第五章物理氣相淀積

1、第五章第五章 物理氣相淀積物理氣相淀積(PVD)(PVD)河北工業(yè)大學(xué)微電子研究所河北工業(yè)大學(xué)微電子研究所引言引言 薄膜淀積是芯片加工過程中一個至關(guān)重要的工藝步驟，通過淀積工藝可以在硅片上生長導(dǎo)各種導(dǎo)電薄膜層導(dǎo)電薄膜層和絕緣薄膜層絕緣薄膜層，比如金屬（Cu、W、Au）、多晶硅、二氧化硅（SiO2）以及氮化硅（Si3N4），作為歐姆接觸、互連柵電極和肖特基二極管等方面的用膜。鉑、鈦等在多層互連膜中常用作粘附或阻擋層。 各種不同類型的薄膜淀積到硅片上，在某些情況下，這些薄膜成為器件結(jié)構(gòu)中的一個完整部分，另外一些薄膜則充當(dāng)了工藝過程中的犧牲品，并且在后續(xù)的工藝中被去掉。 本章將重點(diǎn)討論薄膜淀積的原理

2、、過程和所需的設(shè)備及多晶硅、SiO2等絕緣材料薄膜的淀積。金屬和金屬化合物薄膜的淀積將在第9章中介紹。ULSIULSI硅片上的多層金屬硅片上的多層金屬芯片中的金屬層芯片中的金屬層物理氣相沉積物理氣相沉積（physical vapor deposition, PVD)：利用某種物理過程，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移的過程。如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或在受到粒子轟擊時物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象。蒸發(fā)：蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原子，淀積在晶片上。濺射：濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場作用下，氣體放電形成的離子被強(qiáng)電場加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出

3、并被濺射到晶片上。5.1 真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理5.2 蒸發(fā)源5.3 氣體輝光放電5.4 濺射講課內(nèi)容講課內(nèi)容5.1 5.1 真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理真空蒸發(fā)法制備薄膜的基本原理熱蒸發(fā)：蒸發(fā)材料在真空室中被加熱到足夠溫度時，其原子或分子就會從表面逸出，熱蒸發(fā)：蒸發(fā)材料在真空室中被加熱到足夠溫度時，其原子或分子就會從表面逸出， 這種現(xiàn)象叫做熱蒸發(fā)。這種現(xiàn)象叫做熱蒸發(fā)。飽和蒸汽壓飽和蒸汽壓：在一定溫度下，真空室中蒸發(fā)材料的蒸汽在與固體或液體平衡過程在一定溫度下，真空室中蒸發(fā)材料的蒸汽在與固體或液體平衡過程* *中中 所表現(xiàn)出的壓力，所表現(xiàn)出的壓力，稱為該溫度下的飽和蒸汽壓。相反，一定的飽

4、和蒸汽壓對應(yīng)一定的溫度，規(guī)定飽和蒸汽壓為飽和蒸汽壓為133.3133.310102 2PaPa時的溫度，為蒸發(fā)溫度時的溫度，為蒸發(fā)溫度。溫度一定，不同物質(zhì)飽和蒸氣壓不同，但是有恒定值。大部分金屬需融化后才能有效蒸發(fā)，而Mg、Zn直接升華。*實(shí)際上在真空蒸發(fā)制薄時，因?yàn)檎婵帐覂?nèi)其它部位的溫度都比蒸發(fā)源低得多，蒸發(fā)原子或分子被凝結(jié)因而不存在這種平衡過程。蒸發(fā)法薄膜沉積設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖（1）真空系統(tǒng)（2）蒸發(fā)系統(tǒng)（加熱、測溫）（3）基板及加熱系統(tǒng)放置硅片、襯底加熱、測溫）蒸發(fā)過程：（1）加熱接近或到熔點(diǎn)，固體汽化，溢出（2）汽化原子或分子在源與基片間的輸運(yùn)（3）被蒸發(fā)原子或分子在襯底的淀積成膜 機(jī)械泵

