薄膜沉積原理

1、集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)1/37集成電路工藝原理 仇志軍邯鄲校區(qū)物理樓435室集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)2/37大綱大綱 第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶體生長晶體生長第第三章三章 實驗室凈化及硅片清洗實驗室凈化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 熱氧化熱氧化第六章第六章 熱擴散熱擴散第七章第七章 離子注入離子注入第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積第九章第九章 刻蝕刻蝕第十章第十章 后端工藝與集成后端工藝與集成第十一章第十一章 未來趨勢與挑戰(zhàn)未來趨勢與挑

2、戰(zhàn)集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)3/37本節(jié)課主要內容本節(jié)課主要內容常用的淀積薄膜有哪些？常用的淀積薄膜有哪些？舉例說明其用途。舉例說明其用途。什么是什么是CVD？描述它的？描述它的工藝過程。工藝過程。CVD的控制有哪兩種的控制有哪兩種極限狀態(tài)？分別控制什極限狀態(tài)？分別控制什么參數(shù)是關鍵？么參數(shù)是關鍵？單晶硅（外延）單晶硅（外延）器件；多晶器件；多晶硅硅柵電極；柵電極；SiO2互連介質；互連介質；Si3N4鈍化。金屬鈍化。金屬化學氣相淀積：反應劑被激活化學氣相淀積：反應劑被激活后在后在襯底表面發(fā)生化學反應成襯底表面發(fā)生化學反應成膜。膜

3、。1)主氣流中的反應劑越過主氣流中的反應劑越過邊界層擴散到硅片表面；邊界層擴散到硅片表面；2)反反應劑被吸附在硅片表面；應劑被吸附在硅片表面；3)反反應成核生長；應成核生長；4)副產(chǎn)物揮發(fā)。副產(chǎn)物揮發(fā)。表面反應控制：溫度表面反應控制：溫度質量輸運控制：反應器形狀，質量輸運控制：反應器形狀，硅片放置硅片放置集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)4/37氮化硅的淀積方法氮化硅的淀積方法2438007003226643HHClNSiNHClSiHCo LPCVD：質量好，產(chǎn)量高質量好，產(chǎn)量高2343HSiNHNHSiHPECVD：等離子體中：等離子

4、體中 或或SiNxHy膜對水和鈉有極強的阻擋膜對水和鈉有極強的阻擋能力，可作為最終的鈍化層或多能力，可作為最終的鈍化層或多層布線中的介質。層布線中的介質。224322HSiNHNSiH集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)5/37等離子增強化學氣相淀積（等離子增強化學氣相淀積（PECVD）低溫下（低溫下（200350 C）利用非熱能來增強工藝過程）利用非熱能來增強工藝過程反應氣體被加速電子撞擊而離化。形成不同的活性基團，反應氣體被加速電子撞擊而離化。形成不同的活性基團，它們間的化學反應就生成所需要的固態(tài)膜。它們間的化學反應就生成所需要的固態(tài)膜

5、。13.56MHz集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)6/37等離子體：等離子體：物質存在的第四態(tài)物質存在的第四態(tài)高密度導電粒子構成的氣體高密度導電粒子構成的氣體極板區(qū)域有輝光極板區(qū)域有輝光上標上標“ * ” 表示那些能量要遠遠大于基態(tài)的粒子。分離的原子或表示那些能量要遠遠大于基態(tài)的粒子。分離的原子或分子被稱為自由基，它們具有不完整的結合狀態(tài)并且非?；钴S。分子被稱為自由基，它們具有不完整的結合狀態(tài)并且非?；钴S。如：如：SiH3，SiO，F(xiàn)等。等。 原子激發(fā)原子激發(fā) e* + A A*+e 分子激發(fā)分子激發(fā) e* + AB AB*+e e*

6、+ AB A*+B*+e 原子離子化原子離子化 e* + A A+e+e 分子離子化分子離子化 e* + AB AB + +e+e激發(fā)激發(fā)裂解裂解離離化化等離子體由電子、離化分子、中性分等離子體由電子、離化分子、中性分子、中性或離化的分子片斷、激發(fā)的子、中性或離化的分子片斷、激發(fā)的分子和自由基組成。假設流進的氣體分子和自由基組成。假設流進的氣體是由原子是由原子A和原子和原子B組成的分子組成的分子AB, 在輝光放電中可出現(xiàn)的過程可有在輝光放電中可出現(xiàn)的過程可有:集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)7/37PECVD：在等離子體反應器中，在等離

