物理气相淀积

天津工业大学 集成电路工艺原理
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Illustration of Ionization
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Excitation Collision
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Relaxation
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Dissociation
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等离子体的物理特性
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Q&A
1. 在溅射中，主要利用的是那种非弹性碰撞过程？有没 有分解过程？
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2. Why does one need a vacuum chamber to generate a stable plasma?
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Mean Free Path
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到达角（Arriving Angle）
到达角越大，淀积原子 到达该点的几率越大， 则该点淀积速率越大。
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表面迁移（surface mobility）及再发射
表面迁移主要取决与温度和压力：
温度越高，成膜原子表面迁移能力越强，有足够的能量 迁移到到达角小的位置，因而台阶覆盖性更好；
压力越大，淀积速率越快，成膜原子没有足够的时间进 行表面迁移，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。
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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） • 器件设计优化（尽量减少深宽比）
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§5.1 真空蒸发法基本原理
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带准直器的溅射淀积
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真空蒸发与溅射
真空蒸发法 （Evaporation） •设备简单、操作容易、 纯度较高、成膜快、 机理简单 •附着力小、工艺重复 性差、台阶覆盖性差、 不适用多组分材料
溅射 （sputtering） •适用于任何物质，不 受蒸气压和膜成分限 制，靶材料与膜成分 符合，附着好，台阶 覆盖较好 •设备、操作较复杂
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溅射特性
溅射阈值 E>Et，10～30ev，取决于靶材 溅射率S 入射离子能量（一定范围内能量越大，S越大） 入射离子的种类（原子量越大，S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） 离子入射角（平行和垂直时最小，70°左右最大） 溅射原子的能量和速度
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离子入射
具有能量的离子打到材料表面 会发生的四种情况：

反射离子与 中性粒子 入射离子 二次电子
很低能量的离子简单反弹；

能量小于10eV的离子会吸附于 表面，并以声子（热）释放能 量；
能量介于10eV到10keV时，能 量传递，发生溅射过程，逸出 的原子一般具有10－50eV的能 量，远大于蒸发原子； 能量大于10keV时，离子注入 过程；
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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 种台阶形状的关系。 共形（保形）覆盖（conformal）
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非共形覆盖
F1
F2
F3
入射（到达角） 表面迁移（温度，压力） 再发射
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电阻丝直接加热蒸发
源棒（或源丝） 加热螺旋电阻丝
电阻丝加热源示意图
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电子束蒸发
蒸发原子 蒸气 电子束
坩埚
冷却水
灯丝 偏转板 加速栅极 偏转磁铁
电子束加热源示意图
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蒸发速率均匀性的控制
平板式基板
行星式转动机构的半球形罩
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溅射靶
N S S N N S
接触孔中的薄膜溅射淀积
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 夹角的余弦值成正比 带准直器的溅射淀积方法
改善台阶覆盖性能
降低淀积速率，增加污染和成本 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 体
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PVD系统
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小结
IC中薄膜的分类和典型制备方法 淀积的概念以及PVD和CVD的区别
真空蒸发和溅射各自的特点
影响台阶覆盖的因素（到达角、表面迁移、再发射）
真空蒸发的基本过程及蒸发源
等离子体的概念，产生及应用 溅射的基本原理（磁控溅射）及影响溅射率的因素
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溅射方法
直流溅射 5~30MHz的交流电（一般为13.56MHz） 绝缘 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 溅射靶 器壁而损失； 射频电场可以通过很多类型的阻抗耦 衬底 合进入淀积室，所以电极可以是导体， 也可以是绝缘体。 阳极
P-Si Al 介质（SiO2） 多晶硅
+
介质（SiN）
多晶硅栅
n n
+
场氧化SiO2
栅氧化层
台阶覆盖好
低缺陷密度
MOSFET的剖面图
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薄膜制备方法
热氧化(Oxidation): SiO2 薄膜制备 物理气相淀积(PVD):金属膜、介质膜 化学气相淀积(CVD):介质膜、多晶硅、金属 外延生长法(Epitaxy):硅器件工作区
Chap.5 物理气相淀积 (PVD)
1 2 3 4 5
IC中的薄膜及其制备方法
淀积的概念及PVD和CVD
薄膜淀积中的台阶覆盖问题
真空蒸发的基本原理及过程 溅射的基本原理及方法
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单个完整的CMOS结构
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IC中的薄膜
介电薄膜（SiO2，SiN）：用来隔 离导电层，作为扩散及离子注入 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， 水汽或刮伤的损害。 多晶硅（Polysilicon）：MOS器件 的栅淀积材料，多层金属导通材 料或浅结的接触材料。 金属薄膜（铝，铜或金属硅化 物）：形成低阻值金属连线，欧 姆接触及整流金－半接触。
蒸发系统
基板及加热系统
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真空蒸发设备
衬底材料（含 基座和加热装 置） 蒸发材料释 放出的气体 蒸发材料 坩埚（或电阻 丝，钼舟等其 他形式） 阀门
真空罩
分子泵
机械泵
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蒸发中的几个基本概念
汽化热：
克服固相中原子间的吸 引力，并形成具有一定 动能的气相原子和分子。
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真空蒸发设备及蒸发过程
真空蒸发：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 底）表面，凝结形成固态薄膜的过程。又称为热蒸发。
真空蒸发设备： 真空系统 蒸发过程： 固 气 固 加热蒸发过程 气相输运过程 表面淀积过程
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§5.3 气体辉光放电（Glow Discharge ）
直流辉光放电：
f 暗流 汤生 放电 辉光放电
电 弧 放 电
b 电 压
c
d a 电流
e g
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气体辉光放电现象
原 子 受 激 幅 度 不 同
气 压 逐 渐 下 降
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高度电离（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 倍的比热容； 带正电的和带负电的粒子密度几乎相等，宏观上呈电 中性的。
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物质四态
固体
冰
液体
水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C 温度
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介质（SiN） Al 介质（SiO2） 多晶硅
+
多晶硅栅
n n
+பைடு நூலகம்
场氧化SiO2
栅氧化层 P-Si
MOSFET的剖面图
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ULSI对薄膜性能的要求

