1、1Chap5 Chap5 物理氣相沉積物理氣相沉積 PVDPVD是以物理方式進行薄膜淀積的一種技術(shù)。在是以物理方式進行薄膜淀積的一種技術(shù)。在集成電路生產(chǎn)中，金屬薄膜在歐姆接觸、互連、柵集成電路生產(chǎn)中，金屬薄膜在歐姆接觸、互連、柵電極和肖特基二極管等方面，都有很廣泛的應(yīng)用。電極和肖特基二極管等方面，都有很廣泛的應(yīng)用。 P V DP V D 有 兩 種 方 法 ： 蒸 鍍 法 （有 兩 種 方 法 ： 蒸 鍍 法 （ Evapor ati on Deposition）和濺鍍法（）和濺鍍法（Sputtering Deposition）。）。前者是通過加熱被蒸鍍物體，利用被蒸鍍物體在高前者是通過加熱被

2、蒸鍍物體，利用被蒸鍍物體在高溫（接近其熔點）時的飽和蒸汽壓，進行薄膜淀積，溫（接近其熔點）時的飽和蒸汽壓，進行薄膜淀積，又稱熱絲蒸發(fā)。后者是利用等離子體中的離子，對又稱熱絲蒸發(fā)。后者是利用等離子體中的離子，對被濺鍍物體（又稱離子靶）進行轟擊，使氣相等離被濺鍍物體（又稱離子靶）進行轟擊，使氣相等離子體內(nèi)具有被濺鍍物體的粒子（原子），這些粒子子體內(nèi)具有被濺鍍物體的粒子（原子），這些粒子淀積到硅晶體上形成濺鍍薄膜，又稱濺射。淀積到硅晶體上形成濺鍍薄膜，又稱濺射。2 蒸發(fā)：蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原能量后便可以脫離金屬

3、表面的束縛成為蒸汽原子，淀積在晶片上。按照能量來源的不同，有子，淀積在晶片上。按照能量來源的不同，有燈絲加熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種燈絲加熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種 濺射：濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場作用下，氣體放電形成的離子被強電場加速，場作用下，氣體放電形成的離子被強電場加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上3蒸蒸發(fā)發(fā)原原理理圖圖4 在薄膜淀積技術(shù)發(fā)展的最初階段，蒸在薄膜淀積技術(shù)發(fā)展的最初階段，蒸發(fā)法用的多。其優(yōu)點：較高的淀積速率、發(fā)法用的多。其優(yōu)點：較高的淀積速率、相對高的真空度、較高的薄膜質(zhì)量。相對高的

4、真空度、較高的薄膜質(zhì)量。 缺點：臺階覆蓋能力差，淀積多元化缺點：臺階覆蓋能力差，淀積多元化合金薄膜時組分難以控制。合金薄膜時組分難以控制。 濺射法優(yōu)點：淀積多源化合金薄膜時，濺射法優(yōu)點：淀積多源化合金薄膜時，化學(xué)成分容易控制、淀積的薄層與襯底化學(xué)成分容易控制、淀積的薄層與襯底附著性好等。附著性好等。 濺射技術(shù)制備薄膜的技術(shù)已基本取濺射技術(shù)制備薄膜的技術(shù)已基本取代真空蒸發(fā)法。代真空蒸發(fā)法。55.1 真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理 蒸發(fā)：材料的溫度低于熔化溫度時，蒸發(fā)：材料的溫度低于熔化溫度時，產(chǎn)生蒸氣的過程，稱為升華，而熔化時產(chǎn)生蒸氣的過程，稱為升華，而熔化時產(chǎn)生蒸氣的

5、過程稱為蒸發(fā)。產(chǎn)生蒸氣的過程稱為蒸發(fā)。 熱蒸發(fā)：熱蒸發(fā)： 蒸發(fā)材料，使其原子或分蒸發(fā)材料，使其原子或分子蒸發(fā)，又稱。子蒸發(fā)，又稱。 6 真空知識：真空知識：PVD一般是以單質(zhì)的固體材料一般是以單質(zhì)的固體材料為源，然后設(shè)法將它變?yōu)闅鈶B(tài)，再在襯底表面為源，然后設(shè)法將它變?yōu)闅鈶B(tài)，再在襯底表面淀積而成薄膜。當(dāng)一個系統(tǒng)中殘留淀積而成薄膜。當(dāng)一個系統(tǒng)中殘留1Pa的空氣的空氣時，由理想氣體狀態(tài)方程可以計算出，在室溫時，由理想氣體狀態(tài)方程可以計算出，在室溫下，每立方厘米空間約有下，每立方厘米空間約有2.4*1014個氣體分子。個氣體分子。這些氣體分子不僅嚴重妨礙了鋁、金、鉻等金這些氣體分子不僅嚴重妨礙了鋁、金

