IC工艺薄膜物理淀积技术 LN
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集成电路制造技术第六章(物理方法薄膜沉积技术)
when V= 10 kV Electron Velocity = 6×104 km/s Temperature ~ 5000-6000 ℃
E-beam Evaporation Machine
热蒸发和电子束蒸发 技术的比较
热蒸发
电子束蒸发
Advantages Simple equipment Low contamination
• 集成电路芯片制造工艺中，在硅片上制作的器件 结构层绝大多数都是采用薄膜沉积的方法完成的。
二种薄膜沉积工艺
• 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）
利用化学反应生成所需的薄膜材料，常用于各种介 质材料和半导体材料的沉积，如SiO2, poly-Si, Si3N4……
• 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）
第六章：薄膜制备技术—— 物理沉积方法
Chapter 6: Thin Film Deposition Techniques： Physical Vapor Deposition
(PVD)
图形的转换方法
填充法 (Additive)
刻蚀法 (Etching or Subtractive)
填充法
刻蚀法
IC制造中的薄膜
溅射技术 (Sputtering)
溅射技术基本原理：在真空腔中两个平板电极中充 有稀薄惰性气体，在施加电压后会使气体电离，离 子在电场的加速下轰击靶材(阴极)，在使靶材上撞 击(溅射)出原子，被撞击出的原子迁移到衬底表面 形成薄膜。
驱动方式： 直流型 DC Diode 射频型 RF Diode 磁场控制型 Magnetron
RML : 蒸汽源材料的消耗速率 （温度越高，消耗速率 越快） : 沉淀材料的质量密度（ 材料本身性质）
E-beam Evaporation Machine
热蒸发和电子束蒸发 技术的比较
热蒸发
电子束蒸发
Advantages Simple equipment Low contamination
• 集成电路芯片制造工艺中，在硅片上制作的器件 结构层绝大多数都是采用薄膜沉积的方法完成的。
二种薄膜沉积工艺
• 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）
利用化学反应生成所需的薄膜材料，常用于各种介 质材料和半导体材料的沉积，如SiO2, poly-Si, Si3N4……
• 物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）
第六章：薄膜制备技术—— 物理沉积方法
Chapter 6: Thin Film Deposition Techniques： Physical Vapor Deposition
(PVD)
图形的转换方法
填充法 (Additive)
刻蚀法 (Etching or Subtractive)
填充法
刻蚀法
IC制造中的薄膜
溅射技术 (Sputtering)
溅射技术基本原理：在真空腔中两个平板电极中充 有稀薄惰性气体，在施加电压后会使气体电离，离 子在电场的加速下轰击靶材(阴极)，在使靶材上撞 击(溅射)出原子，被撞击出的原子迁移到衬底表面 形成薄膜。
驱动方式： 直流型 DC Diode 射频型 RF Diode 磁场控制型 Magnetron
RML : 蒸汽源材料的消耗速率 （温度越高，消耗速率 越快） : 沉淀材料的质量密度（ 材料本身性质）
薄膜淀积工艺(下)
完全保形的均匀覆
不均匀覆盖，台阶
不均匀覆盖，台阶
盖
侧壁下方及台阶底
顶部有拱形突起
部薄
b. 溅射法形成的台阶形貌虽优于蒸发法，但不如CVD法。
c.