5、高真空閥高真空泵工藝腔(鐘罩)坩鍋蒸發(fā)金屬載片盤汽化熱（汽化熱（H)H)：真空蒸發(fā)系統(tǒng)的能源將蒸發(fā)材料加熱到足夠溫度，使其原子或分子獲得足夠能量，克服固相（或液相）的原子束縛而汽化到真空環(huán)境中，并形成具一定動能的氣相原子或分子，該能量即為汽化熱。必須保持真空環(huán)境的理由必須保持真空環(huán)境的理由： （1）如果真空度很低真空度很低，被蒸發(fā)的原子或分子在輸運(yùn)過程中不斷與殘余氣體的分子碰撞，運(yùn)動方向不斷改變，很難保證被蒸發(fā)的原子或分子有效地淀積在襯底上。（2）如果真空度太低真空度太低，殘余氣體中的氧和水汽，會使金屬原子或分子在輸運(yùn)過程中發(fā)生氧化，同時也將使加熱的襯底表面發(fā)生氧化。如鋁易被氧化的緣故。一般要

6、求本底壓強(qiáng)低于10-4l0-5pa。（3）系統(tǒng)中殘余氣體及所含的雜質(zhì)原子或分子也會淀積在襯底上，從而嚴(yán)重地影響了淀積薄膜的質(zhì)量。PdkT22氣體平均自由路程 與氣體壓強(qiáng)P有如下關(guān)系：k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度（K）；d為氣體分子的直徑；系統(tǒng)氣體壓強(qiáng)越小，真空度越高，平均自由程就越大。例：當(dāng)系統(tǒng)中殘留有l(wèi)Pa的空氣時,由理想氣體方程可估算出,在室溫下，每立方厘米約有2.41014個氣體分子,這些氣體分子不僅嚴(yán)重妨礙了金、鋁等蒸氣分子由源向襯底的降落,且使每平方厘米襯底表面每秒要遭受約1018個空氣分子的撞擊，這些物質(zhì)夾雜在淀積膜中，必然破壞膜的成分與結(jié)構(gòu)。1 1、 元素的蒸發(fā)速率元素的蒸發(fā)速

7、率在一定的溫度下，每種液體或是固體都有特定的平衡蒸汽壓。只有當(dāng)環(huán)境中被蒸發(fā)物質(zhì)的分壓降低到它的平衡蒸汽壓以下時，才有可能存在物質(zhì)的凈蒸發(fā)。單位源物質(zhì)表面物質(zhì)的凈蒸發(fā)速率為：其中，為一個介于01的系數(shù)，Pe和Ph分別為該物質(zhì)的平衡蒸汽壓和實(shí)際情況下的分壓。當(dāng)1，且Ph0時，取最大值。RTPhPeNA2)(蒸發(fā)速率與蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)面積、表面清潔度、加熱方式有關(guān)。因平衡蒸汽壓隨溫度變化很快，故溫度是影響蒸發(fā)速度最主要因素溫度是影響蒸發(fā)速度最主要因素。實(shí)際生產(chǎn)常用表征蒸發(fā)物質(zhì)、蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)速率關(guān)系的卡謨圖。2 2、 純元素的蒸發(fā)形式純元素的蒸發(fā)形式1）以單個原子的形式蒸發(fā)進(jìn)入氣相： 這種情況下，即使

