第五章蒸镀

• 蒸汽压（Pv）与汽化热（∆Hv）有关 log Pv=A － B/T
式中A为常数， B= ∆Hv/2.3R 温度T越高，蒸汽压就高, Pv值可查表得出。 对大多数金属来说，要加热到 熔化后(133Pa) 才能有效地蒸发。
• 平均自由程： ＝ KT/ 2 r2P
K为波尔兹曼常数，T＝绝对温度， r=气体分子半径， 反比例与压强P
5.3.4 溅射方法
• 1.直流溅射：适宜有较好导电性的材料 • 2.射频溅射：靶材上有自偏压效应（自动 处于负电位），使气体离子对其产生自发 轰击。 • 3.磁控溅射：磁场的存在增加了等离子体 密度，显著提高溅射的效率和淀积的速率， 降低工作气压。 • 4.反应溅射：在溅射过程中混入其它气体， 使其在溅射的同时生成特定的化合物（如： SiO2、SiC、TiN、Si3N4）
5.3
溅
射
• 溅射是物理气相沉积 （PVD）形式之一， 在溅射过程中，高能 粒子轰击高纯度的固 体平板靶材料，按物 理过程撞击出原子。 这些被撞击出的原子 穿过真空，最后沉积 在晶片上。
5.3.1 溅射的特点：
• 1.溅射是由动量转换引起，溅射出的原子 从入射粒子获得很大的动能（5～20ev) ， 而蒸发只有0.1电子伏 • 2.溅射过程是建立在辉光放电基础上 • 3.被加速的正离子轰击阴极靶
• 电子束蒸镀
• 电子束蒸镀中，被加速到很高能量（5～30keV） 的电子束轰击待蒸镀金属，其动能转化为热能， 只要能量足够大（1200kW）， 会聚电子束能够 熔化和蒸发任何材料。从而获得很高的淀积速率 （0.5μm/min）。 • 自加速270°电子束枪已经成为电子束枪的标准设 计（图）。以前的电子束枪直接瞄准靶材料的表 面，在淀积过程中枪的灯丝会被蒸镀的材料覆盖 或短路。环形电子枪的灯丝表面就与蒸镀源隔离， 同时衬底也不会被灯丝上蒸发出来的物质沾污。 电磁偏置使电子束在源材料的表面扫描，防止电 子束固定造成源中空洞的形成，解决了相应的淀 积不均匀的问题。
A
A A区
外延层中的杂质分布
• 掺杂原理：硼、磷、砷等杂质的气态化合物 （氯化物或硅烷）在外延过程中自行分解， 杂质原子被结合到生长的外延层（晶格）中。 • 掺杂特性：掺杂的效率不仅和温度有关还与 杂质的自身特性有关，通常硼的掺入量随温 度的上升而增加；磷、砷却随温度的上升而 下降。 • 扩散效应：在外延生长时，衬底与外延层中 的杂质互相扩散，引起界面附近的杂质浓度 缓慢变化的现象。
• 外延可以在重掺杂的衬底上生长一层轻掺杂的外延层,这在 优化pn结的击穿电压的同时降低了集电极电阻，提高双极 器件和集成电路的性能。 • 外延在CMOS集成电路中也非常重要，因为它在器件尺寸 不断缩小的同时减轻了闩锁效应。外延层通常是没有污染 的（比如没有氧颗粒，这在CZ生长的硅中是不可能达到 的）。 • 外延层的厚度可以不同，用于高速数字电路的典型厚度是 0.5到5微米，用于硅功率器件的典型厚度是50到100微米。
5.2.1 蒸发优缺点
• 优点： 1）薄膜淀积速率高（如Al的速度是0.5μm/min）； 2）金属原子撞击基片的能量很低（～0.1eV）， 不会损伤基片表面； 3）蒸镀的真空较高，淀积的薄膜含有很少的残 余气体成分，其成分与源材料基本相同； 4）基片的加热只会由薄膜的压缩和源的热辐射 产生。
• 缺点： 1）在控制合金成分方面比溅射困难很多； 2）蒸镀系统不能实现基片表面的原位清洗， 溅射却能够在淀积之前利用溅射刻蚀实 现； 3）台阶覆盖的均匀性不如溅射； 4）电子束蒸镀会产生X射线损伤。
5.2.2 蒸镀方法
• 电阻加热源
最简单的蒸镀方法是电阻加热源，即用蒸气压 很低的金属（如W）的线圈垫在待蒸镀的金属 条下面，然后加热W线圈，待镀金属条就会熔 化并沾湿加热的灯丝，于是蒸镀就开始了。几 个缺点： • 1）灯丝的蒸气可能沾污淀积的薄膜； • 2）不能淀积难熔金属； • 3）每次装料很少，限制了最终的薄膜厚度。
