1、在集成电路制造工艺中，常常需要在硅片的表面淀积各种固体薄膜。薄膜厚度一般在纳米到微米的数量级，薄膜材料可以是金属、半导体或绝缘体。,淀积薄膜的主要方法热氧化（常压热氧化、分压热氧化、高压热氧化等）物理淀积（真空蒸发镀膜、溅射镀膜、分子束外延等）化学汽相淀积（CVD）（常压 CVD、低压 CVD、等离子增强 CVD、汽相外延等）,第 12 章 物理淀积：蒸发和溅射,12.1 升华和蒸发,随着温度的升高，材料经历从固相、液相到气相的变化。在任何温度下，材料周围都存在蒸汽，平衡蒸汽压为 pe 。温度越高，平衡蒸汽压就越高。材料温度低于熔化温度时，产生蒸汽的过程称为 升华；材料熔化后，产生蒸汽的过程称
2、为 蒸发。,被蒸发材料在真空室内加热，使其原子或分子通过蒸发大量离开表面，淀积到硅片上形成薄膜。这种技术可以淀积熔点不太高的金属或热稳定性良好的化合物，成膜纯度高。,有极少数材料通过升华的方式淀积薄膜，如 SiO 。,为了得到合适的淀积速率，材料的平衡蒸汽压至少应为 10 mTorr。一定温度下，不同材料的平衡蒸汽压相差很大，难熔金属如 Ta、W、Mo 、Ti 等的平衡蒸汽压太低，不适合用蒸发的方式淀积薄膜。例如 W 要超过 3000oC 才有 10 mTorr 的平衡蒸汽压，而 Al 在 1250oC 就有同样的平衡蒸汽压。,12.2 淀积速率,蒸发速率： “液 气” 过程中单位时间内从单位
3、蒸发源面积上蒸发出来的粒子数。蒸发速率只与温度 T 有关。,净蒸发速率：扣除 “气 液” 过程后净蒸发出来的粒子数。净蒸发速率与温度 T 和蒸汽压 p 两个因素有关。,平衡蒸汽压：若在一个密封的、且内表面不吸附蒸发物质的容器中，在某一固定的温度下进行蒸发，此时蒸发速率是固定的。但是随着蒸发的进行，容器中的压力增大，“气 液” 的数量增大， 使净蒸发速率下降。最后当 “液 气” 和 “气 液” 的数量相等时，净蒸发速率降为零，压力则保持一个恒定值 。称此时的蒸汽压为平衡蒸汽压，记为 pe 。pe 是温度 T 的函数，随 T 的升高而急剧增大 ( 见图 12.2 ) 。,蒸发时同时存在着 “液 气
4、” 和 “气 液” 两个过程。,根据气体分子运动论，单位时间内碰撞到单位蒸发源面积上的气体粒子数为,注意，Jn 与 T、p 有关，而 Rn 只与 T 有关，因为 pe 是 T 的函数。若容器壁与硅片不淀积蒸发料，则 p = pe ，Jn = Rn ，净蒸发速率为零；反之，则 p pe ，Jn Rn ，净蒸发速率为,在平衡状态时，p = pe ，故可得蒸发速率 Rn 为,将 Rn 乘以原子质量 m 就得到 单位时间内从单位源面积上蒸发出来的质量 RME ，即,对大多数金属，当 pe = 10-2 Torr 时，RME 约 10-4 g/cm2 s 。,一般情况下 p pe ，则净蒸发速率近似地就
5、是 Rn 。,式中， 为粘着系数，As 为蒸发源表面积，t 为蒸发时间。再,膜厚及其均匀性1、点蒸发源,硅片面积元 dAr,D,x,r,由蒸发源蒸发出来的材料总质量为 M = RMEAst ，通过立体角元 淀积到硅片上面积元 dAr 上的材料质量为 dM，则,将立体角元,代入上式，得：,设薄膜密度为 ，硅片架为平板型，则薄膜厚度 W 为,显然，中心处的膜最厚，,为改进膜厚的均匀性，可将硅片架改为球面型 ，并将蒸发源置于球心处 ，此时，,D,D,x,0,其特点是蒸汽分子在空间的分布与角度 有关，蒸汽分子在与源平面法线方向的夹角为 的立体角元 内的几率为,2、小平面蒸发源,故淀积在面积元 dAr
