薄膜沉積過(guò)程的模擬針對(duì)集成電路中鋁膜的沉積

1、薄膜沉積過(guò)程的模擬針對(duì)集成電路中鋁膜的沉積王洪瑞(學(xué)號(hào)) 鄧越(學(xué)號(hào)) 全健平(學(xué)號(hào)) 金鶴(學(xué)號(hào)) 渠志光(學(xué)號(hào))2002級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)指導(dǎo)老師：胡明教授【摘要】：要生產(chǎn)高密度的半導(dǎo)體器件，重要的一點(diǎn)就是保證鋁膜對(duì)硅襯底上溝槽的良好沉積。在本文中，我們從原子的角度，利用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算和模擬了沉積在帶溝槽的硅襯底的鋁膜的形貌。其中，著重考慮了入射原子能量和角度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)因素對(duì)于薄膜質(zhì)量有很大的影響?！娟P(guān)鍵詞】：分子動(dòng)力學(xué)；沉積；溝槽 【ABSTRACT】： It is important that aluminum films fill the grooves on silicon

2、 substrates if high density devices are to be produced. In this paper , we calculate and simulate the profiles of deposited aluminum films on grooved subtrates on a atom scale using a molecular dynamics method. We put emphasis on the energy and angle of sputtered atoms . As a result, we find both th

3、e factors have great effect on the quality of the growed films【KEY WORDS】：molecular dynamics; deposition; groove1 引言高速計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)引起超大規(guī)模集成電路芯片上的期間密度的迅速增大，這使得亞微米級(jí)的內(nèi)部多層互聯(lián)變得必不可少。為了制造這些亞微米級(jí)的互連線，就必須研發(fā)出能使鋁膜良好地覆蓋硅襯底上的溝槽的技術(shù)。鋁膜的淀積主要有兩種方法，真空蒸發(fā)法和濺射法。其中濺射法由于較高的入射粒子能量而應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在濺射過(guò)程中有很多參數(shù)，如襯底溫度，入射能量和角度，沉積速率，基板形貌等等會(huì)對(duì)沉積薄

4、膜的效果有很大影響，所以需仔細(xì)地研究這些因素，并小心地控制，以使沉積效果達(dá)到最佳。2 建模2.1 分子動(dòng)力學(xué)法介紹分子運(yùn)動(dòng)學(xué)假定原子的運(yùn)動(dòng)是由牛頓運(yùn)動(dòng)方程決定的。假定絕熱近似嚴(yán)格成立時(shí)，原子的運(yùn)動(dòng)有特定的軌道，其量子效應(yīng)可以忽略。經(jīng)典的MD模型根據(jù)單個(gè)原子與周圍原子受到的作用力，計(jì)算每個(gè)原子的牛頓力學(xué)運(yùn)動(dòng)軌跡，從而計(jì)算原子運(yùn)動(dòng)的位置與坐標(biāo)，又稱為計(jì)算機(jī)模擬經(jīng)典軌跡法。需要描繪體系中N個(gè)粒子的坐標(biāo)、速度，對(duì)于第i個(gè)原子的坐標(biāo)、速度，分析它所受的作用力。分子間的作用力一般可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)勢(shì)得出，常用的勢(shì)能有雷納德-瓊斯勢(shì)和摩斯勢(shì)。對(duì)于原子之間的作用，一般采用前者。它可以表示為： (1)那么，其在t時(shí)刻的

5、速度與位移（坐標(biāo)）就可以通過(guò)數(shù)值積分求出，常用的方法采用Verlet算法。問(wèn)題的關(guān)鍵在于原子與原子之間的作用勢(shì)函數(shù)與參數(shù)的確定以及算法實(shí)現(xiàn)。2.2 建立模型模型是采用分子動(dòng)力學(xué)方法描述的鋁膜在帶溝槽的硅襯底上的二維生長(zhǎng)。（1）襯底描述： 本文中所用的基底是帶有溝槽的襯底，如圖所示，左右平臺(tái)處各為18個(gè)和15個(gè)原子尺寸長(zhǎng)，溝槽深度（側(cè)墻）和寬度（底部）各為15個(gè)和12個(gè)原子尺寸長(zhǎng)度。預(yù)先淀積3層均勻密排的鋁原子，它們保持恒定均勻的溫度，在以后的沉積過(guò)程中，它們的位置固定不變。由于濺射原子能量較大，當(dāng)沉積到基底上時(shí)，會(huì)失去豎直方向上的動(dòng)能，將能量傳給基板，從而引起基板溫度略有上升，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本模

6、型中忽略此影響。（2）入射原子描述：鋁原子的各項(xiàng)固定參數(shù)為：質(zhì)量：44.8*10(-27)kg;直徑：2.8*10(-10)m; 互作用勢(shì)常數(shù)：0.36eV。可控制的參數(shù)時(shí)能量和角度，這兩項(xiàng)分開(kāi)討論：（a）豎直入射（角度為0），變換能量的數(shù)值，觀察沉積效果。（b）斜入射，保持能量恒定，改變?nèi)肷浣嵌?，觀察沉積效果。入射原子的初始位置為：豎直方向位于襯底上方數(shù)十倍原子直徑處水平位置由隨即函數(shù)得出。（3）沉積過(guò)程模擬： 根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)方法，隨即入射一個(gè)原子后，每隔一段很小的時(shí)間，重新計(jì)算此原子的受力，加速度，速度，位移。采用雷納德-瓊斯勢(shì)函數(shù)求微分的方法得到受力。 F(R(i,j)=4*e*12*(

