Chap5 物理气相沉积

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,22,Chap5 物理气相沉积,PVD是以物理方式进行薄膜淀积的一种技术。在集成电路生产中，金属薄膜在欧姆接触、互连、栅电极和肖特基二极管等方面，都有很广泛的应用。,PVD有两种方法：蒸镀法（,Evaporation Deposition,）和溅镀法（,Sputtering Deposition,）。前者是通过加热被蒸镀物体，利用被蒸镀物体在高温（接近其熔点）时的饱和蒸汽压，进行薄膜淀积，又称热丝蒸发。后者是利用等离子体中的离子，对被溅镀物体（又称离子靶）进行轰击，使气相等离子体内具有被溅镀物体的粒子（原子），这些粒子淀积到硅晶体上形成溅镀薄膜，又称溅射。,1,蒸发：,在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种,溅射：,真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上,2,蒸发原理图,3,在薄膜淀积技术发展的最初阶段，蒸发法用的多。其优点：较高的淀积速率、相对高的真空度、较高的薄膜质量。,缺点：台阶覆盖能力差，淀积多元化合金薄膜时组分难以控制。,溅射法优点：淀积多源化合金薄膜时，化学成分容易控制、淀积的薄层与衬底附着性好等。,溅射技术制备薄膜的技术已基本取代真空蒸发法。,4,5.1 真空蒸发法制备薄膜的基本原理,蒸发：材料的温度低于熔化温度时，产生蒸气的过程，称为升华，而熔化时产生蒸气的过程称为蒸发。,热蒸发： 蒸发材料，使其原子或分子蒸发，又称。,5,真空知识：PVD一般是以单质的固体材料为源，然后设法将它变为气态，再在衬底表面淀积而成薄膜。当一个系统中残留1Pa的空气时，由理想气体状态方程可以计算出，在室温下，每立方厘米空间约有2.4*10,14,个气体分子。这些气体分子不仅严重妨碍了铝、金、铬等金属蒸发分子由源向衬底的降落淀积，而且使每立方厘米衬底表面每秒钟要遭受到10,18,个空气分子的撞击，这个数值已远远超出了金属淀积膜的原子密度，这些物质夹在薄膜中，必然会破坏薄膜的成分与质量。所以，PVD法要求正式淀积之前，必须彻底地抽除淀积室内的残留气体，即在低气压（又称本底真空度）下，才能开始淀积。,6,本底真空度，依据淀积方法，淀积物性质而异。如蒸铝要比蒸金要求更低的本底真空度。这是因为铝易被氧化之故。真空度越高，淀积室内气体分子越少，使得蒸发材料的原子或分子所走的路程就越长。,通常我们把大量原子或分子，两次间碰撞自由飞行的平均长度称为原子或分子的平均自由程（L)。,7,原子的平均自由程与气体压强成反比。也就是说，P越低，则L就越大。例如当P=1mmHg时，L=5*10,-5,cm;P=10,-6,mmHg时，L=5000cm。这就是要想源材料的原子或分子所走的路程越长，就必须将淀积室抽成高真空。生产上常用的是10,-5,10,-6,mmHg，而蒸发源到衬底的距离大约在1030cm之间，即平均自由程远远大于源到衬底的距离，当源分子或原子从源材料脱离以后，就可以直线形式射到衬底上。当然这不是绝对的，碰撞肯定也有的，只不过这种碰撞几率小到可以忽略不计。,8,一、真空蒸发设备,三大部分,（1）真空系统：为蒸发过程提供真空环境,（2）蒸发系统：放置蒸发源，以及加热和测温装置。,（3）基板及加热：放置衬底，对衬底加热装置及测量装置。,真空蒸发法过程,：,（1）,加热蒸发过程,（2）,气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程,（3）被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程,9,蒸发原理图,10,二、汽化热和蒸汽压,三、真空度与分子平均自由程,四、多组成薄膜的蒸发方法,单源蒸发法：单源，合金溶液,多源同时蒸发法：多坩埚，同时蒸发,多源顺序蒸发法：多坩埚，按顺序蒸发,11,5.2 蒸发源,1.