6、上的质量为,当采用球面型硅片架，并将蒸发源置于球面上时，,当采用平板型硅片架时，,为了进一步改进膜厚的均匀性，还可将硅片架设计成按 “行星方式” 进行旋转。,12.3 台阶覆盖,蒸发工艺的主要缺点之一是台阶覆盖性差，容易导致金属引线在台阶处断开，严重影响集成电路的可靠性和成品率。由于金属化是集成电路制造过程的最后几个步骤，硅片表面的形貌高差会比较严重，使台阶覆盖问题变得更加重要。,台阶覆盖性差,台阶覆盖性好,解决办法1、采用旋转硅片架；2、蒸发时对硅片适当加热；3、蒸发前使硅片平坦化。,电阻加热（金属丝、金属舟等）蒸发源加热方式 电子束加热高频感应加热,设备组成：蒸发源、真空室、真空系统、电气
7、控制系统,12.4 蒸发系统,对电阻加热器材料的要求：1、熔点远高于蒸发源的熔点，且蒸汽压极低；2、蒸发过程中不软化，不与蒸发源生成合金。3、容易加工成所需要的各种形状。常用的电阻加热器材料有钨、钼、钽等。,电阻加热器,电阻加热方式（金属丝）,硅片加热器,硅片架,硅片,真空室钟罩,蒸发料,蒸发源加热电极,金属舟,抽气,电阻加热的优点是设备简单；缺点是可能受到来自加热器的 K+、Na+ 离子的沾污。,电阻加热方式（金属舟）,电子束加热方式,B,电子束,加速聚焦系统,电子枪,硅片架,硅片,坩锅,冷却水,蒸发料,电子束加热的优点 ：(1) 沾污少，膜的纯度高；(2) 能蒸发各种高熔点的难熔金属和非金
8、属。缺点：(1) 设备复杂；(2) 有一定的辐射损伤，蒸发后需进行退火处理。,高频感应加热方式,蒸发工艺中影响薄膜质量的因素1、淀积前硅片的清洗除化学清洗外，可在蒸发前对硅片进行轻微的溅射处理。2、蒸发速率 蒸发速率过低，金属膜不光亮，电阻大，键合困难；蒸发速率过大会在硅片表面形成金属原子团淀积小丘，影响光刻，且厚度也不易控制。3、衬底温度较高的衬底温度可使薄膜与衬底粘附得更好，有利于降低接触电阻。,真空度的确定为了减小薄膜的沾污和提高薄膜的附着力，要求蒸发物粒子尽量避免与残余气体分子的碰撞，也就是要求尽量增大残余气体分子的平均自由程。根据气体分子运动论，室温下，,一般蒸发设备中，蒸发源到硅片
9、的间距不超过 50 cm，由此可算出气压应小于 10- 4 Torr ，这就是真空蒸发设备中真空度的下限。实际的真空度范围为 10-4 10-7 Torr。,12.5 多组分薄膜,铝的电阻率较低 ，能与硅形成低电阻欧姆接触 ，与 SiO2 的粘附性强，容易光刻，容易键合，价格低廉，因此在集成电路制造工艺中广泛采用铝膜作为互连材料。,为防止硅向铝中溶解，可以在铝中加 ( 1 2% ) 的硅；为提高铝膜的抗电迁移能力，可以在铝中加 4 %的铜，或再加 ( 1 2% ) 的硅。,但是单纯的铝互连存在硅向铝中溶解引起 PN 结穿通，以及抗电迁移能力差的问题。,蒸发工艺的主要缺点之一是在对合金和化合物进
