薄膜沉积原理分析课件

集成电路工艺原理,*,INFO130024.02,第八章 薄膜淀积原理,(下),集成电路,工艺原理,仇志军,邯郸校区物理楼435室,1,大纲,第一章 前言,第二章,晶体生长,第,三章 实验室净化及硅片清洗,第四章,光刻,第五章,热氧化,第六章,热扩散,第七章,离子注入,第八章,薄膜淀积,第九章 刻蚀,第十章 后端工艺与集成,第十一章,未来趋势与挑战,2,本节课主要内容,常用的淀积薄膜有哪些？举例说明其用途。,什么是CVD？描述它的工艺过程。,CVD的控制有哪两种极限状态？分别控制什么参数是关键？,单晶硅（外延）器件；多晶硅栅电极；SiO,2,互连介质；Si,3,N,4,钝化。金属,化学气相淀积：反应剂被激活后在,衬底表面发生化学反应成膜。1)主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面；2)反应剂被吸附在硅片表面；3)反应成核生长；4)副产物挥发。,表面反应控制：温度,质量输运控制：反应器形状，硅片放置,3,氮化硅的淀积方法,LPCVD,：,质量好，产量高,PECVD：等离子体中,或,SiN,x,H,y,膜对水和钠有极强的阻挡能力，可作为最终的钝化层或多层布线中的介质。,4,等离子增强化学气相淀积（PECVD）,低温下（,200,350,C,）利用非热能来增强工艺过程,反应气体被加速电子撞击而离化。形成不同的活性基团，它们间的化学反应就生成所需要的固态膜。,13.56MHz,5,等离子体：,物质存在的第四态,高密度导电粒子构成的气体,极板区域有辉光,上标“*”表示那些能量要远远大于基态的粒子。分离的原子或分子被称为自由基，它们具有不完整的结合状态并且非常活跃。如：SiH,3,，SiO，F等。,原子激发 e*+A,A*+e,分子激发 e*+AB,AB*+e,e*+AB,A*+B*+e,原子离子化 e*+A,A,+,+e+e,分子离子化 e*+AB,AB,+,+e+e,激发,裂解,离化,等离子体由电子、离化分子、中性分子、中性或离化的分子片断、激发的分子和自由基组成。假设流进的气体是由原子A和原子B组成的分子AB,在辉光放电中可出现的过程可有:,6,PECVD,：,在等离子体反应器中，,PECVD,最重要的特征是能在更低的温度下淀积出所需要的薄膜。,PECVD淀积的氧化硅和氮化硅膜与较高高温下LPCVD的膜相比有以下特征：,应力较大、含H、非化学比的结构,因而造成膜的性质的不同：,粘附能力较差，有针孔、表面粗糙度增大，介电常数下降，折射率下降，腐蚀速率增加。,PECVD薄膜淀积质量强烈依赖于RF功率,、,压强、温度等参数,7,8,9,物理气相淀积（PVD）,蒸发（Evaporation）,溅射（Sputtering）,淀积金属、介质等多种薄膜,淀积金属薄膜,10,真空,蒸发：在真空中，把蒸发料(金属)加热，使其原子或分子获得足够的能量，克服表面的束缚而蒸发到真空中成为蒸气，蒸气分子或原子飞行途中遇到基片，就淀积在基片上，形成薄膜,加热器：电阻丝或电子束,真空状态,蒸发,11,一、真空蒸发淀积薄膜的物理过程,蒸发过程：被蒸发物质从凝聚相（固相或液相）转化为气相的过程,所需能量为,汽化热,H,v,在真空系统中的输运过程,(c),气相分子在衬底上吸附、成核和生长,P,为蒸汽压，,A,为积分常数，,R,0,为阿夫加德罗常数,12,不同元素的平衡蒸气,压与温度的函数关系,为了得到合适的淀积,速率，样品蒸气压至少,为10 mTorr。,Ta，W，Mo和Pt，这些难,熔金属，它们具有很高,的溶化温度，如为达到,10 mtorr 的蒸气压，钨,需要超过3000。,13,二、真空度与分子平均自由程,高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行，因为：,源材料的气相原子和分子在真空中的输运必须直线运动，以保证金属材料原子和分子有效淀积在衬底上，真空度太低，蒸发的气相原子或分子将会不断和残余气体分子碰撞，改变方向。,残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化,残余气体和其他杂质原子和分子也会淀积在衬底,反比于气体压强,r,为气体分子的半径,平均自由程,保角差,14,三、蒸发速率和淀积速率,单位时间内，通过单位面积的分子数,点源,小平面源,速率与蒸发的蒸气流(F)和靶（硅片）的几何形状相关,15,点源,小平面源,R,evap,是蒸发速率（g/s）,是源蒸汽的发射角度，对于点源4,N,是淀积材料的密度,点源中,F,与,i,无关，小平面源中,F,随 cos,n,i,变化,3、小平面源的非理想余弦发射,1、点源的各项同性发均匀发射,2、小平面源的理想余弦发射，即,n,=1,16,按 归一化后，有,如下图,l,是淀积点至硅片中心的距离,h,是法线长度,17,可见蒸发的淀积速率和蒸发材料、温度/蒸汽压、及淀积腔的几何形状决定反应腔内晶片的位置、方向有关。,如坩锅正上方晶片比侧向的晶片淀积得多。,为了得到好的均匀性，常将坩锅和晶片放在同一球面,点源,小平面源,由Langmuir-Knudsen理论，有,P,e,是蒸气压（torr），,A,s,是源面积，,m,为克分子质量，,T,为温度,18,加热器,a)必须在蒸发温度提供所需热量，但本身结构仍保持稳定。