6、、鉻等金屬蒸發(fā)分子由源向襯底的降落淀積，而且使每屬蒸發(fā)分子由源向襯底的降落淀積，而且使每立方厘米襯底表面每秒鐘要遭受到立方厘米襯底表面每秒鐘要遭受到1018個空氣個空氣分子的撞擊，這個數(shù)值已遠遠超出了金屬淀積分子的撞擊，這個數(shù)值已遠遠超出了金屬淀積膜的原子密度，這些物質(zhì)夾在薄膜中，必然會膜的原子密度，這些物質(zhì)夾在薄膜中，必然會破壞薄膜的成分與質(zhì)量。所以，破壞薄膜的成分與質(zhì)量。所以，PVD法要求正法要求正式淀積之前，必須徹底地抽除淀積室內(nèi)的殘留式淀積之前，必須徹底地抽除淀積室內(nèi)的殘留氣體，即在低氣壓（又稱本底真空度）下，才氣體，即在低氣壓（又稱本底真空度）下，才能開始淀積。能開始淀積。7 本底真

7、空度，依據(jù)淀積方法，淀積物性本底真空度，依據(jù)淀積方法，淀積物性質(zhì)而異。如蒸鋁要比蒸金要求更低的本質(zhì)而異。如蒸鋁要比蒸金要求更低的本底真空度。這是因為鋁易被氧化之故。底真空度。這是因為鋁易被氧化之故。真空度越高，淀積室內(nèi)氣體分子越少，真空度越高，淀積室內(nèi)氣體分子越少，使得蒸發(fā)材料的原子或分子所走的路程使得蒸發(fā)材料的原子或分子所走的路程就越長。就越長。 通常我們把大量原子或分子，兩次通常我們把大量原子或分子，兩次間碰撞自由飛行的平均長度稱為原子或間碰撞自由飛行的平均長度稱為原子或分子的平均自由程（分子的平均自由程（L)。8 原子的平均自由程與氣體壓強成反比。也就原子的平均自由程與氣體壓強成反比。也

8、就是說，是說，P越低，則越低，則L就越大。例如當(dāng)就越大。例如當(dāng)P=1mmHg時，時，L=5*10-5cm;P=10-6mmHg時，時，L=5000cm。這就是要想源材料的原子或分子所走的路程越這就是要想源材料的原子或分子所走的路程越長，就必須將淀積室抽成高真空。生產(chǎn)上常用長，就必須將淀積室抽成高真空。生產(chǎn)上常用的是的是10-510-6mmHg，而蒸發(fā)源到襯底的距離，而蒸發(fā)源到襯底的距離大約在大約在1030cm之間，即平均自由程遠遠大于之間，即平均自由程遠遠大于源到襯底的距離，當(dāng)源分子或原子從源材料脫源到襯底的距離，當(dāng)源分子或原子從源材料脫離以后，就可以直線形式射到襯底上。當(dāng)然這離以后，就可以直

9、線形式射到襯底上。當(dāng)然這不是絕對的，碰撞肯定也有的，只不過這種碰不是絕對的，碰撞肯定也有的，只不過這種碰撞幾率小到可以忽略不計。撞幾率小到可以忽略不計。9 一、真空蒸發(fā)設(shè)備一、真空蒸發(fā)設(shè)備 三大部分三大部分 （1 1）真空系統(tǒng)：為蒸發(fā)過程提供真空環(huán)境）真空系統(tǒng)：為蒸發(fā)過程提供真空環(huán)境 （2 2）蒸發(fā)系統(tǒng)：放置蒸發(fā)源，以及加熱和測）蒸發(fā)系統(tǒng)：放置蒸發(fā)源，以及加熱和測溫裝置。溫裝置。 （3 3）基板及加熱：放置襯底，對襯底加熱裝）基板及加熱：放置襯底，對襯底加熱裝置及測量裝置。置及測量裝置。 真空蒸發(fā)法過程真空蒸發(fā)法過程： （1 1） 加熱蒸發(fā)過程加熱蒸發(fā)過程 （2 2） 氣化原子或分子在蒸發(fā)源與

10、基片之間氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片之間的輸運過程的輸運過程 （3 3）被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積）被蒸發(fā)的原子或分子在襯底表面的淀積過程過程 10蒸蒸發(fā)發(fā)原原理理圖圖11 二、汽化熱和蒸汽壓二、汽化熱和蒸汽壓 三、真空度與分子平均自由程三、真空度與分子平均自由程 四、多組成薄膜的蒸發(fā)方法四、多組成薄膜的蒸發(fā)方法 單源蒸發(fā)法：單源，合金溶液單源蒸發(fā)法：單源，合金溶液 多源同時蒸發(fā)法：多坩堝，同時蒸發(fā)多源同時蒸發(fā)法：多坩堝，同時蒸發(fā) 多源順序蒸發(fā)法：多坩堝，按順序蒸發(fā)多源順序蒸發(fā)法：多坩堝，按順序蒸發(fā)125.2 5.2 蒸發(fā)源蒸發(fā)源 1.1.電阻加熱源電阻加熱源 利用電流通過加熱源時所產(chǎn)

