集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理與工藝哈爾濱工業(yè)大學(xué)/田麗物理氣相淀積第七章物理氣相淀積JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU目錄CONTENTS7.1PVD概述7.2真空系統(tǒng)及真空的獲得7.3真空蒸鍍7.4濺射7.5PVD金屬及化合物薄膜一、PVD概述PVD是利用某種物理過程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由源（或靶）氣相轉(zhuǎn)移到硅襯底表面形成薄膜的過程。工藝特點(diǎn)：相對(duì)于CVD而言，工藝溫度低，襯底在室溫~幾百℃；工藝原理簡單，能用于制備各種薄膜。但是，所制備薄膜的臺(tái)階覆蓋特性，附著性，致密性都不如CVD薄膜。用途：主要用于金屬類薄膜，以及其它用CVD工藝難以淀積薄膜的制備。如金屬電極，互連系統(tǒng)中的附著層、阻擋層合金及金屬硅化物薄膜的制備一、PVD概述PVD種類真空蒸鍍：在高真空室內(nèi)加熱源材料使之氣化，源氣相轉(zhuǎn)移到達(dá)襯底，在襯底表面凝結(jié)形成薄膜。有電阻蒸鍍、電子束蒸鍍、激光蒸鍍等。濺射：在一定真空度下，使氣體等離子化，其中的離子轟擊靶陰極，逸出靶原子等粒子氣相轉(zhuǎn)移到達(dá)襯底，在襯底表面淀積成膜。有直流濺射、射頻濺射、磁控濺射等。IC的Cu多層互聯(lián)系統(tǒng)示意圖一、PVD概述應(yīng)用舉例反應(yīng)磁控濺射TiN、TaN阻擋層蒸鍍Al電極磁控濺射Cu種子層Si蒸鍍Pt雙極型晶體管示意圖光刻剝離技術(shù)示意圖真空室示意圖二、真空系統(tǒng)及真空的獲得2.1真空系統(tǒng)簡介氣體流量：

單位：用標(biāo)準(zhǔn)體積，指在0℃、1atm下所占的體積，如slm(L·atm/min)，sccm(mL·atm/min）氣體導(dǎo)管的導(dǎo)率：

要保持真空室氣體壓力接近泵入口的壓力，要求導(dǎo)管有大的導(dǎo)率。導(dǎo)管并聯(lián)時(shí)，各導(dǎo)管的導(dǎo)率是簡單相加，串聯(lián)時(shí)，是倒數(shù)相加。導(dǎo)管直徑越大，長度越短，導(dǎo)率越大；而導(dǎo)管中有波紋，彎曲，導(dǎo)率會(huì)減小。二、真空系統(tǒng)及真空的獲得2.1真空系統(tǒng)簡介真空泵的抽速：

舉例：一個(gè)抽速為1000l/min的泵，初始工作時(shí)泵入口壓力為1atm，這時(shí)它的流量是多少？一段時(shí)間后(τ時(shí)刻)，泵入口壓力變?yōu)?.1atm，這時(shí)流量是多少？兩者是否相等？解：

≠氣體質(zhì)量流量：

二、真空系統(tǒng)及真空的獲得2.2真空的獲得方法真空度的劃分和氣體分子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)真空劃分壓力分子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)Pa1Pa=1N/m2Torr1Torr=133Pa條件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)低真空105~102760~1λ<<d粘滯流中真空102~10-11~10-3d和

