工學(xué)物理方法薄膜沉積技術(shù)PPT課件

1、圖形的轉(zhuǎn)換方法填充法 (Additive)刻蝕法 (Etching or Subtractive)填充法刻蝕法第1頁(yè)/共66頁(yè)IC制造中的薄膜 集成電路芯片制造工藝中，在硅片上制作的器件結(jié)構(gòu)層絕大多數(shù)都是采用薄膜沉積的方法完成的。第2頁(yè)/共66頁(yè)二種薄膜沉積工藝 化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition）利用化學(xué)反應(yīng)生成所需的薄膜材料，常用于各種介質(zhì)材料和半導(dǎo)體材料的沉積，如SiO2, poly-Si, Si3N4 物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition）利用物理機(jī)制制備所需的薄膜材料，常用于金屬薄膜的制備，如Al, Cu, W, Ti第3頁(yè)/

2、共66頁(yè)薄膜制備技術(shù) 薄膜：在襯底上生長(zhǎng)的薄固體物質(zhì)，其一維尺寸（厚度）遠(yuǎn)小于另外二維的尺寸。 常用的薄膜包括: SiO2, Si3N4, poli-Si, Metal 常采用沉積方法制備： 物理氣相沉積 （Physical Vapor Deposition） 化學(xué)氣相沉積 （Chemical Vapor Deposition）第4頁(yè)/共66頁(yè)薄膜的生長(zhǎng) 沉積薄膜的三個(gè)階段： 晶核形成 聚集成束 形成連續(xù)膜第5頁(yè)/共66頁(yè)薄膜特性要求薄膜特性要求為滿足微納加工工藝和器件要求，通常情況下關(guān)注薄膜的如下幾個(gè)特性：1、臺(tái)階覆蓋能力2、低的膜應(yīng)力3、高的深寬比間隙填充能力4、大面積薄膜厚度均勻性5、大

3、面積薄膜介電電學(xué)折射率特性6、高純度和高密度7、與襯底或下層膜有好的粘附能力第6頁(yè)/共66頁(yè)臺(tái)階覆蓋能力（Step Coverage） 我們希望薄膜在不平整襯底表面的厚度具有一致性 厚度不一致容易導(dǎo)致膜應(yīng)力、電短路等問題。非共型臺(tái)階覆蓋共型臺(tái)階覆蓋第7頁(yè)/共66頁(yè)非共型臺(tái)階覆蓋出現(xiàn)的原因：非共型臺(tái)階覆蓋出現(xiàn)的原因：第8頁(yè)/共66頁(yè)高的深寬比間隙填充能力（Gap Fill） 深寬比：孔的深度H與寬度W的比值 在亞0.25mm工藝中，填充硅片表面很小的間隙和孔的能力是重要的薄膜特性。 防止出現(xiàn)空洞，減少出現(xiàn)缺陷和可靠性問題。WH第9頁(yè)/共66頁(yè)薄膜應(yīng)力（Stress） 應(yīng)力的來源： 薄膜的成核和生

4、長(zhǎng)過程中的產(chǎn)生本征應(yīng)力 薄膜與襯底的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致外應(yīng)力 應(yīng)力分類：壓應(yīng)力張應(yīng)力第10頁(yè)/共66頁(yè) 熱應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)aTLLa第11頁(yè)/共66頁(yè)2231RTvEt楊氏模量硅片厚度，硅片半徑，泊松比膜厚度，硅片中心彎曲量，ETRtv 應(yīng)力的表征通常用圓片在沉積前后的彎曲變化量來測(cè)量。 測(cè)量方法：采用激光束掃描圓片，通過反射光線的變化來表征曲率的變化第12頁(yè)/共66頁(yè)因應(yīng)力造成的薄膜表面龜裂第13頁(yè)/共66頁(yè)物理沉積物理沉積PVD （Physical Vapor Deposition） 采用蒸發(fā)或?yàn)R射等手段使固體材料變成蒸汽，并在硅片表面凝聚并沉積下來。 沒有化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)，純粹是物理過程