8、是當(dāng)溫度達(dá)到了元素的熔點(diǎn)，其平衡蒸氣壓也低于10-1Pa。要利用蒸發(fā)方法進(jìn)行沉積，就需要將物質(zhì)加熱到物質(zhì)的熔點(diǎn)以上。大多數(shù)金屬的熱蒸發(fā)屬于這種情況。2）以原子團(tuán)的形式蒸發(fā)進(jìn)入氣相： 如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等物質(zhì)，在低于熔點(diǎn)的溫度下，元素的平衡蒸氣壓已經(jīng)相對較高。這種情況下，可以直接利用由固態(tài)物質(zhì)的升華現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)元素的氣相沉積。3）石墨C：沒有熔點(diǎn)，其升華所需的溫度又相當(dāng)高，在實(shí)踐中多利用石墨電極間的高溫放電過程來使碳元素發(fā)生蒸發(fā)。3 3、 化合物與合金的熱蒸發(fā)化合物與合金的熱蒸發(fā) “在利用蒸發(fā)法制備化合物或合金薄膜時，為何常需要考慮薄膜成分偏離蒸發(fā)源成分”。（1 1）化合物）化合物 薄

9、膜成分偏離源物質(zhì)的原因：蒸發(fā)出來的物質(zhì)蒸氣可能不同；氣相分子還可能發(fā)生一系列的化合與分解反應(yīng)。（2 2）合金）合金 由于原子間的結(jié)合力小于化合物中原子間的結(jié)合力，因此，合金中各元素的蒸發(fā)過程可近似視為各元素相互獨(dú)立的蒸發(fā)過程，就像純元素蒸發(fā)過程一樣。 但即使如此，合金在蒸發(fā)和沉積過程中也會產(chǎn)生成分的偏差，為什么？但即使如此，合金在蒸發(fā)和沉積過程中也會產(chǎn)生成分的偏差，為什么？解決辦法解決辦法：使用足量的物質(zhì)作為蒸發(fā)源，即盡量減小組元成分的相對變化率；向蒸發(fā)容器內(nèi)不斷地、每次加入少量被蒸發(fā)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)同步蒸發(fā)；加熱雙蒸發(fā)源或多蒸發(fā)源，分別控制和調(diào)節(jié)每個組元的蒸發(fā)速率。如在利用蒸發(fā)法沉積-V化合物薄膜

10、的情況下，可以使用所謂的三溫度法，即分別設(shè)置低蒸氣壓的族元素和蒸氣壓較高的V族元素的各自的蒸發(fā)溫度，同時調(diào)節(jié)薄膜沉積時的襯底溫度，以獲得所需的薄膜成分與薄膜組織。5.2 蒸發(fā)源蒸發(fā)源各種形狀的電阻加熱源各種形狀的電阻加熱源1、電阻加熱源、電阻加熱源直接加熱源直接加熱源：加熱體和待蒸發(fā)材料的載體為同一物質(zhì)（W、Mo、Ta、C等）。間接加熱源間接加熱源：待蒸發(fā)材料放入坩鍋中進(jìn)行間接加熱（高溫陶瓷、石磨等）。特點(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、廉價、易制作。蒸發(fā)源材料與鍍膜材料濕潤狀態(tài)蒸發(fā)源材料與鍍膜材料濕潤狀態(tài)3、電弧蒸發(fā)、電弧蒸發(fā)源源 （1）電弧蒸發(fā)法：用欲蒸發(fā)的材料制成放電的電極，依靠調(diào)節(jié)真空室內(nèi)電極間距的方

11、法來點(diǎn)燃電弧，瞬間的高溫電弧將使電極端部產(chǎn)生蒸發(fā)從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的沉積?？刂齐娀〉狞c(diǎn)燃次數(shù)或時間就可以沉積出一定厚度的薄膜。 （2）優(yōu)缺點(diǎn) 1）優(yōu)點(diǎn)：避免電阻加熱材料或坩堝材料的污染；加熱溫度高，適用于溶點(diǎn)高、同時具有一定導(dǎo)電性的難熔金屬、石墨等的蒸發(fā)；簡單廉價。 2）缺點(diǎn)：在放電過程中容易產(chǎn)生微米量級大小的電極顆粒的飛濺，從而會影響被沉積薄膜的均勻性。4、激光、激光加熱源加熱源（1）激光蒸發(fā)法：高功率激光器產(chǎn)生的高能激光束，可在瞬間將能量直接傳遞給被蒸發(fā)物質(zhì)，使之發(fā)生蒸發(fā)鍍薄。 （2）優(yōu)缺點(diǎn) 1）優(yōu)點(diǎn)：避免電阻加熱材料或坩堝材料的污染；加熱溫度高；蒸發(fā)速率高；蒸發(fā)過程容易控制；特別的優(yōu)點(diǎn)是：適用