λ尺寸接近中間流高真空10-2~10-510-3~10-7λ>d分子流超高真空<10-5<10-7λ>>d分子流1atm=760Torr=1.013×105Pa微電子工藝設(shè)備一般工作在低、中真空度；而在通入工作氣體之前，設(shè)備基壓在高、超高真空度。油封轉(zhuǎn)片式真空泵羅茨泵工作原理二、真空系統(tǒng)及真空的獲得1.初、中真空度的獲得真空壓縮泵：用活塞/葉片/隔膜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)將氣體正向移位，它的工作步驟：捕捉氣體壓縮氣體排出氣體壓縮比：泵氣體出/入口壓力的比值。泵體電機(jī)工作原理若要在氣體入/出口之間產(chǎn)生更高的壓差，可以用多個(gè)真空泵串聯(lián)，即多級(jí)泵來實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)散泵剖視圖分子泵剖視圖二、真空系統(tǒng)及真空的獲得2.高、超高真空度的獲得高真空泵：轉(zhuǎn)移動(dòng)量給氣體分子--抽吸大流量氣體，如分子泵、擴(kuò)散泵；俘獲氣體分子--抽吸小流量氣體，如低溫泵、升華泵等。高真空泵必須在一定真空度下工作；否則無法工作，甚至泵會(huì)損壞。熱偶規(guī)構(gòu)造原理圖二、真空系統(tǒng)及真空的獲得2.3真空度的測(cè)量常用的真空計(jì)：電容壓力計(jì)熱偶規(guī)電離規(guī)B-A規(guī)(熱陰極電離規(guī))復(fù)合真空計(jì)測(cè)低、中真空度測(cè)高、超高真空度蒸鍍示意圖三、真空蒸鍍3.1工藝原理蒸鍍（vacuumevaporation），指在高真空度下，加熱源使其蒸發(fā)，蒸汽分子流射到襯底表面，凝結(jié)形成薄膜的工藝?？梢詫⒄翦兎纸鉃槿齻€(gè)過程：蒸發(fā)過程氣相質(zhì)量輸運(yùn)過程淀積成膜過程常用金屬的飽和蒸氣壓溫度曲線三、真空蒸鍍1.蒸發(fā)過程固/液態(tài)源分子/原子蒸發(fā)升華任何溫度，固/液態(tài)物質(zhì)周圍環(huán)境中都存在著該物質(zhì)的蒸汽，平衡時(shí)的蒸汽壓強(qiáng)稱為飽和蒸汽壓（平衡蒸汽壓）。只有當(dāng)被加熱源的飽和蒸汽壓高于真空室源蒸汽分壓時(shí)才會(huì)有凈蒸發(fā)。工程上將任一物質(zhì)的蒸汽壓為1.33Pa時(shí)，所對(duì)應(yīng)的溫度作為該物質(zhì)的蒸發(fā)溫度。三、真空蒸鍍蒸發(fā)速率由氣壓可推導(dǎo)得到氣體分子流通量為：

源被蒸發(fā)時(shí)，假設(shè)坩堝內(nèi)的源都已經(jīng)熔化，由Jn可得到坩堝面積為A時(shí)源的質(zhì)量消耗率：

舉例：鋁在蒸發(fā)溫度時(shí)，單位蒸發(fā)面積的質(zhì)量消耗率是多少?解：Pe=1.33Pa；Te=1250℃

(g/cm2·s)源和接受面的空間幾何關(guān)系三、真空蒸鍍2.氣相質(zhì)量輸運(yùn)過程分子平均自由程：

蒸汽分子無散射輸運(yùn)時(shí)：

假設(shè)到達(dá)襯底分子都被吸附，且各襯底表面的分子流通量也相等。則：到達(dá)襯底表面原子占源蒸發(fā)原子的比例應(yīng)是一常數(shù)，設(shè)為K：

到達(dá)襯底分子流通量：

三、真空蒸鍍3.成膜過程包含了：吸附→成核→連片→生長，幾個(gè)步驟：蒸汽分子動(dòng)能很低，被吸附后再蒸發(fā)的很少，在表面擴(kuò)散移動(dòng)，碰上其它分子便凝聚成團(tuán)，當(dāng)分子團(tuán)達(dá)到臨界大小時(shí)就形成趨于穩(wěn)定的核。進(jìn)一步淀積，島狀的核不斷擴(kuò)大，直至延展成片，繼續(xù)生長就形成薄膜了。薄膜淀積速率：

舉例:鋁在蒸發(fā)溫度時(shí)，單位蒸發(fā)面積的淀積速率?(r=15cm)

