微細(xì)加工12物理淀積ppt課件

1、 在集成電路制造工藝中，經(jīng)常需求在硅片的外表淀積各種在集成電路制造工藝中，經(jīng)常需求在硅片的外表淀積各種固體薄膜。薄膜厚度普通在納米到微米的數(shù)量級(jí)，薄膜資料可固體薄膜。薄膜厚度普通在納米到微米的數(shù)量級(jí)，薄膜資料可以是金屬、半導(dǎo)體或絕緣體。以是金屬、半導(dǎo)體或絕緣體。 淀積薄膜的主要方法淀積薄膜的主要方法 熱氧化常壓熱氧化、分壓熱氧化、高壓熱氧化等熱氧化常壓熱氧化、分壓熱氧化、高壓熱氧化等 物理淀積真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、分子束外延等物理淀積真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、分子束外延等 化學(xué)汽相淀積化學(xué)汽相淀積CVD常壓常壓 CVD、低壓、低壓 CVD、等離子、等離子加強(qiáng)加強(qiáng) CVD、汽相外延等、汽相外延等

2、 隨著溫度的升高，資料閱歷從固相、液相到氣相的變化。隨著溫度的升高，資料閱歷從固相、液相到氣相的變化。在任何溫度下，資料周圍都存在蒸汽，平衡蒸汽壓為在任何溫度下，資料周圍都存在蒸汽，平衡蒸汽壓為 pe 。溫度。溫度越高，平衡蒸汽壓就越高。資料溫度低于熔化溫度時(shí)，產(chǎn)生蒸越高，平衡蒸汽壓就越高。資料溫度低于熔化溫度時(shí)，產(chǎn)生蒸汽的過(guò)程稱為汽的過(guò)程稱為 升華；資料熔化后，產(chǎn)生蒸汽的過(guò)程稱為升華；資料熔化后，產(chǎn)生蒸汽的過(guò)程稱為 蒸發(fā)。蒸發(fā)。 被蒸發(fā)資料在真空室內(nèi)加熱，使其原子或分子經(jīng)過(guò)蒸發(fā)大被蒸發(fā)資料在真空室內(nèi)加熱，使其原子或分子經(jīng)過(guò)蒸發(fā)大量分開外表，淀積到硅片上構(gòu)成薄膜。這種技術(shù)可以淀積熔點(diǎn)量分開外表

3、，淀積到硅片上構(gòu)成薄膜。這種技術(shù)可以淀積熔點(diǎn)不太高的金屬或熱穩(wěn)定性良好的化合物，成膜純度高。不太高的金屬或熱穩(wěn)定性良好的化合物，成膜純度高。 有極少數(shù)資料經(jīng)過(guò)升華的方式淀積薄膜，如有極少數(shù)資料經(jīng)過(guò)升華的方式淀積薄膜，如 SiO 。 為了得到適宜的淀積速率，資料的平衡蒸汽壓至少應(yīng)為為了得到適宜的淀積速率，資料的平衡蒸汽壓至少應(yīng)為 10 mTorr。不同資料的平衡蒸汽壓相差很大，難熔金屬包括。不同資料的平衡蒸汽壓相差很大，難熔金屬包括 Ta、W、Mo 、Ti 等的平衡蒸汽壓太低，不適宜用蒸發(fā)的方式淀積等的平衡蒸汽壓太低，不適宜用蒸發(fā)的方式淀積薄膜。例如薄膜。例如 W 要超越要超越 3000oC 才

4、有才有 10 mTorr 的平衡蒸汽壓，的平衡蒸汽壓，而而 Al 在在 1250oC 就有同樣的平衡蒸汽壓。就有同樣的平衡蒸汽壓。 蒸發(fā)速率：蒸發(fā)速率： “液液 氣氣 過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)從單位蒸發(fā)源面過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)從單位蒸發(fā)源面積上蒸發(fā)出來(lái)的粒子數(shù)。蒸發(fā)速率只與溫度積上蒸發(fā)出來(lái)的粒子數(shù)。蒸發(fā)速率只與溫度 T 有關(guān)。有關(guān)。 凈蒸發(fā)速率：扣除凈蒸發(fā)速率：扣除 “氣氣 液液 過(guò)程后凈蒸發(fā)出來(lái)的粒子數(shù)。過(guò)程后凈蒸發(fā)出來(lái)的粒子數(shù)。凈蒸發(fā)速率與溫度凈蒸發(fā)速率與溫度 T 和蒸汽壓和蒸汽壓 p 兩個(gè)要素有關(guān)。兩個(gè)要素有關(guān)。 平衡蒸汽壓：假設(shè)在一個(gè)密封的、且內(nèi)外表不吸附蒸發(fā)物平衡蒸汽壓：假設(shè)在一個(gè)密封的、且內(nèi)外