改善措施：
I) 衬底加热溅射。
II) 在硅片衬底上加RF偏压，圆片被高
能离子轰击，使溅射材料再淀积。
III) 强迫填充溅射。
IV) 准直溅射。
VI) 离化金属等离子体淀积（IMP， 图12.21 接触孔处台阶覆盖随时间
加热温度有限
提高蒸发温度
只加热淀积材料
加热元件沾污
坩锅材料沾污
存在辐射损伤
4、蒸发工艺的限制因素
1) 薄膜的淀积速率：
高速率与均匀性的矛盾
2) 淀积薄膜材料的纯度
图12.4 在高的淀积速
率下材料平衡蒸汽压
使坩埚正上方区域形
成粘滞流，在坩埚顶
部上方10cm处形成虚
拟源
3) 淀积薄膜的台阶覆盖性
当表面吸附原子移动率低时，阴影
即淀积速率的均匀性。
图12.3 圆片淀积位置
3) 淀积速率的公式：
其中，ρ是淀积材料的质量密度。 Rd的单位是：m/s
讨论
影响淀积速率的主要参数：
a. 被蒸发材料本身的性质
b. 淀积温度：温度越高，Pe越高
c. 腔室和坩锅的几何形状
3、 常用蒸发系ห้องสมุดไป่ตู้（加热器）
电阻加热蒸发、（电感）感应加热蒸发、电子束蒸发
则不发生溅射。
10～30eV
当能量较低时，溅射
产额随能量的平方增
加，至100eV左右；
此后，溅射产额随能
量线性增加，至750eV
半导体制造技术—第四讲：淀积工艺
化学淀积工艺可以应用于半导体制造中的各 种薄膜制备如氧化物、氮化物、金属等
提供反应物质：反应气体是淀积过程中形成薄膜的主要物质来源 控制反应速率：反应气体的浓度和流量可以控制反应速率从而影响薄膜的厚度和质量 影响薄膜性质：反应气体的种类和比例可以影响薄膜的性质如导电性、光学性能等 参与化学反应：反应气体在淀积过程中参与化学反应形成所需的薄膜材料
半导体制造技术之淀 积工艺
汇报人：
目录
添加目录标题
淀积工艺概述
淀积工艺的原理
淀积工艺的应用
淀积工艺的优缺点
淀积工艺的未来展 望
添加章节标题
淀积工艺概述
淀积工艺是半导体制造过程中的关键步骤之一 主要目的是在硅晶圆上沉积一层或多层薄膜 薄膜可以是金属、氧化物、氮化物等 淀积工艺包括化学气相淀积（CVD）、物理气相淀积（PVD）等方法
研究方向：新型材料、新工艺、新设备 技术挑战：提高性能、降低成本、提高可靠性 研发目标：实现更高性能、更低成本、更可靠的淀积工艺 研发成果：新型材料、新工艺、新设备的研发和应用
太阳能电池：利用淀积工艺制造高效太阳能电池提高光电转换效率 燃料电池：利用淀积工艺制造高性能燃料电池提高能源转换效率 储能设备：利用淀积工艺制造高性能储能设备提高储能效率和稳定性 电动汽车：利用淀积工艺制造高性能电动汽车电池提高续航里程和充电速度
物理淀积的优 点是沉积速度 快沉积层厚度 均匀沉积层质
量高
化学淀积是一种通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积可以分为气相化学淀积和液相 化学淀积两种类型
气相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
液相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积工艺可以应用于半导体制造中的各 种薄膜制备如氧化物、氮化物、金属等
提供反应物质：反应气体是淀积过程中形成薄膜的主要物质来源 控制反应速率：反应气体的浓度和流量可以控制反应速率从而影响薄膜的厚度和质量 影响薄膜性质：反应气体的种类和比例可以影响薄膜的性质如导电性、光学性能等 参与化学反应：反应气体在淀积过程中参与化学反应形成所需的薄膜材料
半导体制造技术之淀 积工艺
汇报人：
目录
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淀积工艺概述
淀积工艺的原理
淀积工艺的应用
淀积工艺的优缺点
淀积工艺的未来展 望
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淀积工艺概述
淀积工艺是半导体制造过程中的关键步骤之一 主要目的是在硅晶圆上沉积一层或多层薄膜 薄膜可以是金属、氧化物、氮化物等 淀积工艺包括化学气相淀积（CVD）、物理气相淀积（PVD）等方法
研究方向：新型材料、新工艺、新设备 技术挑战：提高性能、降低成本、提高可靠性 研发目标：实现更高性能、更低成本、更可靠的淀积工艺 研发成果：新型材料、新工艺、新设备的研发和应用
太阳能电池：利用淀积工艺制造高效太阳能电池提高光电转换效率 燃料电池：利用淀积工艺制造高性能燃料电池提高能源转换效率 储能设备：利用淀积工艺制造高性能储能设备提高储能效率和稳定性 电动汽车：利用淀积工艺制造高性能电动汽车电池提高续航里程和充电速度
物理淀积的优 点是沉积速度 快沉积层厚度 均匀沉积层质
量高
化学淀积是一种通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积可以分为气相化学淀积和液相 化学淀积两种类型
气相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
液相化学淀积是通过化学反应在半导体 表面形成薄膜的过程
化学淀积工艺可以应用于半导体制造中的各 种薄膜制备如氧化物、氮化物、金属等
工艺技术(薄膜工艺-淀积)
D W
500 Å
250 Å
高的深宽比间隙
Photograph courtesy of Integrated Circuit Engineering
制备薄膜的方法之一：
化学汽相淀积（CVD） (Chemical Vapor Deposition)