11、生能夠的焦耳熱來蒸利用電流通過加熱源時所產(chǎn)生能夠的焦耳熱來蒸發(fā)材料。發(fā)材料。 蒸發(fā)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題：蒸發(fā)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題： （1 1）鋁層厚度控制不合適）鋁層厚度控制不合適 鋁層厚度是蒸鋁工藝中一個主要的參數(shù)。太薄，鋁層厚度是蒸鋁工藝中一個主要的參數(shù)。太薄，在鍵合工序容易開焊造成半導(dǎo)體器件或集成電路在鍵合工序容易開焊造成半導(dǎo)體器件或集成電路斷路，嚴重影響成品率。如果太厚，電極圖形看斷路，嚴重影響成品率。如果太厚，電極圖形看不清，增加了光刻難度。腐蝕時間一長，容易造不清，增加了光刻難度。腐蝕時間一長，容易造成脫膠，鉆蝕現(xiàn)象。成脫膠，鉆蝕現(xiàn)象。13（2 2）鋁層表面氧化）鋁層表面氧化 蒸鋁后出現(xiàn)鋁

12、層發(fā)黃或發(fā)灰，這說明表面被氧蒸鋁后出現(xiàn)鋁層發(fā)黃或發(fā)灰，這說明表面被氧化及其他合金物出現(xiàn)，楊畫冊鋁層化及其他合金物出現(xiàn)，楊畫冊鋁層 不僅難以光刻不僅難以光刻核鍵合，而且影響器件性能。核鍵合，而且影響器件性能。 造成鋁層氧化有以下原因：造成鋁層氧化有以下原因： 1 1）鎢絲純度不夠，雜質(zhì)含量太多或清潔處理得）鎢絲純度不夠，雜質(zhì)含量太多或清潔處理得不夠；不夠； 2 2）真空度低或真空零件不干凈；）真空度低或真空零件不干凈； 3 3）蒸發(fā)時擋板打開的過早，即在，鋁溶液表面）蒸發(fā)時擋板打開的過早，即在，鋁溶液表面的氧化層還未去掉時就開始蒸發(fā)。因而把贓物也的氧化層還未去掉時就開始蒸發(fā)。因而把贓物也蒸發(fā)上去

13、了；蒸發(fā)上去了； 4 4）襯底加熱溫度較高，并且取片過快；）襯底加熱溫度較高，并且取片過快； 5 5）擴散泵抽氣率不高，在蒸發(fā)時，各部分加熱）擴散泵抽氣率不高，在蒸發(fā)時，各部分加熱后放出的氣體未及時抽走；后放出的氣體未及時抽走； 6 6）真空系統(tǒng)中出現(xiàn)慢性漏氣。）真空系統(tǒng)中出現(xiàn)慢性漏氣。 14 2.2.電子束蒸發(fā)源電子束蒸發(fā)源 (1)(1)基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陰極的蒸發(fā)材料，使蒸發(fā)材料加熱氣化。于陰極的蒸發(fā)材料，使蒸發(fā)材料加熱氣化。 (2)(2)電子束蒸發(fā)的優(yōu)點：電子束蒸發(fā)的優(yōu)點： l l 膜純度高，鈉離子玷污少膜純度高，鈉離子玷污少 l

14、l 光刻腐蝕方便光刻腐蝕方便 l l 鍍膜層均勻鍍膜層均勻 l l 節(jié)約大量鎢絲和鋁源節(jié)約大量鎢絲和鋁源 l l 應(yīng)用范圍廣應(yīng)用范圍廣 l l 鋁膜晶粒致密均勻鋁膜晶粒致密均勻15 3.3.激光加熱源激光加熱源 利用高功率的連續(xù)或脈沖激光作為能源利用高功率的連續(xù)或脈沖激光作為能源對蒸發(fā)材料進行加熱。對蒸發(fā)材料進行加熱。 4.4.高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)源 通過高頻感應(yīng)對裝有蒸發(fā)材料的坩堝進通過高頻感應(yīng)對裝有蒸發(fā)材料的坩堝進行加熱。行加熱。 165.3 5.3 氣體輝光放電氣體輝光放電 濺射：具有一定能量的入射離子在對固體濺射：具有一定能量的入射離子在對固體表面轟擊時，入射離子在與固體