5、制備金屬薄膜的最主要方式。第14頁(yè)/共66頁(yè)物理沉積方法物理沉積方法 Thermal Evaporation (熱蒸發(fā)熱蒸發(fā)) E-beam Evaporation (電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)) Sputtering (濺射濺射) Filter Vacuum Arc (真空弧等離子體真空弧等離子體) Thermal Oxidation (熱氧化) Screen Printing (絲網(wǎng)印刷) Spin Coating (旋涂法) Electroplate (電鍍) Molecular Beam Epitaxy (分子束外延)高真空環(huán)境10-3 Pa第15頁(yè)/共66頁(yè)熱蒸發(fā)技術(shù) (Thermal E

6、vaporation Technique)蒸發(fā)工藝是最早出現(xiàn)的金屬沉積工藝鎢W(Tm=3380) 鉭Ta(Tm=2980) 鉬Mo(Tm=2630) 第16頁(yè)/共66頁(yè)擋板蒸發(fā)源晶振第17頁(yè)/共66頁(yè)電子束蒸發(fā)(E-beam Evaporation Technique)when V= 10 kVElectron Velocity = 6104 km/sTemperature 5000-6000 第18頁(yè)/共66頁(yè)E-beam Evaporation Machine第19頁(yè)/共66頁(yè)熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)技術(shù)的比較Deposition rate: 1025000 nm/min熱蒸發(fā)電子束蒸發(fā)電子束蒸

7、發(fā)Advantages Simple equipmentHighly directionalLow contaminationLess limited materialsDisadvantagesContaminationLimited materialsCharge buildup for dielectricsRadiation (X-ray)Deposited MaterialsAl, Ag, Au, CrMetal and Dielectrics第20頁(yè)/共66頁(yè)蒸發(fā)工藝參數(shù) 蒸發(fā)要求的真空度：750eV時(shí)，濺射產(chǎn)額略微增加，直至發(fā)生離子注入。第29頁(yè)/共66頁(yè) 濺射產(chǎn)額與離子原子序數(shù)

8、的變化關(guān)系第30頁(yè)/共66頁(yè)直流/射頻型濺射（DC/RF diode）第31頁(yè)/共66頁(yè)直流/射頻型濺射（DC/RF diode）第32頁(yè)/共66頁(yè)磁控濺射 (Magnet Sputtering)通過增加一個(gè)與電場(chǎng)方向垂直的磁場(chǎng)，可使等離子體的電子螺旋式運(yùn)動(dòng)，增加與氣體分子碰撞幾率而提高等離子體濃度等離子體密度可由0.0001%增加至0.03%。第33頁(yè)/共66頁(yè)靶材表面的離子和電子運(yùn)動(dòng)軌跡第34頁(yè)/共66頁(yè)磁控濺射過程第35頁(yè)/共66頁(yè)蒸發(fā)法和濺射法的比較蒸發(fā)法和濺射法的比較 蒸鍍法蒸鍍法濺射法濺射法靶材的選擇靶材的選擇受限制（金屬靶材）受限制（金屬靶材）幾乎不受限（難溶金屬，幾乎不受限（難

9、溶金屬，合金，復(fù)合材料）合金，復(fù)合材料）基材加熱基材加熱低低除磁控法外，需高溫除磁控法外，需高溫表面損害表面損害低，電子束會(huì)產(chǎn)生低，電子束會(huì)產(chǎn)生X-ray損害損害離子轟擊的損害離子轟擊的損害合金沉積合金沉積可可可可均勻度均勻度難難易易厚度控制厚度控制不易控制不易控制易控制易控制臺(tái)階覆蓋性能臺(tái)階覆蓋性能差差較好較好附著性附著性不佳不佳佳佳缺陷缺陷多多少少第36頁(yè)/共66頁(yè)濺射法具有強(qiáng)的間隙填充能力第37頁(yè)/共66頁(yè) 濺射法形成的臺(tái)階形貌優(yōu)于蒸發(fā)法，但不如CVD法 改善措施： 襯底加熱； 硅片襯底加RF偏壓，圓片被高能電子轟擊，使濺射材料再沉積； 強(qiáng)迫填充濺射； 準(zhǔn)直濺射；在高深寬比的接觸孔處，典