10、行蒸发镀膜时其组分会发生变化。,蒸镀合金和化合物时，由于材料中各不同组分在同一温度下的蒸汽压不同，使所淀积出来的薄膜的组分可能与蒸发源的组分不相同。,设 pao、pbo 为组分 a、b 在温度 T 时的平衡蒸汽压，Ma、Mb 为 a、b 的分子量，Rab 为 a、b 在蒸发源中的比例，则 a、b 在蒸镀所得薄膜中的比例 rab 为,要使薄膜中的组分与蒸发源中的组分相同，则应该满足,但实际上存在如下问题1、在同一温度下，一般难以恰好满足上式，这就使薄膜中的组分与蒸发源中的组分不同；,2、由于各组分在同一温度下的蒸汽压不同，从源中蒸发出来的比例将不同于源的比例，这就使源中的组分、进而薄膜中的组分随
11、蒸发过程的进行而发生改变。,由于以上问题的存在，必须采用一些特殊方法来蒸镀合金和化合物。对于合金，可采用闪蒸法和双蒸发源法。,料斗,粉状料,偏心轮振动器,加热器,硅片架,1、闪蒸法,2、双蒸发源法,蒸发源 A,蒸发源 B,把两种元素分别装入各自的蒸发源，独立控制每一种蒸发源的温度，以控制该元素的蒸汽压使其达到所需要的值。,对于化合物，可采用,1、反应蒸镀法在真空室中充入一定量的活泼气体，使之与蒸发材料在硅片上发生化学反应形成化合物薄膜。此法主要用于蒸镀高熔点的绝缘化合物薄膜，及其它某些氧化物、氮化物等。,2、双蒸发源三温度法此法主要用于淀积化合物半导体单晶薄膜，后来发展成了分子束外延技术。三温
12、度是指能独立控制两个蒸发源的温度和衬底的温度。,12.6 溅射简介,离子溅射镀膜过程分为三步：(1) 离子的产生；(2) 离子对靶的轰击引起溅射；(3) 从靶材料溅射出来的粒子在低压气氛中向硅片作渡越运动，碰撞到硅片上并被硅片吸附，完成对硅片的淀积。其中前两步与离子溅射刻蚀相同。,溅射镀膜是集成电路制造中代替蒸发而进行金属薄膜淀积的主要方法。溅射镀膜的台阶覆盖性好，对硅片的附着性好，能淀积合金、化合物与难熔金属，因而避免了蒸发镀膜的主要缺点。溅射镀膜的主要缺点是 淀积速率较慢。,12.7 溅射物理,入射离子打到固体表面时因能量的不同而发生不同情况 。当入射离子的能量很低时，离子从表面反弹回来
13、；当入射离子的能量小于 10eV时，离子被吸附于表面；当入射离子的能量为 10 eV 10 keV 时，离子的部分能量以热的形式释放，另外的能量则传递给衬底原子而使其发射出来，形成 溅射；当入射离子的能量大于 10 keV 时，离子可深入到衬底内部。,溅射出来的原子能量为 10 50 eV ，比蒸发出来的原子能量约 大 100 倍 。这使原子到达硅片表面时有较大的迁移能力，从而提高了台阶覆盖性。高能量的原子还提高了膜的附着性。,暗区,亮区,（等离子区）,靶（阴极）,硅片（阳极）,Z,RC = KC I US,电流 I 主要与电压及气压有关，随电压升高而增大；随气压降低而先升后降，所以对气压应作
14、折中考虑。,相对溅射率 US 与电压、离子种类及入射角的关系已讨论过。当气压高于 10 2 Torr 时，US 随气压的升高而下降。,离子溅射镀膜的淀积速率 RC 一般在 10 50 nm/min 的范围内，比真空蒸发的要慢。,式中，KC 为设备常数，主要与从靶到硅片之间的距离有关。为提高 KC ，硅片应尽量靠近靶 ，但不能进入暗区。通常硅片与靶的间距为暗区宽度的两倍左右。,12.8 淀积速率,12.9 溅射方法,一、直流溅射当溅射金属时，可采用直流溅射。这种技术的设备简单，而且淀积速率较高。,采用直流高压辉光放电产生等离子体。,典型工艺条件直流电压：1 10 kV电极间距：1 2 cm气体：