• 1.温度： 下图给出几种主要硅源在一定浓度情况下,生长速率与温度的 关系。 右下 区域是低温区，外延过程是表面化学反应控制 。 左上是高温区，外延过程是质量输运控制。实际外延选在这 一区，因为温度影响较小。但自搀杂和扩散效应加重。 • 2.反应剂的浓度： 低浓度时， .反应剂的浓度决定了生长速率； 一定高的浓度时， .硅原子的淀积速度控制生长速率。进一 步增大SiCl4浓度时，反向腐蚀严重，生长速率反而下降。 • 3.气流： • 4.晶向：
5.2 蒸发工艺
• 在高真空环境下加热的源材料，其原子 或分子会很容易被蒸发出来，而不与其 它的气体分子发生碰撞，直接撞击在硅 片表面，形成一薄层镀膜。 • 蒸发过程中，金属原子的平均自由程远 大于蒸发源到基片的距离。为此高真空 是必要的条件。 • 蒸发过程受表面洁净度、平整度、衬底 温度等因素的影响。
PVD导电金属薄膜－氮化钛
铜互连工艺：
开孔、去气、预清洗 PVD Ta和铜种层
化学镀铜
平坦化并生长保护层
5.4 外延
• 在单晶衬底上生长薄层单晶的工艺叫外延，它可与衬底形 成近似理想的突变结。在硅外延中，硅基片作为籽晶层， 外延层会复制硅片的晶体结构。外延层的搀杂类型可以是n 型也可以是p型，这并不依赖于原始硅片的掺杂类型。
自掺杂效应：
• 外延过程中的化学反应和热作用使衬底中的硅 和杂质进入气相，改变了气相中的掺杂成分和 浓度，从而导致了外延层中的杂质分布的偏差， 这种现象称为自掺杂效应。 • 如何减小自掺杂效应： 1.采用无逆向反应的外延方法（硅烷） 2.两步法外延（先长一薄层/停止生长，吹气/再生 长） 3.采用有背封的硅片，防止杂质外逸 4.衬底掺杂元素选用低蒸汽压和扩散系数小的 5.采用低温和低压外延生长
硅的外延生长示意图
•
综合上述两种反应可以得出结论： 当SiCl4浓度较低时，产生外延硅的反应占 主导作用，随着SiCl4浓度的增加,生长速率增 加。 当SiCl4浓度较高时，腐蚀反应逐渐增强，外 延反应部分被腐蚀反应所抵消，因此淀积速率 开始下降，当SiCl4浓度很高时，不仅停止外延， 而且会使硅衬底发生腐蚀。 下图为实测的外延生长速率与SiCl4浓度的关系曲 线。
5.3.2 溅射的优点是:
• 1.具有沉积并保持复杂合金的原组份的能力。 • 2.能够淀积难熔金属。 • 3.能够在直径为200毫米或更大的晶片上控制淀 积均匀薄膜。 • 4. 能够在沉积金属前清除晶片表面污染和本身 的氧化层（这被称为原位溅射刻蚀）。 • 5. 溅射在间隙填充方面是一个大的改进。溅射 可以获得好的台阶覆盖和填充具有高纵横比通 孔的能力
第五章
物理气相淀积
5.1 ຫໍສະໝຸດ Baidu镀的基本概念
物理气相淀积（PVD） 借助某种物理过程，将材料的原子或分子实现 转移（在衬底），淀积形成薄膜。 汽化热： 将固体或液态的材料加热，使原子或分子获得 足够的能量。能汽化到真空中所需的能量叫汽 化热（∆Hv） 蒸汽压： 物质蒸汽与其固态或液态平衡过程中表现的压 力称为物质的蒸汽压-Pv 。
• 实际的蒸镀工艺还包括以下相关问题： • 1）合金薄膜的蒸镀一般使用两种技术： A.用单一的合金源蒸镀，但合金源的成 分与薄膜 的成分不一定相同(Al-0.5wt%Cu薄膜通常用Al2wt%Cu单源)； B.同时使用两套电子枪和源进行蒸镀，每个源只 含有合金的一种组分。 • 2）多层膜的蒸镀； • 3）蒸镀过程中基片加热到350℃能够明显改善Al 膜的台阶覆盖性。温度的提高使淀积薄膜的晶粒 增大，提高了淀积物质的表面迁移率，薄膜原子 更容易向淀积物质少的区域移动，从而提高了薄 膜厚度的均匀性。 • 4）挡板的使用。