5、表不吸附蒸發(fā)物質(zhì)的容器中，在某一固定的溫度下進(jìn)展蒸發(fā)，此時(shí)蒸發(fā)速率是質(zhì)的容器中，在某一固定的溫度下進(jìn)展蒸發(fā)，此時(shí)蒸發(fā)速率是固定的。但是隨著蒸發(fā)的進(jìn)展，容器中的壓力增大，固定的。但是隨著蒸發(fā)的進(jìn)展，容器中的壓力增大，“氣氣 液液 的數(shù)量增大，的數(shù)量增大， 使凈蒸發(fā)速率下降。最后當(dāng)使凈蒸發(fā)速率下降。最后當(dāng) “液液 氣氣 和和 “氣氣 液液 的數(shù)量相等時(shí)，凈蒸發(fā)速率降為零，壓力那么堅(jiān)持一個(gè)恒的數(shù)量相等時(shí)，凈蒸發(fā)速率降為零，壓力那么堅(jiān)持一個(gè)恒定值定值 。稱此時(shí)的蒸汽壓為平衡蒸汽壓，記為。稱此時(shí)的蒸汽壓為平衡蒸汽壓，記為 pe 。pe 是溫度是溫度 T 的函數(shù)，隨的函數(shù)，隨 T 的升高而急劇增大的升高而

6、急劇增大 ( 見(jiàn)圖見(jiàn)圖 12.2 ) 。 蒸發(fā)時(shí)同時(shí)存在著蒸發(fā)時(shí)同時(shí)存在著 “液液 氣氣 和和 “氣氣 液液 兩個(gè)過(guò)程。兩個(gè)過(guò)程。 根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論，單位時(shí)間內(nèi)碰撞到單位蒸發(fā)源面積根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論，單位時(shí)間內(nèi)碰撞到單位蒸發(fā)源面積上的氣體粒子數(shù)為上的氣體粒子數(shù)為 留意，留意，Jn 與與 T、p 有關(guān)，而有關(guān)，而 Rn 只與只與 T 有關(guān)，由于有關(guān)，由于 pe 是是 T 的函數(shù)。假設(shè)容器壁與硅片不淀積蒸發(fā)料，那么的函數(shù)。假設(shè)容器壁與硅片不淀積蒸發(fā)料，那么 p = pe ，Jn = Rn ，凈蒸發(fā)速率為零；反之，那么，凈蒸發(fā)速率為零；反之，那么 p pe ，Jn Rn ，凈蒸發(fā)，凈蒸發(fā)速率為速率

7、為 在平衡形狀時(shí)，在平衡形狀時(shí)，p = pe ，故可得蒸發(fā)速率，故可得蒸發(fā)速率 Rn 為為2n2pJkTm2en2pRkTmnne102RJppkTm 將將 Rn 乘以原子質(zhì)量乘以原子質(zhì)量 m 就得到就得到 單位時(shí)間內(nèi)從單位源面積上單位時(shí)間內(nèi)從單位源面積上蒸發(fā)出來(lái)的質(zhì)量蒸發(fā)出來(lái)的質(zhì)量 RME ，即，即MEe2mRpkT 對(duì)大多數(shù)金屬，當(dāng)對(duì)大多數(shù)金屬，當(dāng) pe = 10-2 Torr 時(shí)，時(shí)，RME 約約 10-4 g/cm2 s 。 普通情況下普通情況下 p pe ，那么凈蒸發(fā)速率近似地就是，那么凈蒸發(fā)速率近似地就是 Rn 。nne102RJppkTm式中，式中， 為粘著系數(shù)，為粘著系數(shù)，As

