 关，温度越高，溅射原子扩散越快。或在正极 引入偏压，使一部分离子轰击正极晶片，从而 促进溅射原子的再扩散。
2. 溅射原子的 发散 。可以通过旋转晶片衬底和加 入准直器来实现。
准直器
偏压离子溅射
合金和复合材料溅射
• 采用单靶 ：由于各组分的溅射速率不一致， 导致薄膜中组分与靶中组分会有差异。 • 采用多靶：每个靶的功率可以单独调整。 • 反应溅射 ：溅射室中引入反应气体，则溅 射出来的靶原子会与反应气体发生作用， 得到化合物薄膜。
磅每平方英寸（PSI）
毫米汞柱（mmHg） 帕或牛顿每平方米（Pa）
1.933×10-2
1 133.3
真空范围的近似分类
初真空
中真空 高真空 超高真空
0.1－760 Torr
10-4 － 10-1 Torr 10-8 － 10-4 Torr <10-8 Torr
10 －105 Pa
10-2 －10 Pa 10-6 －10-2 Pa <10-6 Pa
一、物理气相淀积工艺
1. 物理淀积工艺主要用作金属和难熔金属硅化 物薄膜的制备。它们在微电子器件中主要是 作为欧姆接触、互连、栅电极等方面用的薄 膜。 2. 物理淀积主要包括：蒸发和溅射。 3. 早期半导体工艺中的金属层全由蒸发淀积， 但目前大多被溅射代替，原因有二：一是蒸 发的台阶覆盖能力差；二是蒸发难以生产合 金。
活塞真空泵（机械泵）示意图
旋转叶片真空泵（机械泵）示意图
罗茨真空泵（机械泵）示意图
扩散泵示意图
泵油加热成油蒸气
油蒸气从伞形喷嘴 高速喷出
油蒸气喷出时带走 气体分子 油蒸气碰到冷壁凝 成液体流到蒸发器 油蒸气被加热成 油蒸气同时释放 出气体被抽走
特点 ：垂直安装，需要设置冷阱防止返 油，不能抽取与泵油反应的气体。
游离电子在射频电源作用下在电极间作振 荡运动
电子碰撞气体原子产生更多的离子和电子
离子和电子在射频电源的作用下在电 极间作振荡运动，碰撞产生更多的离 子和电子，从而产生循环
问题：射频等离子体中，等离子体和电极之 间的电位分布是怎样的？
答：由于电子的运动速度远大于离子的运动速度，因此电子 会在电极上大量堆积，造成电极处于低电位，电极附近的压 降与电极面积的4次方成反比。