熔点高于被蒸发金属熔点,b)不能与处于熔融状态的蒸发料合金化或化合,c)蒸气压很低,d)易加工成形,例：难熔钨丝螺旋式蒸发源,电子束蒸发（ebeam）,a)电流通过螺旋状灯丝，使其达到白炽状态后发射电子,b)电子向阳极孔方向发射形成电子束，加速进入均匀磁场,c)电子在均匀磁场洛仑兹力作用下作圆周运动,d)调节磁场强度控制电子束偏转半径，使电子束准确射到蒸发源,e)蒸发源熔融汽化，淀积到硅片表面,优点：,淀积膜纯度高，钠离子污染少,电,子,偏,转,枪,电阻丝,19,为了实现球形结构，,晶片放在一个行星,转动的半球罩内,有公转和自转。淀积的均匀性可以得到很大改善,电子束蒸发系统,20,蒸发工艺中的一些问题:,对某些元素淀积速率很慢,合金和化合物很难采用,台阶覆盖差,目前大生产很少采用,溅射的优点：,台阶覆盖比蒸发好,辐射缺陷远少于电子束蒸发,制备复合材料和合金性能较好,可以淀积介质材料,21,溅射Sputtering-溅射淀积Sputter deposition,利用高能粒子（通常是由电场加速的正离子如Ar,+,）撞击固体表面，使表面离子（原子或分子）逸出的现象,溅射的种类:,直流溅射,射频溅射,反应溅射,磁控溅射,准直溅射,.,22,不同元素的平衡蒸气,压与温度的函数关系,而不同元素的溅射产率（yield）,相差不大（0.1-3 per incident ion）,23,1、直流（DC）溅射,只能溅射导电物质,a）阳极（anode）上放硅片，阴极（cathode）是靶，真空室作为放电二极管，通入放电气体（如Ar）,b）阴极加110 kV负高压，产生辉光放电，形成等离子体,c）正离子被加速至数百-数千伏，撞击在靶材上，将靶材中原子剥离,d）这些原子形成蒸汽并自由地穿过等离子体区到达硅表面,e）溅射淀积时反应腔里压力在10 mtorr左右。在引入放电气体前，真空室base pressure要达高真空（10,6,torr以上）,24,直流溅射,系统中等离子体结构和电压分布（系统中通入氩气）,等离子体中包含同等数量的正氩离子和电子以及中性氩原子,大部分的电压降在阴极暗区,氩离子轰击阴极靶（如,Al,）,Al,原子被溅射出，通过等离子区淀积到阳极硅片上,阴极辉光,阳极鞘区,等离子体,阴极暗区(鞘区),25,溅射中的主要过程,阴极暗区,26,大面积溅射靶要较点源会提供更宽范围,的到达角（arrival angles）,27,2、射频溅射,也,可溅射介质,如靶是绝缘材料，不能采用直流溅射，因为绝缘靶上会有正电荷积累。此时可以使用交流电源。,13.56 MHz,28,RF溅射系统中稳态时的电压分布,当两边面积不等时，面积小的电极一边（电流密度大）有更大电压降，并有关系:,V,2,V,1,Unequal area electrodes(left electrode smaller),m,=12（实验值）,29,一般将靶电极的面积设计得较小，电压主要降在靶电极，使溅射,在靶上发生。硅片电极也可以和反应腔体相连，以增加电压降比值,硅片电极也可以单独加上RF偏压，这样在实际淀积前可,预先清洁晶片或“溅射刻蚀”.,另外一种应用是偏压-溅射淀积（bias-sputter deposition），,在晶片上溅射和淀积同时进行。这可以改善淀积台阶覆盖性,30,3、反应溅射,在溅射气体中引入反应活性气体如氧或氮气，可改变或控制溅射膜的特性。,如在低温下可制作SiO,x,、SiN,x,等钝化膜或多属布线中的绝缘层；TiN、TaN等导电膜或扩散阻挡层,31,4、磁控溅射,直流溅射和RF溅射中，电子和气体分子碰撞的离化效率较低，电子的能量有许多消耗在非离化的碰撞和被阳极收集。通过外加磁场提高电子的离化率,磁控溅射可以提高溅射效率。,可溅射各种合金和难熔金属，不会像蒸发那样，造成合金组分的偏离,阴极表面发射的二次电子由于受到磁场的束缚,使得高密度等离子体集中在靶附近,而不再轰击硅片，避免了硅片的升温,均匀性、重复性好，有良好的台阶覆盖,溅射效率提高,32,5、准直溅射,33,薄膜淀积总结,34,35,CVD versus PVD(coarse comparison),CVD,PVD,Flexibility,Poor,Good,Deposition temperature,High,Low,Deposition pressure,High,Low,Step coverage(conformality),Good,Poor,Thickness uniformity,Good,Good,Composition control,Good,Poor,Film purity,High,Low,Dielectric,Preferred,-,Metal,-,Preferred,36,本节课主要内容,CVD的原理，制作的典型薄膜,D,G,1/,P,，,h,G,D,G,h,G,升高低温反应，淀积均匀性增加，产率增加。外延硅（单晶生长，多晶硅，SiO,2,，Si,3,N,4,，,淀积温度较高；反应源来源有限,PECVD的原理，制作的典型薄膜,激活能部分来自于等离子体 反应气体被加速电子撞击而离化，形成不同的活性基团，,低温下,反应生成固态膜。非化学配比的氧化硅、氮化硅,蒸发的原理，两种加热方式,在,真空,中加热蒸发材料，使其原子或分子蒸发到真空，转移、冷凝在基片上，形成薄膜。加热：电阻丝或电子束,溅射淀积的原理,利用高能粒子撞击固体表面，使表面离子（原子或分子）沉积到基片表面,37,