7、子體反應器中，PECVD最重要最重要的特征是能在更低的溫度下淀積出所需要的薄膜。的特征是能在更低的溫度下淀積出所需要的薄膜。PECVD淀積的氧化硅和氮化硅膜與較高高溫下淀積的氧化硅和氮化硅膜與較高高溫下LPCVD的膜的膜相比有以下特征：相比有以下特征：應力較大、含應力較大、含H、非化學比的結構、非化學比的結構因而造成膜的性質的不同：因而造成膜的性質的不同：粘附能力較差，有針孔、表面粗糙度增大，介電常數(shù)下降，粘附能力較差，有針孔、表面粗糙度增大，介電常數(shù)下降，折射率下降，腐蝕速率增加。折射率下降，腐蝕速率增加。PECVD薄膜淀積質量強烈依賴于薄膜淀積質量強烈依賴于RF功率功率、壓強、溫度等參數(shù)壓

8、強、溫度等參數(shù)集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)8/37集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)9/37集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)10/37物理氣相淀積物理氣相淀積 （PVD）蒸發(fā)（蒸發(fā)（Evaporation）濺射（濺射（Sputtering）淀積金屬、介淀積金屬、介質等多種薄膜質等多種薄膜淀積金屬薄膜淀積金屬薄膜集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)11/37真空真空蒸發(fā)

9、：在真空中，蒸發(fā)：在真空中，把蒸發(fā)料把蒸發(fā)料(金屬金屬)加熱，加熱，使其原子或分子獲得使其原子或分子獲得足夠的能量，克服表足夠的能量，克服表面的束縛而蒸發(fā)到真面的束縛而蒸發(fā)到真空中成為蒸氣，蒸氣空中成為蒸氣，蒸氣分子或原子飛行途中分子或原子飛行途中遇到基片，就淀積在遇到基片，就淀積在基片上，形成薄膜基片上，形成薄膜 加熱器：電阻加熱器：電阻絲或電子束絲或電子束真空狀態(tài)真空狀態(tài)蒸發(fā)蒸發(fā)集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)12/37汽化熱汽化熱 Hv TBAPvlogP 為蒸汽壓，為蒸汽壓，A為積分常數(shù)，為積分常數(shù)，R0為阿夫加德羅常數(shù)為阿夫加

10、德羅常數(shù)03 . 2 RHBv集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)13/37不同元素的平衡蒸氣不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關系壓與溫度的函數(shù)關系為了得到合適的淀積為了得到合適的淀積速率，樣品蒸氣壓至少速率，樣品蒸氣壓至少為為10 mTorr。Ta，W，Mo和和Pt，這些難，這些難熔金屬，它們具有很高熔金屬，它們具有很高的溶化溫度，如為達到的溶化溫度，如為達到10 mtorr 的蒸氣壓，的蒸氣壓， 鎢鎢需要超過需要超過3000 。集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)14/37二、真空度

11、與分子平均自由程二、真空度與分子平均自由程 高純薄膜的淀積必須在高真空度的系統(tǒng)中進行，因為：高純薄膜的淀積必須在高真空度的系統(tǒng)中進行，因為：1. 源材料的氣相原子和分子在真空中的輸運必須直線運動，以保源材料的氣相原子和分子在真空中的輸運必須直線運動，以保證金屬材料原子和分子有效淀積在襯底上，真空度太低，蒸發(fā)證金屬材料原子和分子有效淀積在襯底上，真空度太低，蒸發(fā)的氣相原子或分子將會不斷和殘余氣體分子碰撞，改變方向。的氣相原子或分子將會不斷和殘余氣體分子碰撞，改變方向。2. 殘余氣體中的氧和水氣，會使金屬和襯底氧化殘余氣體中的氧和水氣，會使金屬和襯底氧化3. 殘余氣體和其他雜質原子和分子也會淀積在