通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。
中反等应真温空度气度一态下般源（在约6500.-17～505℃托）
计算机终端 工作接口
载气
气流控制器
液态源 载N气2 O2
LPCVD
炉
前
三温区
驱
加热器
物
气
体
加热器 TEOS
温度控制器
炉温控制器
压力控制器 尾气
真空泵
固态源
等离子体辅助CVD
等离子体
等离子体是一种高能量、离子化的气体。
当从中性原子中去除一个价电子时， 形成正离子和自由电子。
polySi
n+
n+ Fox
p-well
polySi
p+
p+
n-well
silicon substrate
CMOS Contacts & Interconnects
DPUVRelVipavmonEesaxlEvirpotetiopczshRISaRueMOtersDGiseois1nsttEtchback
Deposition Chamber
Resistively Heated Pedestal
高密度等离子体淀积腔
Photo 11.4
用CVD淀积不同的材料薄膜
CVD单晶硅 (外延)：
最初的外延生长技术是指： 利用化学气相淀积的方法在单晶衬底上生长一薄层单晶硅的技术。
半导体器件-半导体工艺介绍-薄膜淀积
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特点：使用有机金属化合物作为反应物。
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它是利用有机金属如三甲基镓、三甲基铝等与特殊气体如砷化氢、磷化氢等，在反应器内进行化学反应，并使反应物沉积在衬底上， 而得到薄膜材料的生产技术。
作为有机化合物原料必须满足的条件： 在常温左右较稳定，且容易处理。 反应生成的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层。 为了适应气相生长，在室温左右应有适当的蒸气压（≥1Torr）。 原料的优点： 这类化合物在较低的温度即呈气态存在，避免了液态金属蒸发的复杂过程。
MOCVD设备
物理沉积PVD （Physical Vapor Deposition）
没有化学反应出现，纯粹是物理过程
采用蒸发或溅射等手段使固体材料变成蒸汽，并在基底表面凝聚并沉积下来。
Thermal Evaporation (热蒸发) E-beam Evaporation (电子束蒸发) Sputtering (溅射) Filter Vacuum Arc (真空弧等离子体) Thermal Oxidation (热氧化) Screen Printing (丝网印刷) Spin Coating (旋涂法) Electroplate (电镀) Molecular Beam Epitaxy (分子束外延)
高真空 环境
<10-3 Pa
物理沉积方法
热蒸发技术 (Thermal Evaporation Technique)
蒸发工艺是最早出现的金属沉积工艺
钨W(Tm=3380℃) 钽Ta(Tm=2980℃) 钼Mo(Tm=2630℃)
热蒸发-几种典型结构
挡板
蒸发源
晶振
电子束蒸发 (E-beam Evaporation Technique)
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特点：使用有机金属化合物作为反应物。
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它是利用有机金属如三甲基镓、三甲基铝等与特殊气体如砷化氢、磷化氢等，在反应器内进行化学反应，并使反应物沉积在衬底上， 而得到薄膜材料的生产技术。
作为有机化合物原料必须满足的条件： 在常温左右较稳定，且容易处理。 反应生成的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层。 为了适应气相生长，在室温左右应有适当的蒸气压（≥1Torr）。 原料的优点： 这类化合物在较低的温度即呈气态存在，避免了液态金属蒸发的复杂过程。
MOCVD设备
物理沉积PVD （Physical Vapor Deposition）
没有化学反应出现，纯粹是物理过程
采用蒸发或溅射等手段使固体材料变成蒸汽，并在基底表面凝聚并沉积下来。
Thermal Evaporation (热蒸发) E-beam Evaporation (电子束蒸发) Sputtering (溅射) Filter Vacuum Arc (真空弧等离子体) Thermal Oxidation (热氧化) Screen Printing (丝网印刷) Spin Coating (旋涂法) Electroplate (电镀) Molecular Beam Epitaxy (分子束外延)
高真空 环境
<10-3 Pa
物理沉积方法
热蒸发技术 (Thermal Evaporation Technique)
蒸发工艺是最早出现的金属沉积工艺
钨W(Tm=3380℃) 钽Ta(Tm=2980℃) 钼Mo(Tm=2630℃)
热蒸发-几种典型结构
挡板
蒸发源
晶振
电子束蒸发 (E-beam Evaporation Technique)
第六章 薄膜淀积
低温，快速淀积，好的 台阶覆盖能力，好的间 隙填充能力
要求 RF 系统，高成 本，压力远大于张力， 化学物质（如 H2）和 颗粒沾污
高的深宽比间隙的填充， 金属上的 SiO2,ILD-1,ILD, 为了双镶嵌结构的铜籽晶 层，钝化( Si3N4).