≈3.049(μm/s)真空蒸鍍系統(tǒng)示意圖三、真空蒸鍍3.2蒸鍍?cè)O(shè)備真空蒸鍍機(jī)及其內(nèi)部由四部分組成：真空室真空系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制臺(tái)高頻感應(yīng)加熱器各種電阻加熱器電子束加熱器示意圖三、真空蒸鍍蒸鍍工藝種類及加熱器蒸鍍種類：電阻蒸鍍高頻感應(yīng)蒸鍍電子束(EB)蒸鍍激光蒸鍍?nèi)?、真空蒸?.3蒸鍍工藝了解薄膜材料特性，是單組分，還是多組分，各成分的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、分解溫度，飽和蒸汽壓-溫度曲線、相圖等；掌握襯底耐溫情況；以及蒸鍍?cè)O(shè)備的情況，從而確定蒸發(fā)方法，工藝參數(shù)和襯底溫度等。1.確定工藝方法及參數(shù)蒸發(fā)功率應(yīng)適當(dāng)，功率過高，蒸發(fā)速率過快，所淀積的薄膜晶粒長大、表面不平整；功率過低，薄膜疏松、與襯底粘附不牢。2.工藝步驟準(zhǔn)備抽真空預(yù)蒸蒸發(fā)取片鐘罩硅片三、真空蒸鍍2.多組分薄膜的蒸鍍襯底襯底襯底三、真空蒸鍍3.4蒸鍍薄膜的質(zhì)量及控制1.蒸鍍?yōu)槭裁匆蟾哒婵斩日舭l(fā)分子（或原子）的質(zhì)量輸運(yùn)應(yīng)為直線，若真空度過低，輸運(yùn)過程被氣體分子多次散射，方向改變，動(dòng)量降低，淀積的薄膜疏松、致密度低；真空度低，氣體中的氧和水汽，使蒸發(fā)的金屬原子在氣相就被氧化，淀積的薄膜成為氧化物薄膜；若真空室中有較多氣體雜質(zhì)分子，它被蒸發(fā)原子流裹挾也淀積在襯底上，影響淀積薄膜純度和質(zhì)量。三、真空蒸鍍2.臺(tái)階覆蓋特性的改善方法襯底加熱，溫度應(yīng)依據(jù)所淀積薄膜的材料特性來綜合考慮，通常在幾百℃范圍內(nèi)。襯底旋轉(zhuǎn)，除了可以改善因到達(dá)角不同帶來的臺(tái)階陰影區(qū)的薄膜覆蓋問題之外，還可以改善淀積薄膜厚度的均勻性。襯底支架設(shè)計(jì)為半球形，坩堝也位于球面位置，而且，襯底可以作行星式轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步提高蒸鍍薄膜的保形性。三、真空蒸鍍3.蒸發(fā)速率的控制及其它提高蒸發(fā)速率，能提高所淀積薄膜的純度和與襯底的結(jié)合力，以及表面質(zhì)量。蒸發(fā)速率過快，蒸汽原子碰撞會(huì)加劇，動(dòng)能降低，甚至?xí)鹫羝咏Y(jié)團(tuán)后再淀積，這將導(dǎo)致出現(xiàn)薄膜表面不平坦等質(zhì)量問題。蒸鍍時(shí)，通?？刂萍訜崞鞴β适乖吹恼羝麎涸?~10Pa范圍變化。影響薄膜純度的主要因素是真空室基壓、加熱方式和工藝操作中擋板開/關(guān)時(shí)間；影響薄膜與襯底粘附性的主要因素是襯底溫度和蒸發(fā)速率。因此，提高薄膜純度與粘附力應(yīng)從上述因素考慮。濺射示意圖四、濺射4.1工藝原理濺射（Sputter）工藝是利用等離子體中的離子對(duì)陰極靶轟擊，導(dǎo)致靶原子等顆粒物飛濺，落到襯底表面淀積成膜的一種薄膜制備工藝?？蓪R射分解為四個(gè)過程進(jìn)行討論：工作氣體的等離子化；離子對(duì)靶的轟擊；靶原子氣相質(zhì)量輸運(yùn)；淀積成膜。四、濺射1.工作氣體的離子化通過直流氣體輝光放電、射頻氣體輝光放電等使工作氣體形成等離子體，其中，自由電子碰撞原子（或分子），當(dāng)轉(zhuǎn)移能量高于原子的電離能時(shí)，原子離化為離子。要提高等離子體中離子濃度，必須增大電（磁）場(chǎng)的激發(fā)功率。HDP中離子濃度較高，其中磁控HDP技術(shù)是濺射常采用的方法。原子第一電離能（eV）第二電離能（eV）氦（He）24.58654.416氮（N）14.53429.601氬（Ar）15.75927.629離子轟擊物體表面時(shí)可能發(fā)生的物理過程四、濺射2.離子對(duì)靶的轟擊離子對(duì)處于負(fù)電位的靶轟擊，使靶材料原子（或分子）及其原子團(tuán)從靶表面飛濺出來的過程。能量在10eV~10keV時(shí)，有中性粒子逸出，不同材料的靶，濺射閾值能量不同。濺射率S，又稱濺射產(chǎn)額：