12、于蒸發(fā)那些成分復(fù)雜的合金或化合物，這是因?yàn)?，高能量的激光束可以在較短的時間將物質(zhì)的局部加熱至極高的溫度并產(chǎn)生物質(zhì)的蒸發(fā)，在此過程中被蒸發(fā)出來的物質(zhì)仍能保持其原來的元素比例。 2）缺點(diǎn)：也容易產(chǎn)生微小顆粒的飛濺，影響薄膜的均勻性。5、高頻感應(yīng)加熱、高頻感應(yīng)加熱源源（P121)對真空系統(tǒng)抽真空后，充入一定壓力的惰性氣體，如氬氣。在正負(fù)電極間外加電壓的作用下，電極間的氣體原子將被大量電離，產(chǎn)生氬離子和獨(dú)立運(yùn)動的電子，電子在電場作用下飛向陽極，氬離子則在電場作用下加速飛向陰極靶材料，高速撞擊靶材料，使大量的靶材料表面原子獲得相當(dāng)高的能量而脫離靶材料的束縛飛向襯底。具有一定能量的入射離子轟擊固體表面具有

13、一定能量的入射離子轟擊固體表面時，在與固體表面的原子發(fā)生碰撞時產(chǎn)生能時，在與固體表面的原子發(fā)生碰撞時產(chǎn)生能量和動量的轉(zhuǎn)移，并將固體表面（靶）原子量和動量的轉(zhuǎn)移，并將固體表面（靶）原子濺射出來的現(xiàn)象濺射濺射出來的現(xiàn)象濺射。5.3 5.3 氣體輝光放電氣體輝光放電 氣體放電是濺射過程的基礎(chǔ)。設(shè)有如圖3.2a那樣的一個直流氣體放電體系。開始：開始：電極間無電流通過，氣體原子多處于中性，只有少量的電離粒子在電場作用下定向運(yùn)動，形成極微弱的電流。隨電壓升高：電離粒子的運(yùn)動速度加快，則電流隨電壓而上升，當(dāng)粒子的速度達(dá)飽和時，電流也達(dá)到一個飽和值，不再增加（見第一個垂線段）；湯生放電：湯生放電：電壓繼續(xù)升高

14、，離子與陰極靶材料之間、電子與氣體分子之間的碰撞頻繁起來，同時外電路使電子和離子的能量也增加了。離子撞擊陰極產(chǎn)生二次電子，參與與氣體分子碰撞，并使氣體分子繼續(xù)電離，產(chǎn)生新的離子和電子。這時，放電電流迅速增加，但電壓變化不大，這一放電階段稱為湯生放電。 湯生放電后期稱為電暈放電。輝光放電：輝光放電：湯生放電后，氣體會突然發(fā)生電擊穿現(xiàn)象。此時，氣體具備了相當(dāng)?shù)膶?dǎo)電能力，稱這種具有一定導(dǎo)電能力的氣體為等離子體。電流大幅度增加，放電電壓卻有所下降。導(dǎo)電粒子大量增加，能量轉(zhuǎn)移也足夠大，放電氣體會發(fā)生明顯的輝光。電流不斷增大，電流不斷增大，輝光區(qū)擴(kuò)大到整個放電長度上，電壓有所回升，輝光輝光區(qū)擴(kuò)大到整個放電

