金属化 半导体工艺

6.3.3.4 溅射方法
• 自偏压效应
• 辉光放电会产生离子和电子。在射频电场 中电子的运动速度比离子的速度高很多， 因而对一个既可以作为阴极又可以作为阳 极的射频电极来说，它在正半周期内作为 正电极接受的电子电量将比在负半周期作 为负电极接受的离子电量多得多，靶材始 终处于一个负电位吸引氩离子轰击靶材， 从而实现对绝缘材料的溅射。
6.3.2.3 真空蒸发设备
• 真空环境是由一套真空系统实现的， 主要包括前级泵和高真空泵。前级泵 主要是机械泵和罗茨泵等，用来对真 空室进行粗抽；高真空泵主要有涡轮 分子泵和冷泵等，用来实现真空室的 高真空状态。
6.3.2.3 真空蒸发设备
• （2）片架：用来放置硅片，一般可以放置 数十片，所以蒸发工艺可以对硅片进行批 量加工。
6.3.3.4 溅射方法
• 对于导电性较差的材料的溅射，我们找到 了另一种溅射方法——射频溅射。
• 用交流电源代替直流电源就构成了交流溅 射系统，由于常用的交流电源的频率在射 频段，所以称为射频溅射。
6.3.3.4 溅射方法
• 射频方法在溅射过程中可以在靶材上产生 自偏压效应，即在射频电场起作用的同时 ，靶材会自动地处于一个负电位，这将导 致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。
• 1）电子束蒸发可以使熔点高达3000℃以上的材料 蒸发。
• 2）被蒸发的材料是放在水冷的坩埚内，因而可避 免容器材料的蒸发以及容器材料与蒸发材料之间 的反应，可实现高纯度薄膜的淀积。
• 3）热效率高，热量直接加热到蒸发材料的表面。
6.3.2.5 蒸发的基本步骤和过程
• 1.装片抽真空：将清洗干净的硅片装入反应 室，前级泵先对真空反应室进行粗抽，再 由高真空泵继续直到反应室达到预期的真 空度。
二极是指一个阳极、一个阴极，靶材置于 阴极处，基片置于阳极处。在阴阳两极加 上1.5~1.7kV的直流电压，使室内的氩气辉 光放电产生离子，从而达到溅射的目的。
6.3.3.4 溅射方法
• 2.射频溅射
• 使用直流溅射可以很方便地溅射淀积各种 金属薄膜，但前提之一是靶材应具有较好 的导电性。若阴极是导体，由于电传导阴 极表面保持负电位；若是绝缘体，阴极表 面被轰击出的电子不能被补充。因此随轰 击Байду номын сангаас进行阴极聚集大量正电荷，是阴阳两 极表面电势减小；一旦小于支持放电值， 放电现象马上消失。
• 1.电阻加热蒸发
• 用难熔金属（如钨）制成舟状,将材料固定 在加热舟上，当电流通过加热舟时材料被 不断加热到熔点，蒸发出来形成薄膜，叫 做电阻加热蒸发。
• 主要用于某些易熔化、气化材料的蒸镀。
蒸发工艺主要在背面淀积金是采用阻蒸的
方法。
Au
6.3.2.4 蒸发镀膜的方法
• 2.电子束蒸发 • 电子束蒸发由发射高速电子的电子枪和使
6.3.3.3 溅射的特性
• 溅射率的大小与入射离子的能量、种类、 靶材的种类、入射离子的入射角等因素有 关。
• 随着入射离子能量的增加，溅射率指数上 升；但当能量超过一定值后，由于出现明 显的离子注入现象而导致溅射率下降。
溅射产额与入射离子能量的关系
6.3.3.3 溅射的特性
• 3.压力对溅射过程的影响 • 气压降低，气体分子密度减小，辉光放电
• 2.烘烤。对衬底进行加热，去除表面水汽等。
6.3.2.5 蒸发的基本步骤和过程
• 3.蒸发镀膜。 • （1）蒸发过程：对蒸发源进行加热，使其
温度达到蒸发材料的熔点，从固态变为蒸 气。 • （2）输运过程：蒸发材料蒸气原子或分子 在真空环境中由源飞向硅片。
6.3.2.5 蒸发的基本步骤和过程
• （3）生长过程：飞到衬底表面的原子在表 面上凝结生长成膜的过程。原子到达后将 直接发生从气相到固相的相变过程，立即 凝结在衬底表面上。
• 当这些气体通入电压较高的两极间，稀薄 气体中的残余正离子在电场中加速，有足 够的动能轰击阴极，产生二次电子，经碰 撞过程产生更多的带电粒子，使气体导电 ，此放电过程呈现瑰丽的发光现象。
• 溅射现象是在辉光放电过程中观察到的。 在辉光放电过程中离子对阴极的轰击，可 以使阴极的物质飞溅出来。