连续加工的APCVD 反应炉
反应气体 1 惰性分隔气体 膜 反应气体 2 硅片
p+ silicon substrate
引
言
从MSI到LSI时代，芯片的设计和加工相对较 为直接，上图给出了制作一个早期 CMOS所需的淀 积层。图中器件的特征尺寸远大于 1µm。如图所 示，由于特征高度的变化，硅片上各层并不平坦 ，这将成为VLSI时代所需的多层金属高密度芯片 制造的限制因素。 随着特征尺寸越来越小，在当今的高级微芯 片加工过程中，需要 6 层甚至更多的金属来做连 接 , 各金属之间的绝缘就显得非常重要，所以， 在芯片制造过程中，淀积可靠的薄膜材料至关重 要。薄膜制备是硅片加工中的一个重要工艺步骤 。
优点
缺点
台阶覆盖能力差, 有颗粒沾污 低产出率 高温，低的淀积速率， 需要更多的维护，要求 真空系统支持
应用
低温二氧化硅 (掺杂或不掺杂).
LPCVD (低压 CVD) 等离子体辅助 CVD: 等离子体增强 CVD (PECVD) 高密度等离子体 CVD (HDPCVD)
高温二氧化硅 (掺杂或不 掺杂),氮化硅、多晶硅等
p-well p- Epitaxial layer
p+ Silicon substrate
• 用TEOS－O3淀积SiO2
TEOS 是正硅酸乙脂。分子式为 Si(C2H5O4) ， 是一种液体。臭氧（O3）包含三个氧原子，比氧气 有更强的反应活性，因此，这步工艺可以不用等离 子体，在低温下（如 400℃）进行，因为不需要等 离子体，O3就能是TEOS分解，因此反应可以在常 压（ APCVD,760 托）或者亚常压 (SACVD ， 600 托 ) 下。淀积的二氧化硅薄膜改善了台阶覆盖轮廓，均 匀性好，具有作为绝缘介质优异的电学特性。 优点：对于高的深宽比槽有良好的覆盖填充能力。 缺点： SiO2 膜多孔，因而通常需要回流来去掉潮气 并增加膜密度。
薄膜淀积工艺(上)要点
反应腔抽真空，充气 加高压电场，气体被击
穿，气体离化，产生离子和 自由电子
电子向阳极加速运动，
离子向阴极运动，离子与阴 极碰撞再产生大量二次电子
二次电子与中性气体分
子碰撞，再产生大量离子和 电子，从而维持等离子体
（三）等离子体简介
3、当气体由原子A和原子B组成时，可能出现的过程有
典型工艺条件下 只有0.1%左右 的气体离化率
（二）真空基础知识
1、标准环境条件： 温度为20℃，相对湿度为65%，大气压强 为：101325 Pa = 1013.25 mbar = 760 Torr 2、压强单位：
■ 帕斯卡（Pa）：国际单位制压强单位，1Pa = 1 N/m2
■ 标准大气压（atm）：压强单位，1 atm = 101325 Pa ■ 乇（Torr）：压强单位，1 Torr = 1/760 atm，1 Torr = 1 mmHg ■ 毫巴（mbar）：压强单位，1 mbar = 102 Pa ■ 其他常用压强单位还有：PSI（磅/平方英寸）
压强高，真空度低；
压强低，真空度高。
■ IC工艺设备一般工作在中低真空段，但为了获得无污染的
洁净腔室，一般要求先抽到高真空段后再通入工艺气体。
5、 真空的获得 及抽气装置（真空泵）。 (2) 气体流动：当真空管道两端存在有压力差时，气体会从高压处 向低压处扩散，形成气体流动。
(1) 真空系统的组成：气源（待抽容器）、系统构件（管道阀门等）
■ 典型的射频电源频率为13.56 MHz。 能在交替的半周 期内撞击每个电极的表面。
■ 两个电极相对等离子体内部
是负电位的，且电极两端都 有暗区。
图10.17 射频等离子体示意图
（三）等离子体简介
穿，气体离化，产生离子和 自由电子
电子向阳极加速运动，
离子向阴极运动，离子与阴 极碰撞再产生大量二次电子
二次电子与中性气体分
子碰撞，再产生大量离子和 电子，从而维持等离子体
（三）等离子体简介
3、当气体由原子A和原子B组成时，可能出现的过程有
典型工艺条件下 只有0.1%左右 的气体离化率
（二）真空基础知识
1、标准环境条件： 温度为20℃，相对湿度为65%，大气压强 为：101325 Pa = 1013.25 mbar = 760 Torr 2、压强单位：
