薄膜工艺

第7章薄膜工艺

IC 芯片的制作过程实际上就是在硅衬底上多次反复进行薄膜形成、光刻、掺杂等加工。大多数薄膜形成是通过淀积方式在衬底上形成薄膜，硅氧化生长的SiO 2薄膜是硅材料本身同氧气进行化学反应而成，硅的外延则是一种特殊的薄膜工艺，它只能在硅的单晶上生长硅的薄膜。

淀积的方法有两类：物理淀积与化学淀积。真空蒸发、溅射、分子束外延等属于物理淀积，利用化学反应过程的生长方法称为化学淀积。化学淀积分液相淀积与气相淀积，电镀就是液相淀积。

7.1 蒸发7.2 溅射

7.3 化学气相淀积（CVD ）7.4 外延

7.5 其它薄膜生长方式7.6 金属化工艺

本章内容

7.1 蒸发

真空腔

硅圆片淀积材料坩埚机械泵

初级抽气泵

扩散泵

冷阱

放气阀

早期半导体工艺的金属层全由蒸发的方式淀积。

蒸发的过程是在真空条件下，把蒸发的材料加热熔化，从固体变成液体，再变成气体。淀积的速率同该材料的蒸汽压有关，不同的材料其蒸汽压不同。为了得到合适的淀积速率，一般要求蒸汽压至少应为10mTorr 。

常用材料的蒸气压

三种坩埚加热方式三种坩埚加热方式

电阻加热方式（灯丝）

源棒（放在灯丝里面）

加热灯丝

电阻加热方式（坩埚）

淀积材料

感应加热方式（坩埚）

淀积材料

氮化硼坩埚

感应线圈

电子束蒸发方式

（电阻加热和感应加热

都存在加热元件材料沾污的问题）

淀积材料电子束

偏转磁铁偏转磁铁灯丝

加速栅极

多组分薄膜

对于蒸气压很接近的两种或

多种材料，例如Al 和Cu ，可以

把这些材料的混合物放在一个坩埚里蒸发，或制成合金进行蒸发。

单源蒸发

硅圆片

合金膜合金溶液硅圆片

合金膜

多源同时蒸发

材料2

材料1

对于蒸气压相差很大的合金，如TiW ，用单源蒸发方式开始蒸发出来的蒸汽几乎是纯钛，

所以很难得到正确的合金组份。采用多源方式，一个放Ti ，一个放W ，然后同时蒸发，可以有很好的改进，但是仍留下蒸气压的

问题。

硅圆片

分层淀积材料1

多源按次序蒸发

材料2

挡板

对于多成分

薄膜的一种替代方法就是利用挡板的打开与关闭

进行按次序淀积，

然后提高样品的温度让各组分互相扩散，从而形成合金。

7.2 溅射

蒸发工艺的两个缺点：

●

覆盖台阶覆盖（step coverage ）的能力差，常在垂直的壁上断开。

如果当台阶的纵横比大于1︰1、而且硅片不旋转的情况下，蒸发的薄膜很难连续。衬底温度低、无旋转衬底加温并旋转

衬底衬底

淀积的材料

●很难蒸发合金。比如TiW 材料，当蒸发

的坩埚温度为2500℃时，Ti 的蒸汽压是1 Torr ，而W 的蒸汽压仅为3×10-8Torr ，开始蒸发出来的几乎全是纯Ti 。溅射的优点：

●覆盖台阶覆盖性能好，辐射缺陷远少

于电子束蒸发，可以溅射难熔金属（如：

W ）和绝缘材料（如：SiO 2）。

电源

真空泵

阳极

阴极（靶）硅片氩等离子体气体入口

这种简单的溅射系统中，阴极与阳极的距离通常小于10 cm ，腔内气体压力维持在0.1 Torr 。

简单的平行板直流溅射系统

溅射原理溅射原理

在两个电极之间加一高电压，电极间隙内为低气压气体，可激发产生等离子体。

离子加速向带负电的阴极运动，它们轰击表面，释放出二次电子，这些电子被加速，离开阴极。

电子在从阴极向阳极运动的过程中，电子会与中性粒子碰撞，如果碰撞传递的能量小于气体原子的离化能，原子将被激发至高能态，之后通过发射光子由高能态跃迁回基态，产生了等离子特有的辉光。然而如果传递的能量足够高，原子将被离化，并且产生的离子将加速移向阴极，离子束对阴极的轰击产生了溅射工艺。

溅射原理示意

阴极

极间距离L

腔内压力p

⊕●

二次电子

●

⊕

溅射原子

●

正离子

反射离子

与中性粒子

靶

阳极

硅片

溅射产额是指从靶上发出的原子数与射到靶上的离子数之比。它由离子质量、离子能量、靶原子质量和靶的结晶性决定。

靶

●

⊕

溅射产额

S （靶上产生离子/ 射到靶上离子）

1

2

3

2001000

800600400离子能量（eV ）

Au

Pt

Al Cr W

Ti

Si

氩等离子体中溅射产额与离子能量的关系氩等离子体中溅射产额与离子能量的关系

磁控溅射系统磁控溅射系统

真空腔溅射气体

真空高压

E

等离子体

B

S

N N

N S S

在等离子体内加上一个磁场，使得电子绕磁力线方向作螺旋运动，增加了它们

与中性原子的碰撞而产生离子的概率，也就增加了靶的离子的轰击率。在普通的等离子体中，离子密度是0.0001%，而在磁控系统中，离子密度可达0.03%。由于磁场的存在，可以在更低的腔室压力下，一般为10-5～10-7Torr 时，也能形成等离子体。