12、襯底殘余氣體和其他雜質原子和分子也會淀積在襯底prkT22 反比于氣體壓強反比于氣體壓強r為氣體分子的半徑為氣體分子的半徑平均自由程平均自由程保角差保角差集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)15/37三、蒸發(fā)速率和淀積速率三、蒸發(fā)速率和淀積速率單位時間內，通過單位面積的分子數(shù)單位時間內，通過單位面積的分子數(shù)點源點源小平面源小平面源速率與蒸發(fā)的蒸氣流速率與蒸發(fā)的蒸氣流(F)和靶（硅片）的幾何形狀相關和靶（硅片）的幾何形狀相關集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)16/37點源點源小平面源小平

13、面源Revap是蒸發(fā)速率（是蒸發(fā)速率（g/s） 是源蒸汽的發(fā)射角度，是源蒸汽的發(fā)射角度，對于點源對于點源 4 N是淀積材料的密度是淀積材料的密度點源中點源中F與與 i 無關，小平面源中無關，小平面源中F 隨隨 cosn i 變化變化3、小平面源的非、小平面源的非理想余弦發(fā)射理想余弦發(fā)射1、點源的各項同、點源的各項同性發(fā)均勻發(fā)射性發(fā)均勻發(fā)射2、小平面源的理想、小平面源的理想余弦發(fā)射，即余弦發(fā)射，即 n=1kevapevapPkNrRvrRFcos22kinevapinevapPkNrRvrRFcoscoscos22集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理

14、(下下)17/37按按 歸一化后，有歸一化后，有 如下圖如下圖2001hNRll 是淀積點至硅片中心的距離是淀積點至硅片中心的距離h 是法線長度是法線長度ki222coshlrrhk 23201hl集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)18/37可見蒸發(fā)的淀積速率和蒸發(fā)可見蒸發(fā)的淀積速率和蒸發(fā)材料、溫度材料、溫度/蒸汽壓、及淀積蒸汽壓、及淀積腔的幾何形狀決定反應腔內腔的幾何形狀決定反應腔內晶片的位置、方向有關。晶片的位置、方向有關。如坩鍋正上方晶片比側如坩鍋正上方晶片比側向的晶片淀積得多。向的晶片淀積得多。為了得到好的均勻性，為了得到好的均勻

15、性，常將坩鍋和晶片放在同常將坩鍋和晶片放在同一球面一球面點源點源小平面源小平面源由由Langmuir-Knudsen理論，有理論，有Pe是蒸氣壓（是蒸氣壓（torr），），As是源面是源面積，積，m為克分子質量，為克分子質量，T為溫度為溫度esevapPTmAR21083. 5集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)19/37加熱器a) 必須在蒸發(fā)溫度提供所必須在蒸發(fā)溫度提供所需熱量，但本身結構仍保需熱量，但本身結構仍保持穩(wěn)定。熔點高于被蒸發(fā)持穩(wěn)定。熔點高于被蒸發(fā)金屬熔點金屬熔點 b) 不能與處于熔融狀態(tài)的不能與處于熔融狀態(tài)的蒸發(fā)料合金化或化合

16、蒸發(fā)料合金化或化合c) 蒸氣壓很低蒸氣壓很低d) 易加工成形易加工成形例：難熔鎢絲螺旋式蒸發(fā)例：難熔鎢絲螺旋式蒸發(fā)源源電子束蒸發(fā)（電子束蒸發(fā)（ebeam）a) 電流通過螺旋狀燈絲，使其達到白熾狀態(tài)后電流通過螺旋狀燈絲，使其達到白熾狀態(tài)后發(fā)射電子發(fā)射電子 b) 電子向陽極孔方向發(fā)射形成電子束，加速進電子向陽極孔方向發(fā)射形成電子束，加速進入均勻磁場入均勻磁場c) 電子在均勻磁場洛侖茲力作用下作圓周運動電子在均勻磁場洛侖茲力作用下作圓周運動d) 調節(jié)磁場強度控制電子束偏轉半徑，使電子調節(jié)磁場強度控制電子束偏轉半徑，使電子束準確射到蒸發(fā)源束準確射到蒸發(fā)源e) 蒸發(fā)源熔融汽化，淀積到硅片表面蒸發(fā)源熔融汽