■ 帕斯卡（Pa）：国际单位制压强单位，1Pa = 1 N/m2
■ 标准大气压（atm）：压强单位，1 atm = 101325 Pa ■ 乇（Torr）：压强单位，1 Torr = 1/760 atm，1 Torr = 1 mmHg ■ 毫巴（mbar）：压强单位，1 mbar = 102 Pa ■ 其他常用压强单位还有：PSI（磅/平方英寸）
压强高，真空度低；
压强低，真空度高。
■ IC工艺设备一般工作在中低真空段，但为了获得无污染的
洁净腔室，一般要求先抽到高真空段后再通入工艺气体。
5、 真空的获得 及抽气装置（真空泵）。 (2) 气体流动：当真空管道两端存在有压力差时，气体会从高压处 向低压处扩散，形成气体流动。
(1) 真空系统的组成：气源（待抽容器）、系统构件（管道阀门等）
■ 典型的射频电源频率为13.56 MHz。 能在交替的半周 期内撞击每个电极的表面。
■ 两个电极相对等离子体内部
是负电位的，且电极两端都 有暗区。
图10.17 射频等离子体示意图
（三）等离子体简介
薄膜淀积工艺上.pptx
吸附过程
a 代表被吸附的物质
表面总反应
■ 吸附在硅表面的H2被解吸附，留下
空位，使反应可继续进行。
■
被吸附的SiH2在硅片表面扩散，直
到找到空位成键。
■
表面扩散长度长时，淀积均匀；表
面扩散长度短时，淀积不均匀。
温度上升，扩散长度提高
淀积均匀性提高
图13.3 Si CVD过程中硅片表面模型
第22页/共36页
对于高纯净环境，采用干泵以避免油蒸汽污染。
(2)
高真空泵：
抽吸腐蚀性和有毒气体，或大容量气体时，采用动量转移
型泵，如扩散泵和涡轮分子泵；
抽吸小容量气体，或需要超高洁净度时，采用气体吸附型泵，
如冷泵（低温泵）等。
7、真空密封：O形圈（低中真空）、金属法兰（高真空）
8、气压测量：电容压力计、热传导规表（低中真空）、离子
体材料的淀积，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等。
(2) 物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）：利用物理
机制制备所需薄膜材料，常用于金属薄膜的制备淀积，
如铝、钨、钛等。
(3) 其他的淀积技术还包括：旋转涂布法、电解电镀法等
SOG（Spin on Glass）
第3页/共36页
金属Cu的淀积
(7) 副产物离开反应器的输运
1、反应腔内的气体流动
最慢的步骤决定了淀积薄膜的速率
第23页/共36页
2、反应腔内的化学反应
4、反应腔内的化学反应：
化学平衡与质量作用定律
(1) 假设:在小的体积元内温度和气体化学组分是均匀的，
且只进行一种反应，如：
(2) 化学平衡时，每种物质的浓度维持固定不变
a 代表被吸附的物质
表面总反应
■ 吸附在硅表面的H2被解吸附，留下
空位，使反应可继续进行。
■
被吸附的SiH2在硅片表面扩散，直
到找到空位成键。
■
表面扩散长度长时，淀积均匀；表
面扩散长度短时，淀积不均匀。
温度上升，扩散长度提高
淀积均匀性提高
图13.3 Si CVD过程中硅片表面模型
第22页/共36页
对于高纯净环境，采用干泵以避免油蒸汽污染。
(2)
高真空泵：
抽吸腐蚀性和有毒气体，或大容量气体时，采用动量转移
型泵，如扩散泵和涡轮分子泵；
抽吸小容量气体，或需要超高洁净度时，采用气体吸附型泵，
如冷泵（低温泵）等。
7、真空密封：O形圈（低中真空）、金属法兰（高真空）
8、气压测量：电容压力计、热传导规表（低中真空）、离子
体材料的淀积，如二氧化硅、多晶硅、氮化硅等。
(2) 物理气相淀积（Physical Vapor Deposition）：利用物理
机制制备所需薄膜材料，常用于金属薄膜的制备淀积，
如铝、钨、钛等。
(3) 其他的淀积技术还包括：旋转涂布法、电解电镀法等
SOG（Spin on Glass）
第3页/共36页
金属Cu的淀积
(7) 副产物离开反应器的输运
1、反应腔内的气体流动