7、r0/r)13-(r0/r)7/2/r0 r<2.5r0 = 0 r>2.5r0 (2)其中，e為互作用勢(shì)常數(shù)，r0為平衡距離，屏蔽半徑取為2.5平衡距離。忽略重力的影響，找出原子的合力后，計(jì)算出水平和豎直方向上的加速度，通過(guò)加速度算出速度，再得出位移。當(dāng)豎直方向上速度減為0，停止豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，憑借水平方向上的速度擴(kuò)散，最終找到穩(wěn)定的位置沉積。整個(gè)過(guò)程采用verlet算法。（4）周期性邊界條件 由于采用的襯底規(guī)模有限，必須采用周期性邊界條件。即原子左出右進(jìn)，右出左進(jìn)，使襯底近似符合實(shí)際情況。在豎直方向上，上方無(wú)邊界。下方有襯底限制。3 模型的不足此模型比較粗略地模擬了鋁膜沉積過(guò)

8、程，忽略了襯底溫度，沉積速率以及硅原子與鋁原子晶格常數(shù)匹配等問(wèn)題。4 結(jié)果和分析1、垂直入射即入射角度為0º，能量分別取6ev、60ev、600ev，模擬得到的薄膜沉積形貌。 6eV 60eV 600eV 圖1入射粒子能量對(duì)薄膜形貌的影響2、入射粒子能量為100eV，入射角度分別為0、30、60度時(shí)，模擬得到的薄膜沉積形貌。 30度 45度 60度 0度圖2入射角度對(duì)薄膜形貌的影響5 結(jié)果討論在豎直入射時(shí)，入射原子的能量較低時(shí)，容易出現(xiàn)柱狀生長(zhǎng)，產(chǎn)生較多的空洞和間隙，生長(zhǎng)質(zhì)量不高，隨著能量的提高，薄膜越來(lái)越致密，空洞越來(lái)越少，但由于基底的溝槽的存在，在溝槽中部還是會(huì)出現(xiàn)較大的空洞。當(dāng)

9、能量很高時(shí)，原子有足夠的能量進(jìn)入下一層的空隙，填充能力變得很強(qiáng)，這時(shí)對(duì)于溝槽的填充效果達(dá)到最好，空洞最小。在斜入射時(shí)，由于陰影效應(yīng)，先入射的原子會(huì)遮蔽后入射的原子，加上溝槽側(cè)壁的較大的遮蔽效應(yīng)，使得溝槽底部左側(cè)基本難以有原子填充，呈現(xiàn)斜柱狀生長(zhǎng)，與豎直方向角度越大，此現(xiàn)象越明顯，溝槽填充的越少。因此在鋁膜濺射過(guò)程中，為提高溝槽填充的質(zhì)量，應(yīng)盡量豎直入射能量較大的原子。參考文獻(xiàn)：1 H. Zhang, Z. N. Xia, “molecular dynamics simulation of cluster beam al deposition on si (100) substrate”, 期刊

10、名, vol. 35, no.2, pp. 364-369.2 評(píng)估報(bào)告在此次課程設(shè)計(jì)中，我們組由五人組成：王洪瑞，鄧越，全建平，金鶴，渠志光，組長(zhǎng)為王洪瑞。我們的題目是第二個(gè)：薄膜沉積過(guò)程的模擬（針對(duì)集成電路中鋁膜的沉積）。在剛接到這個(gè)題目時(shí)，大家把重點(diǎn)放到了沉積過(guò)程上了，討論采用分子動(dòng)力學(xué)還是蒙特卡洛方法解決此問(wèn)題。第二周，和老師以及研究生師兄交流時(shí)，才發(fā)現(xiàn)疏漏了集成電路中的鋁膜沉積所特有的性質(zhì)：基底是帶有溝槽的，并非平整的。我們只能重新準(zhǔn)備，五人分工去做。金鶴，渠志光負(fù)責(zé)查詢資料；王洪瑞和全建平負(fù)責(zé)建立模型并編寫(xiě)程序；鄧越負(fù)責(zé)文檔和演示稿的準(zhǔn)備；總的協(xié)調(diào)工作由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)。通過(guò)5天的努力，終于較好的完成了此次課程設(shè)計(jì)，這要?dú)w功于老師及學(xué)長(zhǎng)們的悉心指導(dǎo)以及我們組成員的共同努力和相互合作。 02級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)一班第2組 2005.10 .182005.11.7致謝 此次課程設(shè)計(jì)中，除了大家的共同努力和相互協(xié)作外，還多虧胡明老師以及研究生師兄的悉心指導(dǎo)和耐心幫助，在此表示感謝。附錄1 主程序%參數(shù)定義e=0.36*1.6*10(-19);dd=0.28*10