四、濺射濺射率的影響因素入射角θ：指離子入射方向與靶法線方向夾角。在低能量下，S隨θ而增加，當(dāng)θ→80o時(shí)，S迅速下降。靶原子的序數(shù)，表面原子的結(jié)合狀態(tài)、結(jié)晶取向，是純金屬或?yàn)楹辖鸲嫉葘?duì)S有影響。而靶溫幾乎無影響，但當(dāng)溫度高于一定范圍時(shí)，濺射率有迅速增加的趨向。入射離子的種類、能量、入射角，以及靶材料等：各種靶的S與垂直入射Ar+能量的關(guān)系原子序數(shù)不同離子的濺射率（能量為45keV）四、濺射3.靶原子氣相輸運(yùn)指從靶面逸出的原子及其它原子團(tuán)氣相質(zhì)量輸運(yùn)到達(dá)襯底的過程：較低真空度下，靶原子在到達(dá)襯底表面前會(huì)與其它粒子發(fā)生多次散射，襯底表面某點(diǎn)所到達(dá)的靶原子數(shù)與該點(diǎn)的到達(dá)角有關(guān)。高真空度下，氣相輸運(yùn)軌跡是直線，襯底表面某點(diǎn)所到達(dá)的靶原子數(shù)是受遮蔽效應(yīng)限制。4.淀積成膜指到達(dá)襯底的靶原子在襯底表面先成核再成膜的過程：濺射離子與靶原子間有較大的能量傳遞，逸出原子攜帶的動(dòng)量較高，在10~50eV之間。因此，原子在襯底的遷移能力、再發(fā)射能力都強(qiáng)，成膜的臺(tái)階覆蓋性和附著力都較好。四、濺射4.2直流濺射靶作為陰極，只能制備導(dǎo)電的金屬薄膜；工作氣壓較高，薄膜淀積速率較慢。四、濺射4.3射頻濺射射頻濺射（RFSputtering），激發(fā)氣體等離子化的電場(chǎng)是交變電場(chǎng)，頻率為13.56MHz。最大特點(diǎn)是可以濺射介質(zhì)薄膜，如SiO2等。淀積速率也較慢，存在輻射污染問題。靶表面的磁場(chǎng)和電子運(yùn)動(dòng)的軌跡四、濺射4.4磁控濺射增加了電子與氣體粒子的碰撞次數(shù)，極大地提高了等離子體中的離子濃度。磁控濺射(magnetronsputtering)濺射效率高，淀積速率比直流濺射提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)；工作氣體的氣壓低，薄膜純度就有所提高；減少了高能二次電子對(duì)放置在陽極上的襯底轟擊，降低了由此帶來的襯底損傷和溫升。也只能制備金屬等導(dǎo)電薄膜。偏壓濺射裝置示意圖四、濺射4.5其它濺射方法1.反應(yīng)濺射將活性氣體：如O2、N2、CH4等通入等離子體中，活性氣體與靶濺射粒子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由活性氣體和惰性工作氣體的比例來控制所制備薄膜的組成和性質(zhì)，這種方法就是反應(yīng)濺射?？芍苽浔∧ぃ篈l2O3，In2O3、TiN，AlN，SiC，CdS等。2.偏壓濺射在淀積室增設(shè)負(fù)偏壓電極，襯底放在這個(gè)電極上。制備薄膜的純度，致密度，附著力有所提高。對(duì)薄膜的組織結(jié)構(gòu)等性質(zhì)也有影響，但也可能誘發(fā)各種缺陷。3.離子束濺射利用低能量聚焦離子束進(jìn)行濺射，是獲得高質(zhì)量薄膜很有前途的制備方法。