最慢的步骤决定了淀积薄膜的速率
第23页/共36页
2、反应腔内的化学反应
4、反应腔内的化学反应：
化学平衡与质量作用定律
(1) 假设:在小的体积元内温度和气体化学组分是均匀的，
且只进行一种反应，如：
(2) 化学平衡时，每种物质的浓度维持固定不变
芯片薄膜工艺
芯片薄膜工艺芯片薄膜工艺是指在芯片制造过程中，将各种材料涂覆在芯片表面，用于制造各种功能元件的一种工艺。
薄膜的材料通常是金属、氧化物、氮化物等材料，常常需要在特定的时间、温度和气氛下进行制备。
芯片薄膜工艺是芯片加工中最基础和关键的工艺之一，其质量直接影响芯片的性能和稳定性。
芯片薄膜工艺可以分为物理蒸发、化学气相沉积、物理气相沉积、溅射等几种不同的类型。
它们的优缺点各不相同，适用于不同的芯片制造需求。
其中，物理蒸发是将材料通过加热的方式使其蒸发，之后沉积在芯片表面的一种工艺。
这种工艺操作简单、制备速度较快，但其在大面积制备时有较大缺陷。
化学气相沉积是利用光、热、微波等方式将材料转化为气相，在芯片表面通过化学反应的方式沉积成薄膜的一种工艺。
这种技术具有高度的可控性、高生长速率等优点，适用于一些特殊的芯片制备。
物理气相沉积是将气体输入反应室，通过加热或者辉光放电等能量激发方式，使气体分解并在芯片表面沉积的一种工艺。
此方法适用于制备高质量的薄膜，但操作相对复杂，成本较高。
溅射是一种将材料通过电弧、电子束等方式进行溅射，在芯片表面沉积成薄膜的工艺。
它具有制备速度快、制备大面积薄膜的优点，但与其他工艺相比，其材料的利用率较低。
总的来说，芯片薄膜工艺在现代半导体工业中发挥着至关重要的作用，因为它不仅直接影响着芯片的性能，而且也是芯片制造过程中最基础的核心技术之一。
在未来，随着材料工程、物理化学等研究领域的不断发展，芯片薄膜工艺也将进一步优化和改进，为芯片产业的发展带来创新和更多的机会。
半导体制造工艺薄膜沉积上
半导体制造工艺薄膜沉积随着半导体工业的快速发展，人们对芯片质量的要求也越来越高。
薄膜沉积作为芯片制造过程中的一项重要工艺，在半导体工业中具有极其重要的作用。
本文将介绍薄膜沉积的基本概念、分类以及制备方法，并对其中的一些细节进行分析和探讨。
什么是薄膜沉积薄膜沉积（Thin Film Deposition）是在基底表面制备极其薄的物质层的技术。
这些薄膜通常是微米或纳米级别的，这些物质通常具有单晶或多晶结构，然后用于半导体器件、光电器件、传感器等领域。
在晶体生长时，沉积的晶体结构是由基底表面的原子排列方式决定的。
薄膜沉积的分类根据不同的沉积原理，薄膜沉积可以分为化学气相沉积、物理气相沉积、溅射沉积、化学涂敷沉积等多种类型。
下面针对几种较为常见的薄膜沉积进行详细介绍：化学气相沉积化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）是一种常见的薄膜沉积方法。
该方法通过将反应气体混合后加热，用于生成可沉积的气体，然后让气体接触到基底表面，生成一层新的材料。
在CVD方法中，沉积的材料运输是通过气态反应器中的化学反应实现的。
利用不同的化学反应条件，可以制备出多种材料。
常用的CVD方法有PECVD （Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition）和LPCVD（Low-pressure Chemical Vapor Deposition）。
物理气相沉积物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，简称PVD），也称为蒸镀，是一种利用高温蒸发和凝结作用的方法。
物理气相沉积主要通过基底加热和靶材蒸发的方式来实现。
靶材通常是纯金属或金属合金。
使用物理气相沉积技术可以制备金属、金属合金和其他材料的薄膜，例如在生产光学镜片时用于制备光学膜。
常见的沉积方法有单个磁控溅射（Magnetron Sputtering）和电弧溅射（Arc Sputtering）。
【2019年整理】微电子工艺原理-第6讲薄膜工艺物理气相淀积
33