8、 為蒸發(fā)源外表積，為蒸發(fā)源外表積，t 為蒸發(fā)時(shí)間。再為蒸發(fā)時(shí)間。再 膜厚及其均勻性膜厚及其均勻性 1、點(diǎn)蒸發(fā)源、點(diǎn)蒸發(fā)源硅片面積硅片面積元元 dArDxr 由蒸發(fā)源蒸發(fā)出來(lái)的資料總質(zhì)量為由蒸發(fā)源蒸發(fā)出來(lái)的資料總質(zhì)量為 M = RMEAst ，經(jīng)過(guò)立，經(jīng)過(guò)立體角元體角元 淀積到硅片上面積元淀積到硅片上面積元 dAr 上的資料質(zhì)量為上的資料質(zhì)量為 dM，那，那么么dMLsddd44MMRA t將立體角元將立體角元rr2223 2cosddd()ADArDx 代入上式，得：代入上式，得：MEsr223 2dd4()RAtDMAxD 設(shè)薄膜密度為設(shè)薄膜密度為 ，硅片架為平板型，硅片架為平板型，那么薄膜

9、厚度那么薄膜厚度 W 為為rd( )dMW xAME2(0)4sRA tWD顯然，中心處的膜最厚，顯然，中心處的膜最厚， 為改良膜厚的均勻性，可將硅片架為改良膜厚的均勻性，可將硅片架改為球面型改為球面型 ，并將蒸發(fā)源置于球心處，并將蒸發(fā)源置于球心處 ，此時(shí)，此時(shí)，ME24sRA tWDDDx0MEs22 3 24()RAtDxD 其特點(diǎn)是蒸汽分子在空間的分布與角其特點(diǎn)是蒸汽分子在空間的分布與角度度 有關(guān)，蒸汽分子在與源平面法線方向有關(guān)，蒸汽分子在與源平面法線方向的夾角為的夾角為 的立體角元的立體角元 內(nèi)的幾率為內(nèi)的幾率為 2、小平面蒸發(fā)源、小平面蒸發(fā)源cosdd 故淀積在面積元故淀積在面積元

10、dAr 上的質(zhì)量為上的質(zhì)量為cosddMM2MEsr222d()DRA tADxMEsr2coscosdRA tAr 當(dāng)采用球面型硅片架，并將蒸發(fā)源置于球面上時(shí)，當(dāng)采用球面型硅片架，并將蒸發(fā)源置于球面上時(shí)，MEs24RA tWrr 當(dāng)采用平板型硅片架時(shí)，當(dāng)采用平板型硅片架時(shí)，2MEs222rMEs2d( )d()(0)RA tMDW xADxRA tWD 為了進(jìn)一步改良膜厚的均勻性，還可將硅片架設(shè)計(jì)成按為了進(jìn)一步改良膜厚的均勻性，還可將硅片架設(shè)計(jì)成按 “行星方式行星方式 進(jìn)展旋轉(zhuǎn)。進(jìn)展旋轉(zhuǎn)。 蒸發(fā)工藝的主要缺陷之一是臺(tái)階覆蓋性差，容易導(dǎo)致金屬蒸發(fā)工藝的主要缺陷之一是臺(tái)階覆蓋性差，容易導(dǎo)致金屬引

11、線在臺(tái)階處斷開，嚴(yán)重影響集成電路的可靠性和廢品率。由引線在臺(tái)階處斷開，嚴(yán)重影響集成電路的可靠性和廢品率。由于金屬化是集成電路制造過(guò)程的最后幾個(gè)步驟，硅片外表的形于金屬化是集成電路制造過(guò)程的最后幾個(gè)步驟，硅片外表的形貌高差會(huì)比較嚴(yán)重，使臺(tái)階覆蓋問(wèn)題變得更加重要。貌高差會(huì)比較嚴(yán)重，使臺(tái)階覆蓋問(wèn)題變得更加重要。臺(tái)階覆蓋性差臺(tái)階覆蓋性差臺(tái)階覆蓋性好臺(tái)階覆蓋性好 處理方法處理方法 1、采用旋轉(zhuǎn)硅片架；、采用旋轉(zhuǎn)硅片架； 2、蒸發(fā)時(shí)對(duì)硅片適當(dāng)加熱；、蒸發(fā)時(shí)對(duì)硅片適當(dāng)加熱； 3、蒸發(fā)前使硅片平坦化。、蒸發(fā)前使硅片平坦化。 電阻加熱金屬絲、金屬舟等電阻加熱金屬絲、金屬舟等 蒸發(fā)源加熱方式蒸發(fā)源加熱方式 電子束