15、長度上，電壓有所回升，輝光的亮度不斷提高，叫異常輝光放電，的亮度不斷提高，叫異常輝光放電，可提供面積大、分布均勻的等離子體?；」夥烹姡夯」夥烹姡弘妷捍蠓陆?，電流大幅增加，產(chǎn)生弧光放電，電弧放電斑點(diǎn)，陰極局部溫度大幅升高，陰極自身會發(fā)生熱蒸發(fā)。5.3.2 輝光放電中的碰撞過程輝光放電中的碰撞過程等離子體中高速運(yùn)動的電子與其它粒子的碰撞是維持氣體放電的主等離子體中高速運(yùn)動的電子與其它粒子的碰撞是維持氣體放電的主要微觀機(jī)制要微觀機(jī)制。電子與其他粒子的碰撞有彈性（總能量保持不變）、非彈性碰撞（電離、激發(fā)、分解反應(yīng)）兩種微觀機(jī)制。在兩個粒子的彈性碰撞過程中，碰撞后的能量滿足關(guān)系 （5.2）其中M為粒子

16、的質(zhì)量，E為粒子在碰撞后的相應(yīng)動能，為運(yùn)動粒子在碰撞后被偏折的角度。對于輝光放電等離子體中的大多數(shù)碰撞來說，相當(dāng)于高速運(yùn)動的電子與低速運(yùn)動的原子或離子的碰撞。由于電子的質(zhì)量小，因而每次碰撞中所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移是很小的，它不會造成氣體分子的電離。對于非彈性碰撞來說，碰撞過程中有部分電子動能將轉(zhuǎn)化為粒子的內(nèi)能，為內(nèi)能增加值，其最大值為 （5.3）由于近似等于1，而正是碰撞前的電子動能，因?yàn)榉菑椥耘鲎部梢允闺娮哟蟛糠帜芰哭D(zhuǎn)移給其他質(zhì)量較大的粒子，如離子或原子，引起其激發(fā)或電離。因此電子與其他粒子的非彈性碰撞過程是維持自持放電過程電子與其他粒子的非彈性碰撞過程是維持自持放電過程的主要機(jī)制。的主要機(jī)制。2

17、2122112cos4MMMMEE21222112cosMMMVMU在非彈性碰撞中可能發(fā)生許多不同的過程，其中比較有代表性的是：（1）電離過程，如: （5.4）這一過程使得電子數(shù)目增加，從而使得放電過程得以繼續(xù)。（5.4）式的反過程被稱為復(fù)合。（2）激發(fā)過程，如: （5.5）其中的星號表示相應(yīng)的粒子已處于能量較高的激發(fā)態(tài)。（3）分解反應(yīng)，如: （5.6）在這一碰撞過程中，分子被分解成為兩個反應(yīng)基團(tuán)，其化學(xué)活性將遠(yuǎn)高于原來的分子。eArAre2eOOe*22eFCFCFe*345.3.3 5.3.3 射頻輝光放電射頻輝光放電 兩極間接上射頻（530MHz，國際上多采用13.56MHz）電源后，兩

18、極間等離子體中不斷振蕩運(yùn)動的電子從高頻電場中獲得足夠的能量，并更有效地與氣體分子發(fā)生碰撞，并使后者電離，產(chǎn)生大量的離子和電子，此時不再需要二次電子來維持放電過程，射頻濺射可以在低壓（1Pa左右）下進(jìn)行，沉積速率也較二極濺射為高；高頻電場可以經(jīng)由其他阻抗形式耦合進(jìn)入沉積室，而不必再要求電極一定要是導(dǎo)體；由于射頻方法可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，即在射頻電場作用的同時，靶材會自動處于一個較大的負(fù)電位下，從而導(dǎo)致氣體離子對其產(chǎn)生自發(fā)的轟擊和濺射，而在襯底上自偏壓效應(yīng)很小，氣體離子對其產(chǎn)生的轟擊和濺射可以忽略，主要是沉積過程，因此，沉積速率較快。（1）射頻濺射設(shè)備（2）射頻濺射的基本原理當(dāng)離子入射到靶材