3.1 电阻加热器
出现最早，工艺简 单；但有加热器污 染，薄膜台阶覆盖 差，难镀高熔点金 属问题。 对电阻加热材料要 求：熔点要高；饱 和蒸气压要低；化 学稳定性好；被蒸 发材料与加热材料 间应有润湿性。
34
3.2电子束(EB)加热
EB蒸镀基于电子在电 场作用下，获得动能 轰击处于阳极的蒸发 材料，使其加热汽化。 优点：EB蒸镀相对于 电阻加热蒸镀杂质少 ，去除了加热器带来 的玷污；可蒸发高熔 点金属；热效率高； 缺点：EB蒸镀薄膜有 辐射损伤，即薄膜电 子由高激发态回到基 态产生的；也有设备 复杂，价格昂贵的缺 点。
•蒸发温度 在饱和蒸汽压为133.3*10-2Pa时所对应的 物质温度
17
蒸发速率 蒸发速率和温度 、蒸发面积、表 面的清洁程度、 加热方式有关， 工程上将源物质 、蒸发温度和蒸 发速率之间关系 绘成为诺漠图。
蒸汽压
2019-04-07
18
蒸镀为什么要求高真空度
蒸发的原子（或分子）的输运应为直线，真空 度过低，输运过程被气体分子多次碰撞散射， 方向改变，动量降低，难以淀积到衬底上。 真空度过低，气体中的氧和水汽，使金属原子 或分子在输运过程中氧化，同时也使加热衬底 表面发生氧化。 系统中气体的杂质原子或分子也会淀积在衬底 上，影响淀积薄膜质量。
1 真空蒸发法原理 2 设备与方法 3加热器 4 气体辉光放电
5 溅射
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物理气相淀积定义
物理气相淀积：利用某种物理过程， 如用真空蒸发和溅射方法实现物质转 移，即原子或分子由源转移到衬底(硅) 表面淀积成薄膜。 包含两种工艺方法：真空蒸发（高真 空）；溅射（等离子体辉光放电）。
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1、金属（Al）的电阻率、粘附性和可光刻性
2、几个物理问题 1）合金的形成 相图 固溶度 金属化合金温度 的选择557°C 合金处理也将改 变界面态
2）界面渗透
557°C 金属化时，Al/Si界面的渗透主要 是Si向Al内扩散。
金属/半导体界面的低温相互渗透，将使 界面的机械强度增加，但也可能影响界面态 的稳定。
无油真空系统：
分子泵
低温吸附泵
溅射离子泵 （Ti升华泵）
• 真空的测量 9.4, 热偶规 电离规
• 坩埚: 与蒸发材料的粘润性和互溶度 钨、刚玉等
P302~303
– 优点与缺点： 系统简单、可蒸镀各种材料、易做厚膜 纯度不够高、镀膜速率不易控制、均匀性 较差（星型夹具）
– 平衡蒸气压：
Gas flow controller
Target Substrate
Gas panel
Chuck
Turbo pump
RF generator Microcontroller operator interface
Pressure controller
Exhaust
Argon
Roughing pump
Al/SiO2界面的在低温下可形成一极薄的 Al2O3层
3） Al/Si接触中的尖刺现象
Al向硅中扩散，（100）方向的扩散系数 大，所以MOS IC器件中明显。
Junction Spiking
Shallow junction
Junction short
尖刺现象的抑制：
Al/Si合金层结构——但Si从Al 中分凝将 在Al层中形成单晶硅“结瘤”或“外延膜” 使接触整流化。
Hi-Vac valve Hi-Vac pump
Roughing pump
2）电子束蒸发： 纯度高 镀膜速率易控制
诱生软x射线： 辐照损伤问题
3）溅射沉积 (10.5)(12.6~12.8) 直流溅射
RF Sputtering System
Matching network
Electrode
Blocking capacitor
– 射频溅射： 解决绝缘靶材料上的电荷堆积问题和合金材 料的组分问题
– 等离子体溅射：低压（电压、气压） – 磁控溅射：提高离化率、分离非离化离子 – 优点：？
– 工艺： （组分的控制，界面态）
