薄膜淀积工艺(下)课件

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,*,第五章 薄膜淀积工艺,（下）,薄膜淀积（,Thin Film Deposition,）,工艺,概述,真空技术与等离子体简介,化学气相淀积工艺,物理气相淀积工艺,小结,参考资料：,微电子制造科学原理与工程技术,第,12,章,（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）,四、物理气相淀积工艺,引言,蒸发工艺,溅射工艺,（一）引言,1、,物理气相淀积,（,P,hysical,V,apor,D,eposition）,技术：,蒸发,（,Evaporation）,法,溅射,（,Sputtering）,法,PVD,的特点：,靶材料,薄膜材料,2、在,IC,制造中，,PVD,技术主要用于,金属薄膜的制备,。,蒸发的速率取决于：,(1),离开,蒸气源的材料有多少；,(2),到达,硅片衬底的材料有多少,真空度一般要求高于,10,-5,Torr,。,（二）蒸发工艺介绍,1、,蒸发,工艺是最早出现的金属淀积工艺。,2、蒸发工艺的淀积速率,单位时间内通过单位面积表面的气体分（原）子数,其中，,P,是压强，,M,是气体分（原）子质量,单位时间内坩锅内蒸气源材料质量的消耗速率,其中，,Pe,是蒸气源的平衡蒸气压，,T,是材料温度,假设材料,温度近似为恒定,，同时,面积,A,恒定,，则有：,为一个固定量,1)通量密度：,质量蒸发率：,图,12.2,常用材料的蒸气压曲线,温度越高,，,蒸气压越高。,a.,离开蒸气源的气体分子流,F,当蒸气源近似为,点源,时,，,气体分子流是,各向同性,的。,当蒸气源近似为,平面源,时,，,气体分子流与夹角,有关。,此时，蒸气源正上方的硅片会得到更,多的淀积薄膜。,2),离开坩埚材料,与,堆积在圆片表面材料,的,比值,假设,：,腔室真空度足够,高,，气体分子的相互碰撞可以被忽略，,离开蒸气源的,气体分子以,直线形式,运动到硅片表面,。,图,12.3,圆片淀积位置,b.,到达圆片表面的材料,比例常数,为获得好的,均匀性,，一般采,用,球形放置,方式，此时有：,k,为一个常数,，保证了达到硅,片表面各点的气体分子数相等，,即淀积速率的,均匀性,。,考虑到到达圆片表面的部分正比于圆片所对的立体角,3)淀积速率的公式：,其中，,是淀积材料的质量密度。,R,d,的单位是：,m/s,影响淀积速率的主要参数：,a.,被蒸发,材料本身,的性质,b.,淀积温度：,温度越高，,Pe,越高,c.,腔室和坩锅的,几何形状,讨 论,3、常用蒸发系统（加热器）,电阻加热蒸发、（电感）感应加热蒸发、电子束蒸发,加热,温度有限,加热元件沾污,提高蒸发温度,坩锅材料沾污,只加热淀积材料,存在辐射损伤,1),薄膜的,淀积速率：,4、蒸发工艺的限制因素,图,12.4,在高的淀积速率下材料平衡蒸汽压使坩埚正上方区域形成粘滞流，在坩埚顶部上方10,cm,处形成,虚拟源,2),淀积,薄膜材料,的,纯度,高速率与均匀性的矛盾,解决：,加热,硅片并进行,旋转,。,当表面吸附原子移动率低时，阴影效应会造成严重的台阶覆盖问题。,3),淀积薄膜的,台阶覆盖性,注意,：增加衬底温度要影响薄膜形貌，因此常用,蒸发后加,离子束,，使沉积层重新分布,图,12.10,蒸发多成分薄膜的方法示意图,4),合金材料,与,多组分复合材料薄膜,的淀积,b.,当合金材料的,蒸气压不同,时，采用,多源同时蒸发；,c.,当进行,多成分薄膜淀积,时，采用,多源按次序蒸发,。,a.,当合金材料的,蒸气压相近,时，一般采用,单源蒸发,；,（三）溅射工艺介绍,1、溅射,概述,2)溅射,工艺(相对于蒸发工艺)的,优势,：,a.,台阶,覆盖性,得到,改善,b.,辐射缺陷,远,小,于电子束蒸发,c.,容易制备,难熔金属,、,合金材料,和,复合材料,薄膜,。,3)当靶材料是,化合物,或,合金,时，淀积材料的化学配比与,靶材料的略微不同。