19、料上時，對于濺射過程來說比較重要的現(xiàn)象有兩個，其一是物質(zhì)的濺射，其二則是電子的發(fā)射。而后者在電場的作用下獲得能量，進(jìn)而參與氣體分子的碰撞，并維持氣體的輝光放電過程。5.4 5.4 濺射濺射濺射沉積：固體材料在較高荷能(1002000eV)的粒子轟擊下，其表面層的原子間結(jié)構(gòu)受到破壞，部分原子獲得足夠能量后逸出表面(其中也包括電子和離子)，飛向各個方向。若在表面附近適當(dāng)放置基片，濺射粒子便在基片上沉積成膜。薄膜沉積步驟 (a)晶核形成,(b)晶粒成長,(C)晶粒聚結(jié),(d）縫道填補(bǔ),(e)沉積成長。其中圖(a)里的即為物理性吸附在晶片表面的吸附原子,而即為吸附原子經(jīng)解吸后，重新回到氣相通常的濺射就

20、是二極濺射，又稱陰極濺射。陰極是靶材，陽極可接地，也可以是正電位。濺射具有蒸發(fā)所不能具備的某些優(yōu)點(diǎn)，如沉積材料廣泛，不受材濺射具有蒸發(fā)所不能具備的某些優(yōu)點(diǎn)，如沉積材料廣泛，不受材料熔點(diǎn)的限制，同時由于濺射粒子到達(dá)基片時動能大，因此膜層致密、料熔點(diǎn)的限制，同時由于濺射粒子到達(dá)基片時動能大，因此膜層致密、牢固。牢固。但濺射沉積速率較低，基片直接受高能電子轟擊，溫升很高，且膜層易受損傷。5.4.1 5.4.1 濺射特性濺射特性（1）濺射產(chǎn)額的定義）濺射產(chǎn)額的定義 濺射過程可以用濺射產(chǎn)額這個物理量來定量地描述，其定義為平均每入射一個粒子從靶表面濺射出來的原子數(shù)，即每入射一個粒子濺射出來的原子數(shù)Y 濺射

21、產(chǎn)額同樣可以表述為濺射出來的物質(zhì)的總原子數(shù)與入射離子數(shù)之比，濺射產(chǎn)額同樣可以表述為濺射出來的物質(zhì)的總原子數(shù)與入射離子數(shù)之比，濺射產(chǎn)額依賴于靶材料的結(jié)構(gòu)、成份及表面形貌，同時還與入射離子的能量、能量、種類種類等有關(guān)。（2 2）濺射產(chǎn)額的影響因素濺射產(chǎn)額的影響因素a、入射離子能量、入射離子能量 入射離子的能量大小對物質(zhì)的濺射產(chǎn)額有很大的影響，如圖所示。(a) 各種物質(zhì)都有自已的濺射閥值，只有當(dāng)入射離子的能量超過這個閥值，才會實(shí)現(xiàn)對該物質(zhì)表面原子的濺射大部分金屬的濺射閥值在1040eV。(b) 隨著入射離子能量的增加，濺射產(chǎn)額先是提高，然后在離子能量達(dá)到10keV左右的時候趨于平緩。當(dāng)離子能量繼續(xù)增加時，濺射產(chǎn)額反而下降。b、入射離子種類和被濺射物質(zhì)種類、入射離子種類和被濺射物質(zhì)種類 入射離子種類和被濺射物質(zhì)種類對濺射產(chǎn)額也有很大的影響。（a）在加速電壓為400V、Ar離子入射的情況下，各種物質(zhì)的濺射產(chǎn)額呈現(xiàn)明顯的周期性。（b）在加速電壓為45kV，各種入射離子轟擊Ag表面時，重離子惰性氣體作為入射離子時的濺射產(chǎn)額明顯高于輕離子。但多數(shù)情況下均