四、濺射4.6濺射薄膜的質(zhì)量及改善方法1.濺射與蒸鍍薄膜質(zhì)量的比較薄膜的保形覆蓋特性較好；薄膜附著性較好；薄膜致密性較好，針孔少；淀積速率較慢，膜厚可控性和重復(fù)性較好；薄膜純度較高，不存在蒸鍍時(shí)無法避免的坩堝污染現(xiàn)象；淀積過程中對(duì)襯底輻射造成的缺陷遠(yuǎn)少于電子束蒸鍍。在制備特殊材質(zhì)薄膜上電子束蒸鍍更有優(yōu)勢(shì)。臺(tái)階覆蓋隨時(shí)間增加而變化的剖視圖四、濺射2.保形覆蓋特性的改善盡量提高襯底溫度：以增強(qiáng)襯底所吸附的濺射粒子表面擴(kuò)散遷移率，同時(shí)也要考慮溫升后多晶態(tài)晶粒也隨之長大，使得薄膜表面變粗糙等問題；在襯底上加射頻偏壓：這使得襯底被高能離子轟擊，有助于濺射粒子的再發(fā)射淀積，可在一定程度上改善保形覆蓋特性。準(zhǔn)直濺射技術(shù)強(qiáng)迫填充技術(shù)四、濺射2.保形覆蓋特性的改善強(qiáng)迫填充技術(shù)：有意使接觸孔拐角頂處兩尖端接觸，氣體密封空洞內(nèi)。再將襯底放入壓力容器中，加熱，當(dāng)壓力超過金屬薄膜的抗曲強(qiáng)度，密封層就會(huì)塌陷，金屬進(jìn)入接觸孔；準(zhǔn)直濺射技術(shù)：在襯底正上方插入準(zhǔn)直器，只有速度方向接近于垂直襯底表面的濺射原子才能通過準(zhǔn)直器上的孔，到達(dá)襯底表面，淀積在接觸孔的底部。金屬引線的電遷移現(xiàn)象鋁尖楔現(xiàn)象引起的pn結(jié)的穿通五、PVD金屬及化合物薄膜5.1鋁及鋁合金薄膜淀積1μm厚鋁膜的電阻率約為3μΩ·cm，被用于器件內(nèi)電極和互連布線的導(dǎo)電層。作內(nèi)電極時(shí)，為與襯底硅形成良好的歐姆接觸，通常淀積后在500℃左右退火，退火過程中有“尖楔”現(xiàn)象出現(xiàn)。使用含硅1%的硅鋁合金作為內(nèi)電極。鋁膜的抗電遷移特性差，在鋁硅中再摻入2%左右的銅可以改善。200mm鋁及鋁合金靶鍍鋁用鎢絲加熱器五、PVD金屬及化合物薄膜PVD-Al1.真空鍍鋁鋁熔點(diǎn)為660.4℃，沸點(diǎn)為2467℃，蒸發(fā)溫度約1250℃；常用鎢絲電阻加熱器；或石墨坩堝裝鋁電子束加熱；襯底溫度：120℃，鋁源純度5N以上，淀積速率約0.8μm/min；方法簡單，但鎢絲加熱器會(huì)引入雜質(zhì)，襯底附著和臺(tái)階覆蓋特性也較差。2.磁控濺射鋁及鋁合金Al，AlSi1，AlCu0.5，AlSi1Cu0.5靶雜質(zhì)含量≤5×10-6；濺射工藝：襯底溫度：200℃，工作氣體為高純Ar，濺射角：5~8°，淀積速率：0.8~1μm/min；薄膜的附著力、臺(tái)階覆蓋特性，以及膜厚可控性較好。銅互連技術(shù)五、PVD金屬及化合物薄膜5.2銅及其阻擋層薄膜的淀積中毒現(xiàn)象：Cu在Si和SiO2中都是快擴(kuò)散雜質(zhì)，在較低溫度就能擴(kuò)散進(jìn)Si，會(huì)改變硅襯底的電學(xué)特性；工藝性差：Cu與Si、SiO2黏附性不好，圖形刻蝕難。Cu電阻率只有Al的40~45%，抗電遷移性比鋁能高兩個(gè)