6.3.3.3 溅射的特性
6.3.1 金属淀积的方法
• 因此溅射法在超大规模集成电路制 造中已基本取代蒸发法；但是在分 立器件(二极管、三极管等)及要求 不高的中小规模集成电路中蒸发还 是被广泛应用。
6.3.2 蒸发
• 6.3.2.1 原理 蒸发：材料熔化时产生蒸气的过程。
• 真空蒸发就是利用蒸发材料在高温时 所具有的饱和蒸气压进行薄膜制备。
电子作圆周运动的均匀磁场组成。在电子 枪中，通过对螺旋状灯丝加高压后发射高 速电子形成电子束。电子束进入均匀磁场 后受洛仑兹力作用而作圆周运动，使电子 束准确地射到蒸发材料的表面。
电子束蒸发装置
电子束蒸发装置
6.3.2.4 蒸发镀膜的方法
• 电子束蒸发具有以下优点，是真空蒸发镀膜中最 重要使用最广泛的方法。
电离分子数也将减少，因而电流也将减小， 溅射淀积率也将降低。另一方面，随着压 力的增加，溅射出来的靶原子在向衬底运 动过程中与气体分子碰撞的机会增加，使 靶原子偏离，甚至返回靶材方向，重新淀 积在靶上，导致溅射淀积率下降。
6.3.3.4 溅射方法
• 1.直流溅射 • 直流溅射又称阴极溅射或直流二极溅射。
6.3.2 蒸发
• 换句话说，蒸发就是指真空条件下加 热蒸发源，将被淀积材料加热到发出 蒸气，蒸气原子以直线运动通过腔体 到达衬底（硅片）表面，凝结形成固 态薄膜。
• 因为真空蒸发法的主要物理过程是通 过加热蒸发材料，使其原子或分子蒸 发，所以又称热蒸发。
6.3.2 蒸发
• 6.3.2.2 优缺点
6.3.3.4 溅射方法
• 3.磁控溅射 • 从以上讨论可以知道，溅射所需的气压较
高，并且淀积速率也较低，气体分子对薄 膜产生污染的可能性也较高。因而，磁控 溅射作为一种淀积速率高、工作气体压力 较低的溅射技术具有独特的优越性。
6.3.3.1 溅射的概念和原理
• 2.溅射的原理
靶原子
Ar+
形成金属膜
Wafer 加热器
Ar
DC电源 磁铁 靶材 反应室
套件
6.3.3.1 溅射的概念和原理
• 溅射是物理气相淀积薄膜的另一种方法。 • 高纯靶材料（纯度在99.999%以上）平板接
地极称为阴极，衬底（硅片）具有正电势 称为阳极。在高压电场作用下，真空腔内 的氩气经过辉光放电后产生高密度的阳离 子（Ar+）， Ar+被强烈吸引到靶材的阴极并 以高速轰击靶材使靶原子溅射出来。
6.3.3 溅射
• 6.3.3.1 溅射的概念和原理 • 1.概念 • 具有一定能量的入射粒子在对固体表面进行轰击
时，入射粒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，称这种现象叫溅射。
• 在实际进行溅射时，通常是让被加速的正离子轰 击作为阴极的靶，并从阴极靶溅射出原子，所以 又称阴极溅射。
MARK50
6.3.2.3 真空蒸发设备
北仪800系列镀膜机
6.3.2.3 真空蒸发设备
片架
加热蒸 发系统
真空系统
6.3.2.3 真空蒸发设备
• （1）真空系统：为蒸发过程提供真空 环境。
• 真空蒸发过程必须在高真空的环境中 进行，否则蒸发的原子或分子与大量 残余气体分子碰撞，将使薄膜受到严 重污染，甚至形成氧化物或者由于残 余分子的阻挡难以形成均匀连续的薄 膜。
半导体制造工艺
——表面金属化
杨谦
金属化
• 6.3.1.金属淀积的方法 • 6.3.2.蒸发
6.3.2.1 原理 6.3.2.2 优缺点 6.3.2.3 设备简介 6.3.2.4 蒸发镀膜的方法 6.3.2.5 蒸发的基本步骤和过程
金属化
• 6.3.3.溅射
6.3.3.1 概念和原理 6.3.3.2 辉光放电 6.3.3.3 溅射的特性 6.3.3.4 溅射的方法 6.3.3.5 溅射所用的材料 6.3.3.6 过程和步骤
6.3.3.3 溅射的特性
• 3）溅射不需考虑金属熔点问题，因而能够 淀积难熔金属。
• 4）具有多腔集成设备，能够在淀积金属前 清除硅片表面沾污和本身的氧化层。如果 将硅片至于靶材位置，那么溅射系统就可 起到清洗和刻蚀的作用，提高薄膜与硅片 表面的粘附性。