• 电子束蒸镀中可能出现的两个问题是： 1）当电压大于10kV时，电子束会使Al发出 X射线，对器件造成损伤，如在MOS器件 的栅氧化层中形成陷阱电荷。因此用电子 束蒸镀Al作为互连的硅器件必须进行退火， 以去除这些损伤； 2）如果源上加的能量过大，膨胀的金属蒸 气会把金属滴吹离源材料，可能会淀积到 基片上。
水平单片式外延反应器示意图
硅烷热分解法外延
方程式： SiH4 Si↓+ 2H2 ↑ 上述反应是不可逆的，没有卤化物生成， 故不存在反向腐蚀效应。和SiCL4相比一 般反应温度低100度；界面杂质突变型分 布；有利于薄外延。 问题是SiH4 容易分解，造成过早核化，影 响晶体结构。
5.4.3 影响生长速率的因素
5.4.1 外延分类和方法
• 分类：正外延——在低阻衬底长高阻N＋/N 反外延——在高阻衬底长低阻 N/N+ 同质外延——衬底和外延层相同 异质外延——衬底和外延层不同 GaAs/AlGaAs、SOS 气相外延法； 液相外延法； 低压外延法 分子束外延
5.4.2 气相外延硅反应类型
• • • • 四氯化硅(SiCL4) 二氯硅烷(SiH2CL2) 三氯硅烷(SiHCL3) 硅烷(SiH4)
溅射和蒸发的比较
5.3.3 溅射的物理机制及基本步骤
1 . 高真空腔等离子体中的高能电子撞击中性的氩原子 产生正氩离子，并向 具有负电势的靶材料加速。 2 .在加速过程中离子获得动量，并轰击靶。 3 .靶具有希望的材料组份，离子通过物理过程从靶上 撞击（溅射）出原子。 4 .被撞击出（溅射）的原子迁移到晶片表面，入射离 子的能量必须大到撞击出靶原子，但又不太大以至 于渗透进入靶材料的内部，典型溅射离子的能量范 围为500到5000eV。 5 .被溅射的原子在晶片表面凝聚并形成薄膜，薄膜具 有和靶材基本相同的材料组份， 6 .不需要的组分由真空泵抽走。
5.3.5 应用
• 预清洗：氩气等离子体溅射去除表面污 染 • 铝的蒸发和溅射 • PVD导电金属薄膜钛、氮化钛 • 铜种层的淀积 • 硅化物： • 衬垫层（中间层）
钛的作用
• 在金属化工艺中钛（Ti）是经常用到的材料，如 64KSRAM工艺中的一次铝是： 40nm Ti+70nm TiN+600nmAL-Si+40nmTiN 二次铝是： 60nm Ti+1000nmAL-Si+40nmTiN • 钛（Ti）可以清除氧（O），防止在孔区生成高阻的 氧化物（Al2O3 、WO4 ），提高金属和硅的连接的可 靠性，起到焊接层的作用。 • 和TiN一起作为扩散阻挡层，防止W扩散进入衬底。 • Ti和Si可以生成硅化物，减少电阻。 • 钛（Ti）还可以起到平坦化和湿润的作用
• 感应加热蒸镀
• 用RF能量加热源也能够实现高速蒸镀，（如图 所示）， RF感应线圈环绕装有蒸镀源的坩锅。 由于BN能够不受熔化的Al侵蚀，抗热冲击， 容易加工，所以通常用于制作坩锅。
• 感应加热主要优点 1）基片不会受到电离辐射的损伤 2）蒸发源温度均匀稳定，蒸发速率大 两个缺点是： 1）必须使用坩锅； 2）RF设备复杂。 •
外延层的缺陷
硅气相外延的发展趋势
思考题
• 1.如何才能蒸镀出一层优质的薄膜？ • 2.溅射的机理和优点 • 3钛（Ti）和氮化钛（ TiN）在IC金属化 中的作用 • 4.硅烷热分解法外延的原理和特点 • 5.什么叫自掺杂效应，如何减小之？ • 6.集成电路为什么要外延?
四氯化硅氢还原法
方程式：SiCl4+2H2 Si↓+4HCl↑ 上述反应是可逆的，可以认为在外延的起 始阶段首先在衬底表面形成众多的晶核， 然后是晶核的不断长大，最后邻近的晶 核相连而形成晶面。如下图所示。 还有一个与上述反应竞争的反应： SiCl4+ Si（固） → 2SiCl2 当SiCl4浓度较高时就可能发生硅的腐蚀。