12、加熱電子束加熱 高頻感應(yīng)加熱高頻感應(yīng)加熱 設(shè)備組成：蒸發(fā)源、真空室、真空系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)設(shè)備組成：蒸發(fā)源、真空室、真空系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng) 對(duì)電阻加熱器資料的要求：對(duì)電阻加熱器資料的要求：1、熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于蒸發(fā)源的熔點(diǎn)，、熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于蒸發(fā)源的熔點(diǎn)，且蒸汽壓極低；且蒸汽壓極低；2、蒸發(fā)過(guò)程中不軟化，不與蒸發(fā)源生成合金。、蒸發(fā)過(guò)程中不軟化，不與蒸發(fā)源生成合金。3、容易加工成所需求的各種外形。常用的電阻加熱器資料有、容易加工成所需求的各種外形。常用的電阻加熱器資料有鎢、鉬、鉭等。鎢、鉬、鉭等。 電阻加熱器電阻加熱器 電阻加熱方式金屬絲電阻加熱方式金屬絲硅片加熱器硅片加熱器硅片架硅片架硅片硅片真空室鐘罩真空

13、室鐘罩蒸發(fā)料蒸發(fā)料蒸發(fā)源加熱電極蒸發(fā)源加熱電極金屬舟金屬舟抽氣抽氣 電阻加熱的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單；缺陷是能夠遭到來(lái)自加熱器電阻加熱的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單；缺陷是能夠遭到來(lái)自加熱器的的 K+、Na+ 離子的沾污。離子的沾污。 電阻加熱方式金屬舟電阻加熱方式金屬舟 電子束加熱方式電子束加熱方式B電子束電子束加速聚加速聚焦系統(tǒng)焦系統(tǒng)電子槍電子槍硅片架硅片架硅片硅片坩鍋坩鍋冷卻水冷卻水蒸發(fā)料蒸發(fā)料 電子束加熱的優(yōu)點(diǎn)電子束加熱的優(yōu)點(diǎn) ：(1) 沾污少，膜的純度高；沾污少，膜的純度高；(2) 能蒸發(fā)能蒸發(fā)各種高熔點(diǎn)的難熔金屬和非金屬。缺陷：各種高熔點(diǎn)的難熔金屬和非金屬。缺陷：(1) 設(shè)備復(fù)雜；設(shè)備復(fù)雜；(2) 有有

14、一定的輻射損傷，蒸發(fā)后需進(jìn)展退火處置。一定的輻射損傷，蒸發(fā)后需進(jìn)展退火處置。高頻感應(yīng)加熱方式高頻感應(yīng)加熱方式 蒸發(fā)工藝中影響薄膜質(zhì)量的要素蒸發(fā)工藝中影響薄膜質(zhì)量的要素 1、淀積前硅片的清洗、淀積前硅片的清洗 除化學(xué)清洗外，可在蒸發(fā)前對(duì)硅片進(jìn)展細(xì)微的濺射處置。除化學(xué)清洗外，可在蒸發(fā)前對(duì)硅片進(jìn)展細(xì)微的濺射處置。 2、蒸發(fā)速率、蒸發(fā)速率 蒸發(fā)速率過(guò)低，金屬膜不光亮，電阻大，鍵合困難；蒸發(fā)蒸發(fā)速率過(guò)低，金屬膜不光亮，電阻大，鍵合困難；蒸發(fā)速率過(guò)大會(huì)在硅片外表構(gòu)成金屬原子團(tuán)淀積小丘，影響光刻，速率過(guò)大會(huì)在硅片外表構(gòu)成金屬原子團(tuán)淀積小丘，影響光刻，且厚度也不易控制。且厚度也不易控制。 3、襯底溫度、襯底溫

15、度 較高的襯底溫度可使薄膜與襯底粘附得更好，有利于降低較高的襯底溫度可使薄膜與襯底粘附得更好，有利于降低接觸電阻。接觸電阻。 真空度確實(shí)定真空度確實(shí)定 為了減小薄膜的沾污和提高薄膜的附著力，要求蒸發(fā)物粒為了減小薄膜的沾污和提高薄膜的附著力，要求蒸發(fā)物粒子盡量防止與剩余氣體分子的碰撞，也就是要求盡量增大剩余子盡量防止與剩余氣體分子的碰撞，也就是要求盡量增大剩余氣體分子的平均自在程。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論，室溫下，氣體分子的平均自在程。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論，室溫下， 普通蒸發(fā)設(shè)備中，蒸發(fā)源到硅片的間距不超越普通蒸發(fā)設(shè)備中，蒸發(fā)源到硅片的間距不超越 50 cm，由此，由此可算出氣壓應(yīng)小于可算出氣壓應(yīng)小于