17、化，淀積到硅片表面優(yōu)點：優(yōu)點：淀積膜純度淀積膜純度高，鈉離子高，鈉離子污染少污染少電電子子偏偏轉轉槍槍電阻絲電阻絲集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)20/37為了實現(xiàn)球形結構，為了實現(xiàn)球形結構，晶片放在一個行星晶片放在一個行星轉動的半球罩內轉動的半球罩內 有公轉和自轉。有公轉和自轉。淀積的均勻性可以得淀積的均勻性可以得到很大改善到很大改善電子束蒸發(fā)系統(tǒng)電子束蒸發(fā)系統(tǒng)集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)21/37蒸發(fā)工藝中的一些問題蒸發(fā)工藝中的一些問題:對某些元素淀積速率很慢對某些元素淀

18、積速率很慢合金和化合物很難采用合金和化合物很難采用臺階覆蓋差臺階覆蓋差目前大生產(chǎn)很少采用目前大生產(chǎn)很少采用濺射的優(yōu)點：濺射的優(yōu)點：臺階覆蓋比蒸發(fā)好臺階覆蓋比蒸發(fā)好輻射缺陷遠少于電輻射缺陷遠少于電子束蒸發(fā)子束蒸發(fā)制備復合材料和合制備復合材料和合金性能較好金性能較好可以淀積介質材料可以淀積介質材料集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)22/37濺射濺射Sputtering - 濺射淀積濺射淀積Sputter deposition 利用高能粒子（通常是由電場加速的正利用高能粒子（通常是由電場加速的正離子如離子如Ar+）撞擊固體表面，使表面離子）撞擊

19、固體表面，使表面離子（原子或分子）逸出的現(xiàn)象（原子或分子）逸出的現(xiàn)象濺射的種類濺射的種類: 直流濺射直流濺射射頻濺射射頻濺射反應濺射反應濺射磁控濺射磁控濺射準直濺射準直濺射 .集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)23/37不同元素的平衡蒸氣不同元素的平衡蒸氣壓與溫度的函數(shù)關系壓與溫度的函數(shù)關系而不同元素的而不同元素的濺射產(chǎn)率濺射產(chǎn)率（yield）相差不大相差不大（0.1-3 per incident ion）集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)24/371、直流（、直流（DC）濺射）濺射

20、只能濺射導電物質只能濺射導電物質a）陽極（）陽極（anode）上放硅片，）上放硅片，陰極（陰極（cathode）是靶，真空）是靶，真空室作為放電二極管，通入放電室作為放電二極管，通入放電氣體（如氣體（如Ar）b）陰極加）陰極加110 kV負高壓，負高壓，產(chǎn)生輝光放電，形成等離子體產(chǎn)生輝光放電，形成等離子體c）正離子被加速至數(shù)百）正離子被加速至數(shù)百-數(shù)千數(shù)千伏，撞擊在靶材上，將靶材中伏，撞擊在靶材上，將靶材中原子剝離原子剝離d）這些原子形成蒸汽并自由）這些原子形成蒸汽并自由地穿過等離子體區(qū)到達硅表面地穿過等離子體區(qū)到達硅表面e）濺射淀積時反應腔里壓力）濺射淀積時反應腔里壓力在在10 mtorr左

21、右。在引入放電左右。在引入放電氣體前，真空室氣體前，真空室base pressure要達高真空（要達高真空（106 torr以上）以上） 集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)25/37直流濺射直流濺射系統(tǒng)中等離子體結構和電壓分布（系統(tǒng)中通入氬氣）系統(tǒng)中等離子體結構和電壓分布（系統(tǒng)中通入氬氣）等離子體中包含等離子體中包含同等數(shù)量的正氬同等數(shù)量的正氬離子和電子以及離子和電子以及中性氬原子中性氬原子大部分的電壓降大部分的電壓降在陰極暗區(qū)在陰極暗區(qū)氬離子轟擊陰極氬離子轟擊陰極靶（如靶（如Al）, Al原原子被濺射出，通子被濺射出，通過等離子區(qū)淀積過