– 台阶覆盖： （301，12.10 Morphology and Step Coverage）
(台阶的应用)
• 9.4. 器件中的金属膜 在器件中的作用：
—欧姆电极、连线、肖特基接触
9.4.1.欧姆接触与肖特基接触（半导体物理）
1、金属功函数与半导体亲合能对金—半接触 时的界面空间电荷区的影响 阻挡层和反阻挡层的形成
2、界面态的影响
FWe ？
费米能级钉扎
3、隧穿效应
4、与半导体载流子浓度的关系
5、实现低欧姆接触的途径 高掺杂（正面） 粗表面（背面） 合金（双面）：合金层和扩散层 表面态的形成
6、实现肖特基接触的途径
表面态的处理——表面费米能级的工艺调制
金属的选择 表面的处理 镀膜温度和速率
9.4.2. Al在硅器件中的特点 Al是硅平面器件中的三种基本材料之一
主要做欧姆电极和连线，也能与p型硅形成 欧姆接触。
欧姆电极和连线材料的要求： 电阻率低、稳定抗氧化、与基质材料的粘接 性好、能与各型硅材料形成良好的欧姆接触、 易于光刻、易于键合
• 9.3. PVD的主要应用 PVD技术主要用于金属膜的制备 （也可以用于非金属薄膜材料的生长）
9.3.1 主要金属材料 连线材料（铝Al、铝铜合金、铜Cu） 阻挡层金属（W、Ti、Mo、Ta等） 硅化物（Pt、W、Ti等） 金属填充物（W等） 其它
*真空度对生长膜质量的影响 **材料纯度对生长膜质量的影响 ***技术方法对生长膜质量的影响
Molybdenum(Mo) Platinum(Pt)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Melting Temperature (C)
1412
1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
Resistivity (-cm)
109
500 – 525 2.65 1.678 8 60
13 – 16 5 10
Al/多晶Si双层金属化结构——重掺杂（P、 As）多晶硅具有低阻、互连性好、多晶粒不 易在低温下再结晶等特点。但不适宜在p型 层上作互连。
Al-阻挡层结构——用薄（几十纳米）金 属膜（Ti0.03~0.28W、TiN 0.4） 作Al/Si间的阻 挡层（可在600°C下阻挡Al 20h）。TiW的 压应力大，因而目前多用TiN。由于TiW、 TiN与Si的欧姆接触和粘附性不好，故需在 阻挡层和Si之间加一层金属硅化物（如： PtSi、Pd2Si、CoSi等），形成多层金属化电 极。
– 合金与化合物蒸发：P305 无分解蒸发、分解蒸发；不同蒸气压
的蒸发
– 膜厚的实时测量：
石英振荡法（原理？）
精度可达~0.01Å
Simple Evaporator
Crucible
Wafer carrier
Evaporating metal Process chamber (bell jar)
Silicon and Select Wafer Fab Metals (at 20°C)
Material
Silicon (Si) Doped Polysilicon (Doped Poly)
Aluminum(Al) Copper (Cu) Tungsten (W) Titanium(Ti) Tantalum(Ta)
第9章IC工艺薄膜物理淀积技术_393
Copper Metallization
• 9.1.薄膜沉积的特点：pages 296
• 微电子技术中的薄膜种类繁多，一般都不 能（也不需要）形成与衬底晶格匹配的晶 体。形成非晶或多晶薄膜即可（但要求其 界面的应力足够小）。其生长的过程大致 为：
• 晶核形成、晶粒成长、晶粒聚结、逢道填 补、成积膜成长。
晶粒自由能对成核的影响： 临界半径—表面能的约束
界面亲和能对成核的影响： 浸润湿夹角—界面键的形成
晶粒间界的形成与多晶膜的生长：
杂质的影响：
非晶膜的形成：
（Si非晶膜、多晶膜和外延层的形成）
9.2.几种物理沉积（PVD）方法 1）热阻加热蒸发镀膜
常规真空系统： （Ch 12）
油扩散泵原理:(P.245)