10、型的臺(tái)階覆蓋隨時(shí)間增加而變化的截面圖第38頁(yè)/共66頁(yè) 強(qiáng)迫填充濺射施加幾個(gè)大氣壓的高壓使金屬自動(dòng)坍塌第39頁(yè)/共66頁(yè) 準(zhǔn)直濺射控制粒子沉積的方向，更好的填充高深寬比的孔，但是減低了沉積速率。第40頁(yè)/共66頁(yè)常用的濺射工藝流程 金屬薄膜：采用磁控直流濺射介質(zhì)薄膜：采用RF濺射 濺射前預(yù)清洗工藝：采用RF等離子體，Ar+離子轟擊硅片表面，去除自然氧化層 合金材料的濺射： 合金靶材：薄膜組分受控于氣相傳輸 多靶濺射：調(diào)節(jié)各靶功率來改變沉積層組分 TiN反應(yīng)離子濺射：在N氣氛下進(jìn)行Ti靶濺射，生成TiN。第41頁(yè)/共66頁(yè)真空弧等離子體鍍膜技術(shù)第42頁(yè)/共66頁(yè)真空弧等離子體鍍膜技術(shù) -單離子源

11、第43頁(yè)/共66頁(yè)真空弧等離子體鍍膜技術(shù) -多離子源第44頁(yè)/共66頁(yè)多腔體沉積系統(tǒng)（Multi Chamber Deposition System）第45頁(yè)/共66頁(yè)薄膜厚度的測(cè)量薄膜厚度的測(cè)量1、原位監(jiān)控：石英晶振儀2、臺(tái)階儀(Profiler)3、光學(xué)干涉儀4、光脈沖反射計(jì)第46頁(yè)/共66頁(yè)石英晶振 石英晶體是離子型晶體，具有壓電效應(yīng) 壓電諧振，在晶振上加交變電壓（或者電流不斷開關(guān)），則晶片就產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。 石英壓電諧振效應(yīng)的固有頻率的影響因素：芯片厚度，幾何尺寸，切割類型。第47頁(yè)/共66頁(yè)石英晶振n諧波數(shù)n=1，3，5，dQ石英晶體的厚度 c 切變彈性系數(shù) 石英晶體的密度(2.651

12、03kg/m3)2/1)(2cdnfQ 質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)：在芯片上鍍上膜層，芯片厚度 增大，則芯片固有頻率減小。 石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過測(cè)量頻率或與頻 率有關(guān)的參量的變化而測(cè)量淀積薄膜的厚度第48頁(yè)/共66頁(yè)臺(tái)階儀(Stylus Profilometer) 探針直接在樣品表面掃描，記錄表面微觀輪廓信息 物理破壞式測(cè)量：接觸式，輕拍式第49頁(yè)/共66頁(yè)第50頁(yè)/共66頁(yè)光學(xué)干涉儀 膜厚干涉 不同的膜厚對(duì)應(yīng)于不同的顏色 改變襯底的傾斜度，顏色也跟著改變（why）第51頁(yè)/共66頁(yè)光脈沖反射計(jì)（Spectroreflectometer ） 在不同波長(zhǎng)測(cè)量反射光強(qiáng)度 通過反射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定

13、厚度 光學(xué)探測(cè)器精度高于人眼，測(cè)出的厚度精確程度高。ntmm21111第52頁(yè)/共66頁(yè)改善大面積薄膜改善大面積薄膜均勻性的基本方法均勻性的基本方法1 1、高真空環(huán)境、高真空環(huán)境2 2、潔凈的襯底表面、潔凈的襯底表面( (加熱加熱/ /離子表面清潔離子表面清潔) )3 3、旋轉(zhuǎn)樣品架、旋轉(zhuǎn)樣品架4 4、離子、離子/ /原子束均勻性提高原子束均勻性提高第53頁(yè)/共66頁(yè) Dry Oxidation Si (S) + O2 (V) SiO2 (S) Wet Oxidation Si (S) + H2 O (V) SiO2 (S) + H2 (V)熱氧化技術(shù) -濕氧氧化和干氧氧化第54頁(yè)/共66頁(yè)熱氧化技術(shù)第55頁(yè)/共66頁(yè)熱氧化爐第56頁(yè)/共66頁(yè) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)致密、均勻性和重復(fù)性好、與光刻膠黏附好且應(yīng)力小。 缺點(diǎn)：生長(zhǎng)溫度高（7501200）、生長(zhǎng)速度慢。熱氧化Si