16、10- 4 Torr ，這就是真空蒸發(fā)設(shè)備中真空度的，這就是真空蒸發(fā)設(shè)備中真空度的下限。實(shí)踐的真空度范圍為下限。實(shí)踐的真空度范圍為 10-4 10-7 Torr。 325.0 10(cm)2kTpd p 鋁的電阻率較低鋁的電阻率較低 ，能與硅構(gòu)成低電阻歐姆接觸，能與硅構(gòu)成低電阻歐姆接觸 ，與，與 SiO2 的粘附性強(qiáng)，容易光刻，容易鍵合，價(jià)錢低廉，因此在集成電的粘附性強(qiáng)，容易光刻，容易鍵合，價(jià)錢低廉，因此在集成電路制造工藝中廣泛采用鋁膜作為互連資料。路制造工藝中廣泛采用鋁膜作為互連資料。 為防止硅向鋁中溶解，為防止硅向鋁中溶解，可以在鋁中加可以在鋁中加 ( 1 2% ) 的的硅；為提高鋁膜的抗

17、電遷移硅；為提高鋁膜的抗電遷移才干，可以在鋁中加才干，可以在鋁中加 4 %的的銅，或再加銅，或再加 ( 1 2% ) 的硅。的硅。 但是單純的鋁互連存在硅向鋁中溶解引起但是單純的鋁互連存在硅向鋁中溶解引起 PN 結(jié)穿通，以結(jié)穿通，以及抗電遷移才干差的問(wèn)題。及抗電遷移才干差的問(wèn)題。 蒸發(fā)工藝的主要缺陷之一是在對(duì)合金和化合物進(jìn)展蒸發(fā)鍍蒸發(fā)工藝的主要缺陷之一是在對(duì)合金和化合物進(jìn)展蒸發(fā)鍍膜時(shí)其組分會(huì)發(fā)生變化。膜時(shí)其組分會(huì)發(fā)生變化。蒸鍍合金和化合物時(shí)，由于資料中各不同組分在同一溫度蒸鍍合金和化合物時(shí)，由于資料中各不同組分在同一溫度下的蒸汽壓不同，使所淀積出來(lái)的薄膜的組分能夠與蒸發(fā)源的下的蒸汽壓不同，使所

18、淀積出來(lái)的薄膜的組分能夠與蒸發(fā)源的組分不一樣。組分不一樣。aobababboapMrRpM 設(shè)設(shè) pao、pbo 為組分為組分 a、b 在溫度在溫度 T 時(shí)的平衡蒸汽壓，時(shí)的平衡蒸汽壓，Ma、Mb 為為 a、b 的分子量，的分子量，Rab 為為 a、b 在蒸發(fā)源中的比例，那么在蒸發(fā)源中的比例，那么 a、b 在蒸鍍所得薄膜中的比例在蒸鍍所得薄膜中的比例 rab 為為 要使薄膜中的組分與蒸發(fā)源中的組分一樣，那么應(yīng)該滿足要使薄膜中的組分與蒸發(fā)源中的組分一樣，那么應(yīng)該滿足aoabobpMpM 但實(shí)踐上存在如下問(wèn)題但實(shí)踐上存在如下問(wèn)題 1、在同一溫度下，普通難以恰好滿足上式，這就使薄膜中、在同一溫度下，

19、普通難以恰好滿足上式，這就使薄膜中的組分與蒸發(fā)源中的組分不同；的組分與蒸發(fā)源中的組分不同； 2、由于各組分在同一溫度下的蒸汽壓不同，從源中蒸發(fā)、由于各組分在同一溫度下的蒸汽壓不同，從源中蒸發(fā)出來(lái)的比例將不同于源的比例，這就使源中的組分、進(jìn)而薄膜出來(lái)的比例將不同于源的比例，這就使源中的組分、進(jìn)而薄膜中的組分隨蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)展而發(fā)生改動(dòng)。中的組分隨蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)展而發(fā)生改動(dòng)。 由于以上問(wèn)題的存在，必需采用一些特殊方法來(lái)蒸鍍合金由于以上問(wèn)題的存在，必需采用一些特殊方法來(lái)蒸鍍合金和化合物。對(duì)于合金，可采用閃蒸法和雙蒸發(fā)源法。和化合物。對(duì)于合金，可采用閃蒸法和雙蒸發(fā)源法。料斗料斗粉狀料粉狀料偏心輪偏心輪振動(dòng)