22、等離子區(qū)淀積到陽極硅片上到陽極硅片上陰極陰極輝光輝光陽極鞘區(qū)陽極鞘區(qū)等離子體等離子體陰極陰極暗區(qū)暗區(qū)(鞘區(qū)鞘區(qū))集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)26/37濺濺射射中中的的主主要要過過程程陰極暗區(qū)陰極暗區(qū)集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)27/37大面積濺射靶要較點源會提供更寬范圍大面積濺射靶要較點源會提供更寬范圍 的到達角（的到達角（arrival angles）集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)28/372、射頻濺射、射頻濺

23、射 也也可濺射介質可濺射介質 如靶是絕緣材料，不能采用直流濺射，因為絕緣靶上會有正如靶是絕緣材料，不能采用直流濺射，因為絕緣靶上會有正電荷積累。此時可以使用交流電源。電荷積累。此時可以使用交流電源。13.56 MHz集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)29/37RF濺射系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)時的電壓分布濺射系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)時的電壓分布當兩邊面積不等時，當兩邊面積不等時，面積小的電極一邊面積小的電極一邊（電流密度大）有更（電流密度大）有更大電壓降，并有關系大電壓降，并有關系:V2V1Unequal area electrodes (left electrode

24、 smaller)m=12（實驗值）（實驗值）mAAVV1221集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)30/37一般將靶電極的面積設計得較小，電壓主要降在靶電極，使濺射一般將靶電極的面積設計得較小，電壓主要降在靶電極，使濺射在靶上發(fā)生。硅片電極也可以和反應腔體相連，以增加電壓降比值在靶上發(fā)生。硅片電極也可以和反應腔體相連，以增加電壓降比值硅片電極也可以單獨加上硅片電極也可以單獨加上RF偏壓，這樣在實際淀積前可偏壓，這樣在實際淀積前可預先清潔晶片或預先清潔晶片或“濺射刻蝕濺射刻蝕”. 另外一種應用是偏壓另外一種應用是偏壓-濺射淀積（濺射淀積（b

25、ias-sputter deposition），），在晶片上濺射和淀積同時進行。這可以改善淀積臺階覆蓋性在晶片上濺射和淀積同時進行。這可以改善淀積臺階覆蓋性集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)31/373、反應濺射、反應濺射 在濺射氣體中引入反應活性氣體如氧或氮氣，在濺射氣體中引入反應活性氣體如氧或氮氣，可改變或控制濺射膜的特性?？筛淖兓蚩刂茷R射膜的特性。如在低溫下可制作如在低溫下可制作SiOx、SiNx等鈍化膜或多等鈍化膜或多屬布線中的絕緣層；屬布線中的絕緣層；TiN、TaN等導電膜或擴等導電膜或擴散阻擋層散阻擋層 集成電路工藝原理INF

26、O130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)32/374、磁控濺射、磁控濺射 直流濺射和直流濺射和RF濺射中，電子和氣體分子碰撞的離化效濺射中，電子和氣體分子碰撞的離化效率較低，電子的能量有許多消耗在非離化的碰撞和被率較低，電子的能量有許多消耗在非離化的碰撞和被陽極收集。通過外加磁場提高電子的離化率陽極收集。通過外加磁場提高電子的離化率, 磁控濺磁控濺射可以提高濺射效率。射可以提高濺射效率?？蔀R射各種合金和難熔金屬，不會像蒸發(fā)那樣，可濺射各種合金和難熔金屬，不會像蒸發(fā)那樣，造成合金組分的偏離造成合金組分的偏離陰極表面發(fā)射的二次電子由于受到磁場的束縛陰極表面發(fā)射的二次電子由于受到磁場的束縛,使使得高密度等離子體集中在靶附近得高密度等離子體集中在靶附近, 而不再轟擊硅片，而不再轟擊硅片，避免了硅片的升溫避免了硅片的升溫均勻性、重復性好，有良好的臺階覆蓋均勻性、重復性好，有良好的臺階覆蓋濺射效率提高濺射效率提高集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)33/375、準直濺射、準直濺射 集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄膜淀積原理薄膜淀積原理 (下下)34/37薄膜淀積總結薄膜淀積總結集成電路工藝原理INFO130024.02第八章第八章 薄