,当,不同成分的,溅射速率不同时,，靶表面积累更多溅射速率,较低的材料，使得淀积薄膜的成分重新接近靶体材料,IC,制造中,金属,材料的,淀积,1)溅射,工艺的,用途,：,2、溅射原理,简单的直流溅射系统示意图,真空中充入的氩气,在电场下产生气体放电,（等离子体）,高能,Ar,+,轰击靶材,（阴极）,，使其表面原子剥离并,淀积到对面阳极（硅片）,表面,气压范围：,1,100,mTorr,图,12.12,离子入射到靶表,面时可能产生的结果,(1),带能离子,轰击,靶表面,时，可能造成的结果：,a.,离子,能量很低时,，被,反弹回来,；,b.,能量,小于,10,eV,的离子被吸附在靶,表面，以声子（热）形式释放能量；,c.,能量,大于,10,keV,的离子,深入衬底,，,改变衬底的原子排列结构；,离子注入,d.,当离子,能量处于上述两者之间,，,能量传递仅限于表面几层原子层，,通过,断裂化学键使表面靶原子发,射出来,。,溅射,(2)淀积速率与溅射产额,a.,影响,淀积速率,的关键因素：,入射离子流量,、,溅射产额,和,溅射材料,在腔室,的输运,。,溅射产额的定义：,b.,影响,溅射产额,的关键因素：,离子质量,、,离子能量,、,靶原子质量,和,靶的结晶性能,等。,注意：,对于每一种靶材料，都存在一个,能量阈值,，低于该值,则不发生溅射。,10,30,eV,当能量较低时，,溅射,产额随能量的,平方增,加,，至,100,eV,左右；,此后，,溅射产额随能,量线性增加，至,750,eV,左右；,此后，,溅射产额基本,不变,，直至发生离子,注入。,图,12.13,溅射产额与,离子能量的关系,图,12.14,4-15,keV,离子射向银、铜、钽靶时，溅射产额与离子原子序数的关系,(3)高密度磁控溅射,通过增加一个,与电场方向垂直的磁场,，可使等离子体中的电子,螺旋式运动,，增加与气体分子的碰撞几率而,提高等离子体密度,。,等离子体密度可由,0.0001%,增加到,0.03%,。,图,12.18,S-Gun,溅射靶示意图,3、溅射薄膜形貌与台阶覆盖,靶原子,被溅射出来,多次,碰撞,达到硅片表面被,吸附,沿表面,扩散,，原子之间,碰撞结合成核,形成,岛状区域,岛互相连接成,连续薄膜,图,12.20,薄膜淀积的,区域模型,(1)区域模型,a.,原子能量低，衬底温,度低时,，,1,区：,无定,形态,b.,随,气压降低,，,衬底温,度升高,，,T,区：,小晶,粒，高反射率,c.,进一步提高衬底温度,或,轰击能量,，,2,区、,3,区：,大晶粒，表面粗糙,(2)溅射薄膜的台阶覆盖性,a.,台阶形貌与,表面扩散,、,气相分子平均自由程,的关系,不均匀覆盖，,台阶,顶部有拱形突起,完全保形的,均匀覆,盖,不均匀覆盖,，台阶,侧壁,下方,及台阶,底,部薄,b.,溅射法形成的,台阶形貌,虽,优于蒸发法,，但,不如,CVD,法,。,I),衬底加热,溅射。,II),在硅片,衬底上加,RF,偏压,，圆片被高,能离子轰击，使溅射材料再淀积。,溅射金属原子,离子化,定向入射到硅片表面,图,12.21,接触孔处台阶覆盖随时间,增加而变化的示意图,c.,改善措施：,VI),离化金属等离子体淀积（,IMP,，,Ionized Metal Plasma Deposition,）。,III),强迫填充,溅射。,IV),准直,溅射。,强迫填充,法示意图,图,12.23,准直溅射法：在接近硅片处放置准直器，,以增加离子入射的定向性。,4、常用溅射工艺,(1)金属薄膜：,采用,磁控直流溅射,；,介质薄膜：,采用,RF,溅射,(2)溅射前预清洗工艺：,采用,RF,等离子体,，,Ar,+,离子轰击硅片,表面，去除自然氧化层,(3)合金材料的溅射：,合金靶,：,薄膜组分受控于气相传输,多靶溅射,：调节各靶功率来改变淀积层组分,(4),TiN,反应离子溅射：,在,N,气氛下进行,Ti,靶溅射，生成,TiN,。,本章小结：,薄膜淀积工艺,可分为,化学气相淀积,和,物理气相淀积,两大类。,化学气相淀积,主要应用于,介质材料,和,半导体材料薄膜,的,制备，其优势在于优良的台阶覆盖能力。,化学气相淀积,的速率受,气相传输,和,表面化学反应,的约束。,采用,物理气相淀积,可,制备范围广泛的薄膜材料,，但在,IC,制造中主要用于,金属层制备,。,随着,IC,特征尺寸的不断缩小和深宽比提高，,金属的,CVD,工艺,成为今后发展的重点。,1,、对于蒸发工艺，选择高的淀积速率会带来那,些问题？,2,、请说明为什么溅射工艺的台阶覆盖性比蒸发,法好，而比,CVD,法差？,课后作业,