20、器振動(dòng)器加熱器加熱器硅片架硅片架 1、閃蒸法、閃蒸法 2、雙蒸發(fā)源法、雙蒸發(fā)源法 蒸發(fā)源蒸發(fā)源 A蒸發(fā)源蒸發(fā)源 BaoabobpMpM 把兩種元素分別裝入各自的蒸發(fā)源，獨(dú)立控制每一種蒸發(fā)把兩種元素分別裝入各自的蒸發(fā)源，獨(dú)立控制每一種蒸發(fā)源的溫度，以控制該元素的蒸汽壓使其到達(dá)所需求的值。源的溫度，以控制該元素的蒸汽壓使其到達(dá)所需求的值。 對(duì)于化合物，可采用對(duì)于化合物，可采用 1、反響蒸鍍法、反響蒸鍍法 在真空室中充入一定量的活潑氣體，使之與蒸發(fā)資料在硅在真空室中充入一定量的活潑氣體，使之與蒸發(fā)資料在硅片上發(fā)生化學(xué)反響構(gòu)成化合物薄膜。此法主要用于蒸鍍高熔點(diǎn)片上發(fā)生化學(xué)反響構(gòu)成化合物薄膜。此法主要用

21、于蒸鍍高熔點(diǎn)的絕緣化合物薄膜，及其它某些氧化物、氮化物等。的絕緣化合物薄膜，及其它某些氧化物、氮化物等。 2、雙蒸發(fā)源三溫度法、雙蒸發(fā)源三溫度法 此法主要用于淀積化合物半導(dǎo)體單晶薄膜，后來(lái)開展成了此法主要用于淀積化合物半導(dǎo)體單晶薄膜，后來(lái)開展成了分子束外延技術(shù)。三溫度是指能獨(dú)立控制兩個(gè)蒸發(fā)源的溫度和分子束外延技術(shù)。三溫度是指能獨(dú)立控制兩個(gè)蒸發(fā)源的溫度和襯底的溫度。襯底的溫度。 離子濺射鍍膜過(guò)程分為三步：離子濺射鍍膜過(guò)程分為三步：(1) 離子的產(chǎn)生；離子的產(chǎn)生；(2) 離子對(duì)離子對(duì)靶的轟擊引起濺射；靶的轟擊引起濺射；(3) 從靶資料濺射出來(lái)的粒子在低壓氣氛中從靶資料濺射出來(lái)的粒子在低壓氣氛中向硅

22、片作渡越運(yùn)動(dòng)，碰撞到硅片上并被硅片吸附，完成對(duì)硅片向硅片作渡越運(yùn)動(dòng)，碰撞到硅片上并被硅片吸附，完成對(duì)硅片的淀積。其中前兩步與離子濺射刻蝕一樣。的淀積。其中前兩步與離子濺射刻蝕一樣。 濺射鍍膜是集成電路制造中替代蒸發(fā)而進(jìn)展金屬薄膜淀積濺射鍍膜是集成電路制造中替代蒸發(fā)而進(jìn)展金屬薄膜淀積的主要方法。濺射鍍膜的臺(tái)階覆蓋性好，對(duì)硅片的附著性好，的主要方法。濺射鍍膜的臺(tái)階覆蓋性好，對(duì)硅片的附著性好，能淀積合金、化合物與難熔金屬，因此防止了蒸發(fā)鍍膜的主要能淀積合金、化合物與難熔金屬，因此防止了蒸發(fā)鍍膜的主要缺陷。濺射鍍膜的主要缺陷是缺陷。濺射鍍膜的主要缺陷是 淀積速率較慢。淀積速率較慢。 入射離子打到固體外