15、Ar气压：10-1 10-2 Torr,直流溅射镀膜的 缺点：(1) 所需气压较高，薄膜易受沾污，附着性差；(2) 只能淀积金属。,改进方法：针对第 1 条缺点，可以增加一个发射电子的热阴极和一个励磁线圈，以增加电子的碰撞几率，从而可以降低气压，提高膜的质量与附着性；针对第 2 条缺点，可以采用射频溅射。,二、射频溅射直流溅射只能淀积金属而不能淀积介质，这是因为轰击介质靶材的离子的电荷无法泄放。采用射频溅射可以解决这个问题，从而能够淀积包括导体、半导体和介质在内的几乎任何材料。,射频溅射所用的气压为 210-4 Torr，膜的附着性、纯度与致密度等都比较好。,特点1、入射角为 60o 左右，能
16、使相对溅射率 US 达到最大。2、离子源与淀积室是分离的，使淀积室的真空度可高达 10- 5 10- 6 Torr，膜的质量与附着性更好。,离子枪,靶材,硅片,三、离子束溅射,四、磁控溅射是高密度等离子溅射的一种 。具体结构很多 ，共同的特点是：1、采用正交的电场与磁场，使电子作复杂运动，增加碰撞几率；2、阴极靶与硅片架不是平板型而是某种立体结构，增加了产量，并使膜厚均匀；3、硅片架和阳极分离，且增加了屏蔽极以吸收二次电子，消除了二次电子对基片的轰击。,NS,NS,硅片架,阳极,靶阴极,接地屏蔽极,环形磁铁,五、反应溅射在 Ar 中混入少量反应气体，使之与从靶中溅射出来的粒子发生化学反应而淀积
17、出化合物薄膜。反应溅射时，薄膜的组分可以在一个很大的范围内平滑地控制，驱动等离子体内化学反应所需要的能量范围也相当宽，所以可能产生多种化合物。这时需要选择淀积条件和淀积后的退火条件，以优先形成所希望的化合物。,12.10 淀积膜内的应力,薄膜材料和衬底材料的热膨胀系数通常是不同的，当在高温下完成薄膜淀积后回到室温时，就会在薄膜内产生应力。若薄膜的热膨胀系数大于衬底，则导致硅片下凹，在薄膜内产生 张应力；反之，则导致硅片上凸，在薄膜内产生 压应力。测量硅片的弯曲量可计算出应力的大小。,如果膜的应力太大，膜上可能出现 龟裂 ，严重时会从硅片表面 脱落。对于金属连线，较大的应力将导致 空洞 形成，影
18、响金属连线的可靠性。,在两层材料之间加 缓冲层 可减小薄膜的应力。,12.11 小结,蒸发：被蒸发材料在真空室内加热，其原子或分子通过蒸发离开表面，以直线飞向硅片并淀积到硅片上形成薄膜。加热方式有电阻加热、感应加热和电子束加热，后者可蒸发难熔金属，但会引起辐射损伤。淀积速率主要由材料的蒸汽压和温度决定。为改善膜厚的均匀性可采用行星式旋转的硅片架。蒸发的缺点是台阶覆盖差，附着性差，蒸发时材料组分会变化。,溅射：离子对靶的轰击引起溅射， 从靶材料溅射出来的粒子在真空中飞向硅片并淀积到硅片上形成薄膜。溅射方法有直流溅射、射频溅射、离子束溅射、磁控溅射和反应溅射等。与蒸发相比，溅射改善了台阶覆盖与附着性，并容易淀积合金与化合物，但淀积速率较低。,