6.3.3.3 溅射的特性
• 2.表征溅射特性的参量 • 1）溅射阈值 • 在集成电路制造中，采用溅射法制造的薄
• 片架的旋转方式主要是片架的“公转”加 硅片的“自转”，两种方式同时工作，在 硅片上形成厚度均匀的金属薄膜，并改善 其台阶覆盖能力。
片架及腔室内部构造
6.3.2.3 真空蒸发设备
• 片架（行星盘）
• （3）加热蒸发系统：放置蒸发源的装置， 以及加热和测温装置。
加热蒸发系统
加热蒸发系统
6.3.2.4 蒸发镀膜的方法
• 1.优点 • 1）溅射工艺适用于淀积合金，而且具有保持复杂合金原
组分的能力。比如我们最常用的溅射AlSiCu合金中靶材含 有0.5%的Cu，那么淀积的薄膜也含有0.5%的Cu。 • 2）在溅射过程中溅射出的原子将从溅射过程中获得很大 的动能。由于能量的增加，可以改善台阶覆盖性以及薄膜 与衬底的粘附性。并且由于溅射来自平面源且能从各个角 度覆盖硅片表面，台阶覆盖度还可得到进一步优化。
6.3.3.1 溅射的概念和原理
• 这些被溅射出来的原子将带有一定的动能 ，并沿一定的方向射向衬底，从而实现在 衬底上的薄膜淀积。
• 溅射与蒸发一样，也是一个物理过程。但 是它对工作时的真空度不像蒸发那么高， 通入氩气前后分别是10-7乇和10-3乇（1乇 =133Pa）。
6.3.3.2 辉光放电
• 溅射过程都是建立在辉光放电的基础上， 即射向固体表面的离子都是来源于气体的 辉光放电。
• 所谓辉光放电实际上是低压气体中显示辉 光的气体放电现象。一般情况下，气体基 本处于中性状态，只有极少量的原子电离。 在没有外场作用下，这些被电离的带电离 子与气体分子一样在空间作杂乱无章的运 动。
6.3.3.2 辉光放电
• 优点 设备简单操作容易、所制备的薄
膜纯度较高、成膜速率快、生长机理简单 等。
• 缺点
所形成薄膜与衬底附着力小，台
阶覆盖能力差等。
6.3.2 蒸发
• 蒸发现阶段主要是用在小规模集成 电路及分立器件制造中，另外也被 应用在背面镀金上以便更好地提高 欧姆接触以及芯片和封装材料的粘 合力。
6.3.2.3 真空蒸发设备
6.3.1 金属淀积的方法
• 物理气相淀积（PVD）指的是利用某种 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， 并淀积形成薄膜。这一过程没有化学 反应发生。
6.3.1 金属淀积的方法
蒸发
台阶覆盖能力、粘附性较差
• PVD
溅射
台阶覆盖能力、粘附性好
• 早期使用最广泛的是蒸发法，这种方法具有较高 的淀积速率，所制备膜的的纯度较高。但是它固 有的缺点又限制了在现今工艺中的应用，包括台 阶覆盖能力和与衬底的粘附性较差、淀积多元化 合金金属薄膜时成分难以控制。
• 4. 降温后取片。
6.3.2.5 蒸发的基本步骤和过程
• 淀积速率通常用石英晶体速率指示仪 测量，所用器件是一个谐振器板，当 晶体顶部有材料蒸发淀积，所外加的 质量将使得频率偏移，由测得得频率 移动可得出淀积速率.
6.3.3 溅射
• 在超大规模集成电路中，金属化要能填充 高深宽比的孔，并且产生等角的台阶覆盖 。然而蒸发最大的缺点是不能产生均匀的 台阶覆盖，因此蒸发在现代VLSI生产中逐渐 被溅射淘汰。
金属化
• 6.3.4 金属CVD
6.3.4.1 钨CVD 6.3.4.2 铜CVD
• 6.3.5 电镀
• 6.4 金属化质量控制
• 6.5 金属化流程
膜厚 反射率 均匀性
6.3.1 金属淀积的方法
• 金属淀积需要考虑的是如何在硅片表面形 成具有良好的台阶覆盖能力、良好的接触 以及均匀的高质量金属薄膜。物理气相淀 积是金属淀积最常用的方法。
膜种类很多，所以需要的靶材种类也很多。 • 对于每一种靶材，都存在一个能量阈值，
低于这个值就不会发生溅射现象。 • 溅射阈值主要取决于靶材本身的特性。
6.3.3.3 溅射的特性
• 2）溅射率 • 溅射率也称溅射产额，是表征溅射特性最
重要的一个参量。
• 它表示正离子轰击作为阴极的靶材时，平 均每个正离子能从靶材上打出的原子数目， 就是被溅射出的原子数与入射离子数之比， 用S（原子数/离子数）表示。