23、表時(shí)因能量的不同而發(fā)生四種情況入射離子打到固體外表時(shí)因能量的不同而發(fā)生四種情況 。當(dāng)入射離子的能量很低時(shí)，離子從外表反彈回來(lái)當(dāng)入射離子的能量很低時(shí)，離子從外表反彈回來(lái) ；當(dāng)入射離子；當(dāng)入射離子的能量小于的能量小于 10eV時(shí)，離子被吸附于外表；當(dāng)入射離子的能量為時(shí)，離子被吸附于外表；當(dāng)入射離子的能量為 10 eV 10 keV 時(shí)，離子的部分能量以熱的方式釋放，另外的時(shí)，離子的部分能量以熱的方式釋放，另外的能量那么傳送給襯底原子而使其發(fā)射出來(lái)，構(gòu)成能量那么傳送給襯底原子而使其發(fā)射出來(lái)，構(gòu)成 濺射；當(dāng)入射濺射；當(dāng)入射離子的能量大于離子的能量大于 10 keV 時(shí)，離子可深化到襯底內(nèi)部。時(shí)，離子可

24、深化到襯底內(nèi)部。 濺射出來(lái)的原子能量為濺射出來(lái)的原子能量為 10 50 eV ，比蒸發(fā)出來(lái)的原子能，比蒸發(fā)出來(lái)的原子能量約量約 大大 100 倍倍 。這使原子到達(dá)硅片外表時(shí)有較大的遷移才干，。這使原子到達(dá)硅片外表時(shí)有較大的遷移才干，從而提高了臺(tái)階覆蓋性。高能量的原子還提高了膜的附著性。從而提高了臺(tái)階覆蓋性。高能量的原子還提高了膜的附著性。暗暗區(qū)區(qū)亮區(qū)亮區(qū)等離子區(qū)等離子區(qū)靶陰極靶陰極硅片陽(yáng)極硅片陽(yáng)極Z RC = KC I US 電流電流 I 主要與電壓及氣壓有關(guān)，隨電壓升高而增大；隨氣主要與電壓及氣壓有關(guān)，隨電壓升高而增大；隨氣壓降低而先升后降，所以對(duì)氣壓應(yīng)作折中思索。壓降低而先升后降，所以對(duì)氣

25、壓應(yīng)作折中思索。 相對(duì)濺射率相對(duì)濺射率 US 與電壓、離子種類及入射角的關(guān)系已討論過(guò)。與電壓、離子種類及入射角的關(guān)系已討論過(guò)。當(dāng)氣壓高于當(dāng)氣壓高于 10 2 Torr 時(shí)，時(shí)，US 隨氣壓的升高而下降。隨氣壓的升高而下降。 離子濺射鍍膜的淀積速率離子濺射鍍膜的淀積速率 RC 普通在普通在 10 50 nm/min 的范的范圍內(nèi)，比真空蒸發(fā)的要慢。圍內(nèi)，比真空蒸發(fā)的要慢。 式中，式中，KC 為設(shè)備常數(shù)，主要為設(shè)備常數(shù)，主要與從靶到硅片之間的間隔有關(guān)。為與從靶到硅片之間的間隔有關(guān)。為提高提高 KC ，硅片應(yīng)盡量接近靶，硅片應(yīng)盡量接近靶 ，但不能進(jìn)入暗區(qū)。通常硅片與靶的但不能進(jìn)入暗區(qū)。通常硅片與靶的

26、間距為暗區(qū)寬度的兩倍左右。間距為暗區(qū)寬度的兩倍左右。 一、直流濺射一、直流濺射 當(dāng)濺射金屬時(shí)，可采用直流濺射。這種技術(shù)的設(shè)備簡(jiǎn)單，當(dāng)濺射金屬時(shí)，可采用直流濺射。這種技術(shù)的設(shè)備簡(jiǎn)單，而且淀積速率較高。而且淀積速率較高。 采用直流高壓輝光放電采用直流高壓輝光放電產(chǎn)生等離子體。產(chǎn)生等離子體。 典型工藝條件典型工藝條件 直流電壓：直流電壓：1 10 kV 電極間距：電極間距：1 2 cm 氣體：氣體：Ar 氣壓：氣壓：10-1 10-2 Torr 直流濺射鍍膜的直流濺射鍍膜的 缺陷：缺陷：(1) 所需氣壓較高，薄膜易受沾污，所需氣壓較高，薄膜易受沾污，附著性差；附著性差；(2) 只能淀積金屬。只能淀積

