西电集成电路制造技术-第五章PVD

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蒸发工艺流程（蒸铝膜） （a）挂铝丝（99.99%纯度），将硅片置于衬底加热器上，转动活动挡 板，使之位于蒸发源与硅片之间，盖好钟罩。 （b）抽真空：开动机械泵，打开低真空阀，待真空度高于1.3Pa 后，关 低真空阀，开高真空阀，转到用扩散泵抽高真空。 （c）硅片加热：当真空度抽到 6.710-3 Pa 后，开始加温，使衬底温度 升到约400℃ ，恒温数分钟以除去硅片表面吸附污物，然后降温。 （d）蒸发：衬底温度降至150℃且真空度达到 6.710-3 Pa 以上，逐 步加热蒸发源使之熔化后附在钨丝上，先使铝中高蒸汽压杂质挥发掉 (提高铝的纯度)，然后迅速增大加热电流到一定值，打开挡板，使铝 蒸发到硅片上。蒸发完毕转回挡板，并停止蒸发源加热。 （e）取片：待硅片温度降至150℃以下，关闭高真空阀，关闭扩散泵电 源，对真空室放气，打开钟罩，取出硅片。

5.1.5 多组分蒸发
5.2 蒸发源



(按加热方式分类) ①电阻加热源 ②电子束加热源 ③高频感应加热源 ④激光加热源
5.2.1 电阻加热源
直接加热源：加热体与蒸发源的载体是同一物体； 加热体-W、Mo、石墨。 间接加热源：坩埚盛放蒸发源； 坩埚-高温陶瓷、石墨。 对加热材料的要求：不产生污染 ①熔点高：高于蒸发源的蒸发温度； ②饱和蒸汽压低：低于蒸发源； ③化学性能稳定：不发生化学反应，不形成合金。 优点：工艺简单，蒸发速率快； 缺点：难以制备高熔点、高纯度薄膜。
集成电路制造技术
Manufacturing Technology of IC
School of Microelectronics Xidian University 2013.10
第五章 物理气相淀积


PVD：physical vapor deposition 淀积特点：物理过程； 定义：利用某种物理过程如蒸发或溅射方法实现物质的转移，即原子或 分子由源转移到衬底(硅)表面上，淀积成薄膜。 技术： ① 蒸发(Evaporation)：早期制备金属薄膜 ② 溅射(Sputter)：已取代蒸发 ③分子束外延(Molecular Beam Epitaxy MBE)|

5.1.5 多组分蒸发
如，合金蒸发 方法：(按蒸发源分类) ①单源蒸发：具有薄膜组分比例的单一合金靶； 靶源的要求：各组分蒸汽压接近； ②多源同时蒸发：多种靶源，不同温度，同时蒸发； ③多源顺序蒸发：多种靶源，不同温度，顺序蒸发， 最后高温退火； 工艺关键：根据薄膜组分控制各层厚度；
1/cosθ, 80℃，溅射率下降,图5.14
3溅射原子的能量速度
5.4.3 溅射方法
直流、射频、磁控、反应、 离子束、偏压等溅射； 1.直流溅射 溅射靶：阴极 衬底：阳极(接地) 工作气体：Ar 要求：靶材导电性好 特点：只适于金属靶材

5.4.3 溅射方法
2. RF溅射 原理：高频电场经其他阻抗形式耦合进入淀积室； 特点：适于各种金属与非金属靶材；
5.4 溅射


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原理：气体辉光放电产生等离子体，具有能量 的离子轰击靶材，靶材原子获得能量从靶表面 逸出-被溅射出，溅射原子淀积在表面。 热蒸发：只有能量转换 溅射：含动量转换，溅射原子有方向性。 特点：被溅射出的原子动能很大，10-50eV； (蒸发：0.1-0.2eV), 可实现离子注入。 优点：台阶覆盖好(迁移能力强)，附着力强。

5.2.2 电子束蒸发源
原理:电场作用下电子获动能 轰击蒸发材料，使其熔化蒸发。 特点： 淀积高熔点 高纯薄膜


5.2.2 电子束蒸发源


优点： ①蒸发温度高：能量密度高于电阻源，高蒸发速率； ②高纯度淀积：水冷坩埚可避免容器材料的蒸发； ③热效率高：热量直接到蒸发材料表面，热传导和热 辐射损失少。 缺点： ①一次电子与二次电子使蒸发原子电离； ②设备及工艺复杂。