电阻加热源,利用电流通过加热源时所产生能够的焦耳热来蒸发材料。,蒸发中出现的质量问题：,（1）铝层厚度控制不合适,铝层厚度是蒸铝工艺中一个主要的参数。太薄，在键合工序容易开焊造成半导体器件或集成电路断路，严重影响成品率。如果太厚，电极图形看不清，增加了光刻难度。腐蚀时间一长，容易造成脱胶，钻蚀现象。,12,（2）铝层表面氧化,蒸铝后出现铝层发黄或发灰，这说明表面被氧化及其他合金物出现，杨画册铝层 不仅难以光刻核键合，而且影响器件性能。,造成铝层氧化有以下原因：,1）钨丝纯度不够，杂质含量太多或清洁处理得不够；,2）真空度低或真空零件不干净；,3）蒸发时挡板打开的过早，即在，铝溶液表面的氧化层还未去掉时就开始蒸发。因而把赃物也蒸发上去了；,4）衬底加热温度较高，并且取片过快；,5）扩散泵抽气率不高，在蒸发时，各部分加热后放出的气体未及时抽走；,6）真空系统中出现慢性漏气。,13,2.电子束蒸发源,(1)基于电子在电场作用下，获得动能轰击处于阴极的蒸发材料，使蒸发材料加热气化。,(2)电子束蒸发的优点：,l,膜纯度高，钠离子玷污少,l,光刻腐蚀方便,l,镀膜层均匀,l,节约大量钨丝和铝源,l,应用范围广,l,铝膜晶粒致密均匀,14,3.激光加热源,利用高功率的连续或脉冲激光作为能源对蒸发材料进行加热。,4.高频感应加热蒸发源,通过高频感应对装有蒸发材料的坩埚进行加热。,15,5.3 气体辉光放电,溅射：具有一定能量的入射离子在对固体表面轰击时，入射离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，并能将固体表面的原子溅射出来。,基础是辉光放电。,1.,直流辉光放电,2.,辉光放电中的碰撞过程,弹性碰撞：,非弹性碰撞：,（1）电离过程；（2）激发过程；（3）分解反应,3. 射频辉光放电,16,5.4 溅射,溅射是利用等离子体中的离子，对被溅射物体电极进行轰击，使气相等离子体内具有被溅射镀物的粒子，使其淀积到硅片表面并形成薄膜的一种方法，因此将高纯粒子从某种物质的表面撞击出原子的物理过程叫溅射。,溅射是目前大规模集成电路制造中应用得最广泛的一种镀膜方法，它可以用来淀积不同的金属，包括铝、铝合金、钛、钨钛合金。,17,溅射具有以下优点：,）可在一个面积很大的靶子上进行，这样解决了大尺寸硅片淀积铝膜厚度均匀性的问题,）在选定的工作条件下，膜厚容易控制，只要调节时间就可得到所需厚度,3）溅射淀积薄膜的合金，成分要比蒸发容易控制,4）改变加在硅片上的偏压和温度，可以控制薄膜的许多重要性能，如台阶覆盖和晶粒结构等。,5）在溅射之前进行预溅射，做一番清洁处理，这样可以获得质量更好的薄膜。,18,一、溅射特性,1.,溅射阈值：1030ev取决于靶材料,2.,溅射率：被溅射出来的原子数与入射离子数之比，其大小于入射离子的能量、种类、靶材料的种类等有关。,3.,溅射原子的能量和速度,有5个特点,19,二、溅射方法,1.,直流溅射：溅射率低，靶材料有较好导电性时可以很方便的溅射淀积各类金属薄膜。,2.,射频溅射：导电性很差的非金属材料的溅射。,3.,磁控溅射：店家速率较高，工作气体压力较低，薄膜质量好，是目前应用最广泛的一种溅射淀积方法。,4.,反应溅射：在淀积同时形成化合物。,5.,偏压溅射：在一般溅射基础上，加一定偏置电压在衬底与靶材料之间，改变入射到衬底表面的带电粒子的数量和能量。,20,6.,接触孔中薄膜的溅射淀积：带有准直器。,7. 长投准直溅射技术：不用准直器便能改善接触孔底部覆盖效果的溅射技术。,需要解决的问题：,1）溅射会导致反应室室壁表面凝结靶材料的原子，从而形成污染；,2）远离硅片中心的通孔存在台阶覆盖的不对称性；,3）在低压下获得等离子体比较困难。,21,总结：,1.PVD概念，分类；,2.真空蒸发概念，过程；,3.汽化热，饱和蒸汽压；,4.目前对蒸发法加热方式有几种；,5.溅射概念，其基础是什么；,6.溅射的用途；,7.溅射方法有几种，接触孔中薄膜的溅射淀积方法。,22,