厚度均匀 高纯度以及高密度 可控制组分及组分的比例 薄膜结构的高度完整性 良好的电学特性 良好的附着性
多组分薄膜蒸发方法
单源蒸发法:
合金靶中各组分材料蒸气压应该接近
多源同时蒸发法：
不同的温度控制，蒸发速率不一致
多源顺序蒸发法：
需高温退火
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§5.2 蒸发源
电阻加热源：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 学 性质稳定；润湿性好 间接加热源：耐高温陶瓷和石墨坩埚 电子束加热源： 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 热效率高，热传导和热辐射损失小 激光加热源 高频感应加热源
§5.4 等离子体（Plasma）的产生与应用
弹性碰撞 非弹性碰撞 电离过程：e-+Ar 激发过程： e-+O2 分解反应： e-+CF4
Ar+ + 2eO 2 * + eCF3* + F*+ e-
等离子体（Plasma）：一种由正离子、电子、光子、以 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 性的物质存在形态。
表面 衬底 损伤
溅射原子

注入
溅射

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溅射过程
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 有较大的动能（10-50eV），而真空 蒸发过程中原子所获得的动能一般只 有0.1-0.2eV左右；
因此溅射法的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 小于电子束蒸发，制作复合材料和合 金膜时性能更好，是大多数硅基工艺 PVD的最佳选择。
等离子体的应用
看似“神秘”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 个宇宙的99％。 等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。 等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场产 生来控制等离子体。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。 如日光灯、PDP等离子电视、IC工艺中的等离子体应用 。
－V(DC)
射频溅射
磁控溅射 反应溅射 偏压溅射 离子束溅射
溅射气体
至真空泵
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磁控溅射
基片
靶原子 E e2 Ar e Ar+ e B
溅射的缺点：较低的薄膜淀积速率； 较高的工作气压。 磁控溅射的优点：磁场的存在延长 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 原子电离的几率，从而在较低的气 压下实现了较高的溅射效率和淀积 速率。
PVD: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
真空蒸发法
（Evaporation） •设备简单、操作容易、 纯度较高、成膜快、机 理简单 •附着力小、工艺重复 性差、台阶覆盖性差、 不适用多组分材料
溅射
（sputtering） •适用于任何物质，不 受蒸气压和膜成分限 制，靶材料与膜成分 符合，附着好，台阶 覆盖较好 •设备、操作较复杂
真空度与平均自由程：
真空系统中粒子两次碰撞之 间飞行的平均距离称为蒸发 原子或分子的平均自由程。
饱和蒸气压：
真空室内蒸发物质的蒸 气与固态或液态平衡时 所表现出来的压力。
高真空度的目的：
保证粒子近似直线运动 避免残余气体使金属或衬底 发生氧化 避免残余气体或杂质淀积
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PVD： Physical Vapor Deposition CVD：Chemical Vapor Deposition
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淀积过程
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PVD与CVD
PVD：物理过程；固态源；台阶覆盖差，纯度高，适合淀积金属 CVD：化学过程；气态源；台阶覆盖好，纯度较差，适合淀积介质
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PDP的工作原理
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§5.5 溅射（Sputtering）
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，并可能将固体表面的原子溅射出来，这种现象称为溅射。