15、表面原子的碰表面轟擊時，入射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發(fā)生能量和動量的轉(zhuǎn)移，并能將固撞過程中將發(fā)生能量和動量的轉(zhuǎn)移，并能將固體表面的原子濺射出來。體表面的原子濺射出來。 基礎(chǔ)是輝光放電?；A(chǔ)是輝光放電。 1.1. 直流輝光放電直流輝光放電 2.2. 輝光放電中的碰撞過程輝光放電中的碰撞過程 彈性碰撞：彈性碰撞： 非彈性碰撞：非彈性碰撞： （1 1）電離過程；（）電離過程；（2 2）激發(fā)過程；（）激發(fā)過程；（3 3）分解）分解反應(yīng)反應(yīng) 3. 3. 射頻輝光放電射頻輝光放電175.4 5.4 濺射濺射 濺射是利用等離子體中的離子，對濺射是利用等離子體中的離子，對被濺射物體電極進行轟擊，使氣

16、相等離被濺射物體電極進行轟擊，使氣相等離子體內(nèi)具有被濺射鍍物的粒子，使其淀子體內(nèi)具有被濺射鍍物的粒子，使其淀積到硅片表面并形成薄膜的一種積到硅片表面并形成薄膜的一種方法，因此將高純粒子從某種物質(zhì)的表方法，因此將高純粒子從某種物質(zhì)的表面撞擊出原子的物理過程叫濺射。面撞擊出原子的物理過程叫濺射。 濺射是目前大規(guī)模集成電路制造中濺射是目前大規(guī)模集成電路制造中應(yīng)用得最廣泛的一種鍍膜方法，它可以應(yīng)用得最廣泛的一種鍍膜方法，它可以用來淀積不同的金屬，包括鋁、鋁合金、用來淀積不同的金屬，包括鋁、鋁合金、鈦、鎢鈦合金。鈦、鎢鈦合金。 18 濺射具有以下優(yōu)點：濺射具有以下優(yōu)點： ）可在一個面積很大的靶子上進行，

17、這樣解決）可在一個面積很大的靶子上進行，這樣解決了大尺寸硅片淀積鋁膜厚度均勻性的問題了大尺寸硅片淀積鋁膜厚度均勻性的問題 ）在選定的工作條件下，膜厚容易控制，只要）在選定的工作條件下，膜厚容易控制，只要調(diào)節(jié)時間就可得到所需厚度調(diào)節(jié)時間就可得到所需厚度 3 3）濺射淀積薄膜的合金，成分要比蒸發(fā)容易控）濺射淀積薄膜的合金，成分要比蒸發(fā)容易控制制 4 4）改變加在硅片上的偏壓和溫度，可以控制?。└淖兗釉诠杵系钠珘汉蜏囟?，可以控制薄膜的許多重要性能，如臺階覆蓋和晶粒結(jié)構(gòu)等。膜的許多重要性能，如臺階覆蓋和晶粒結(jié)構(gòu)等。 5 5）在濺射之前進行預(yù)濺射，做一番清潔處理，）在濺射之前進行預(yù)濺射，做一番清潔處理

18、，這樣可以獲得質(zhì)量更好的薄膜。這樣可以獲得質(zhì)量更好的薄膜。 19 一、濺射特性一、濺射特性 1.1. 濺射閾值：濺射閾值：1030ev1030ev取決于靶材料取決于靶材料 2.2. 濺射率：被濺射出來的原子數(shù)與入濺射率：被濺射出來的原子數(shù)與入射離子數(shù)之比，其大小于入射離子的能射離子數(shù)之比，其大小于入射離子的能量、種類、靶材料的種類等有關(guān)。量、種類、靶材料的種類等有關(guān)。 3.3. 濺射原子的能量和速度濺射原子的能量和速度 有有5 5個特點個特點20 二、濺射方法二、濺射方法 1.1. 直流濺射：濺射率低，靶材料有較好導(dǎo)直流濺射：濺射率低，靶材料有較好導(dǎo)電性時可以很方便的濺射淀積各類金屬薄膜。電性時可以很方便的濺射淀積各類金屬薄膜。 2.2. 射頻濺射：導(dǎo)電性很差的非金屬材料的射頻濺射：導(dǎo)電性很差的非金屬材料的濺射。濺射。 3.3. 磁控濺射：店家速率較高，工作氣體壓磁控濺射：店家速率較高，工作氣體壓力較低，薄膜質(zhì)量好，是目前應(yīng)用最廣泛的一力較低，薄膜質(zhì)量好，是目前應(yīng)用最廣泛的一種濺射淀積方法。種濺射淀積方法。 4.4