27、金屬。 改良方法：針對(duì)第改良方法：針對(duì)第 1 條缺陷，可以添加一個(gè)發(fā)射電子的熱條缺陷，可以添加一個(gè)發(fā)射電子的熱陰極和一個(gè)勵(lì)磁線圈，以添加電子的碰撞幾率，從而可以降低陰極和一個(gè)勵(lì)磁線圈，以添加電子的碰撞幾率，從而可以降低氣壓，提高膜的質(zhì)量與附著性；針對(duì)第氣壓，提高膜的質(zhì)量與附著性；針對(duì)第 2 條缺陷，可以采用射條缺陷，可以采用射頻濺射。頻濺射。 二、射頻濺射 直流濺射只能淀積金屬而不能淀積介質(zhì)，這是由于轟擊介質(zhì)靶材的離子的電荷無(wú)法泄放。采用射頻濺射可以處理這個(gè)問(wèn)題，從而可以淀積包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體和介質(zhì)在內(nèi)的幾乎任何資料。 射頻濺射所用的氣壓為射頻濺射所用的氣壓為 210-4 Torr，膜的附著性、

28、純度，膜的附著性、純度與致密度等都比較好。與致密度等都比較好。 特點(diǎn)特點(diǎn) 1、入射角為、入射角為 60o 左右，能使相對(duì)濺射率左右，能使相對(duì)濺射率 US 到達(dá)最大。到達(dá)最大。 2、離子源與淀積室是分別的，使淀積室的真空度可高達(dá)、離子源與淀積室是分別的，使淀積室的真空度可高達(dá) 10- 5 10- 6 Torr，膜的質(zhì)量與附著性更好。，膜的質(zhì)量與附著性更好。離子槍離子槍靶材靶材硅片硅片 三、離子束濺射三、離子束濺射 四、磁控濺射四、磁控濺射 是高密度等離子濺射的一種是高密度等離子濺射的一種 。詳細(xì)構(gòu)造很多。詳細(xì)構(gòu)造很多 ，共同的特點(diǎn)，共同的特點(diǎn)是：是：1、采用正交的電場(chǎng)與磁場(chǎng)，使電子作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，添

29、加碰撞、采用正交的電場(chǎng)與磁場(chǎng)，使電子作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，添加碰撞幾率；幾率；2、陰極靶與硅片架不是平板型而是某種立體構(gòu)造，添加、陰極靶與硅片架不是平板型而是某種立體構(gòu)造，添加了產(chǎn)量，并使膜厚均勻；了產(chǎn)量，并使膜厚均勻；3、硅片架和陽(yáng)極分別，且添加了屏蔽、硅片架和陽(yáng)極分別，且添加了屏蔽極以吸收二次電子，消除了二次電子對(duì)基片的轟擊。極以吸收二次電子，消除了二次電子對(duì)基片的轟擊。NSNS硅片架硅片架陽(yáng)極陽(yáng)極靶陰極靶陰極接地屏蔽極接地屏蔽極環(huán)形磁鐵環(huán)形磁鐵 五、反響濺射五、反響濺射 在在 Ar 中混入少量反響氣體，使之與從靶中濺射出來(lái)的粒子中混入少量反響氣體，使之與從靶中濺射出來(lái)的粒子發(fā)生化學(xué)反響而淀積出化合物薄膜。反響濺射時(shí)，薄膜的組分發(fā)生化學(xué)反響而淀積出化合物薄膜。反響濺射時(shí)，薄膜的組分可以在一個(gè)很大的范圍內(nèi)平滑地控制，驅(qū)動(dòng)等離子體內(nèi)化學(xué)反可以在一個(gè)很大的范圍內(nèi)平滑地控制，驅(qū)動(dòng)等離子體內(nèi)化學(xué)反響所需求的能量范圍也相當(dāng)寬，所以能夠產(chǎn)生多種化合物。這響所需求的能量范圍也相當(dāng)寬，所以能夠產(chǎn)生多種化合物。這時(shí)需求選擇淀積條件和淀積后的退火條件，以優(yōu)先構(gòu)成所希望時(shí)需求選擇淀積條件和淀積后的退火條件，以優(yōu)先構(gòu)成所希望的化合物。的化合物。 薄膜資料和襯底資料的熱膨脹系數(shù)通常是不