蒸发法：通过被蒸镀物质(如铝)加热，利用被蒸镀物质在高温下(接近物质熔点) 的饱和蒸气压，进行薄膜沉积； 溅射法：高真空中将氩离子加速撞击溅镀靶材，将靶材原子溅击出来，被溅击出 的材质(铝、钛或其合金)粒子沉积到硅表面形成薄膜。 IC中金属或合金材料通过蒸镀或溅射方法制造。淀积铝称金属化工艺，真空中进 行。硅片表面形成一层铝膜。 真空蒸发法 优点：较高淀积速率，较高薄膜质量(系统真空度高) 缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元薄膜时组份难控制 溅射法 优点：淀积多元薄膜时组份易控制，淀积薄膜与衬底附着性好 溅射法很大程度已取代真空蒸发法，真空蒸发法在科研和III-V族化合物半导体工 艺中被采用。
溅射特性
1溅射阈值 10-30eV
2溅射率(产额)S(被溅射原子数/入射离子数) 入射离子能量、种类、靶材种类、入射角 ①入射离子能量,图5.12 ②入射离子种类,图5.13 原子量大，溅射率高，原子序数周期变化。 外层电子填满，溅射率大。惰性气体。Ar ③靶材种类 原子序数周期变化。 ④入射角
5.4.3 溅射方法
3.磁控溅射 原理：磁场在靶材表面与电场垂直，电子沿电场方 向加速、绕磁场方向螺旋前进，提高了电子碰撞电 离效率。 特点：淀积速率最高
磁控溅射
作业

请详细介绍你熟悉的微电子器件/集成电路制造中的某个工 艺技术，如光刻、氧化、掺杂、衬底制备、铜互连、低k介 质材料、高k介质材料、欧姆接触、 新型半导体材料技术 (SiGe、SiC、GaN、应变Si、SOI等)、以及各种器件及IC技 术(结构、模型、设计制造等)历史、发展、国内外研究现 状、应用、存在问题等。
5.2.4 高频感应加热源
优点： ①蒸发速率快； ②温度控制精确； ③工艺简便； 缺点： ①成本高； ②电磁干扰。

激光加热




可蒸发任何高熔点材料(聚焦激光束功率密度 高达106W/cm2)； 被蒸发材料局部受热而汽化，高纯度薄膜， (光斑很小，防止坩锅材料受热污染)； 淀积含有不同熔点材料的化合物薄膜可保证 成分比例(功率密度高) 真空室内装置简单，容易获得高真空度
真空蒸发法

分类
－热蒸发：通过加热蒸发源使原子或分子从蒸发源表面逸出，形 成蒸汽流入射到衬底表面，凝结形成固态薄膜；
(对于熔点不是很高，易熔化的材料)
－电子束蒸发：利用定向高能电子束照射蒸发源使其获得高温， 从而蒸发获得固态薄膜。 (对于高熔点难熔材料)

衬底为低温，蒸发源为高温
基板 蒸发源 真空系统
电子束蒸发台
5.1.1 真空蒸发设备
①真空系统 ②蒸发系统 ③基板及加热系统
蒸发淀积过程

①加热蒸发：加热蒸发源(固态)，产生蒸气； ②输运：气化的原子、分子扩散到基片表面； ③淀积：气化的原子、分子在表面 凝聚、成核、成长、成膜；
真空度与分子平均自由程

分子平均自由程：粒子两次碰撞之间飞行的平均距离。 d：气体分子直径，P：压强。 kT
5.1 真空蒸发的基本原理



材料的三态：solid，liquid，gas； 蒸气：任何温度下，材料表面都存在自身的气体； 蒸气压：平衡时的饱和蒸气压； 升华：低于熔化温度时，产生蒸气的过程； 蒸发：熔化时，产生蒸气的过程； 定义：利用蒸发材料熔化产生的蒸气进行薄膜淀积； 优点：设备简单,淀积速率快,高薄膜质量(系统真空度高) 缺点：台阶覆盖差，多元化合物薄膜组分难控制。

2 d 2 P
高纯薄膜淀积必须在高真空度系统中进行的原因： （1）防止被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体分子碰撞；
（2）残余气体中的氧和水汽会使金属原子或分子在输运过程中氧化，使
加热的衬底表面发生氧化； （3）残余气体所含杂质会淀积到薄膜中，影响薄膜质量。
真空常用数据
真空区域 乇(Torr) 低真空 中真空 高真空 超高真空 极高真空 760~10 10~10-3 10-3~10-8 10-8~10-12 <10-12 压强范围 帕(Pa) 101325~1333 1333~1.3x10-1 1.33x10-1~10-6 10-6~10-10 <10-10
压强 分子平均 空气分子 P(乇) 自由程(cm) 密度(/cm3) 1 10-3 4.72x10-3 4.72 4x1016 4x1013
10-4
10-5 10-6
47.2
472 4720
4x1012
4x1011 4x1010
10-9
4.72x106
4x107
真空区域划分
20℃空气中不同压强下
基片加热器 基片架 基片 真空室钟罩 蒸发料 电阻加热金属舟 蒸发源加热电 极 抽气