第六章：薄膜制備技術(shù)——物理沉積方法

Chapter6:ThinFilmDepositionTechniques：PhysicalVaporDeposition(PVD)

圖形的轉(zhuǎn)換方法填充法(Additive)刻蝕法(EtchingorSubtractive)填充法刻蝕法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。二種薄膜沉積工藝化學(xué)氣相沉積（ChemicalVaporDeposition）

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（PhysicalVaporDeposition）

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……薄膜制備技術(shù)薄膜：在襯底上生長的薄固體物質(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（PhysicalVaporDeposition）化學(xué)氣相沉積（ChemicalVaporDeposition）薄膜的生長沉積薄膜的三個階段：晶核形成—聚集成束—形成連續(xù)膜薄膜特性要求

為滿足微納加工工藝和器件要求，通常情況下關(guān)注薄膜的如下幾個特性：1、臺階覆蓋能力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臺階覆蓋能力（StepCoverage）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。非共型臺階覆蓋共型臺階覆蓋非共型臺階覆蓋出現(xiàn)的原因：高的深寬比間隙填充能力

（GapFill）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薄膜應(yīng)力（Stress）應(yīng)力的來源：薄膜的成核和生長過程中的產(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)力熱應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)add應(yīng)力的表征 通常用圓片在沉積前后的彎曲變化量來測量。測量方法：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因應(yīng)力造成的薄膜表面龜裂物理沉積PVD

（PhysicalVaporDeposition）采用蒸發(fā)或濺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)，純粹是物理過程制備金屬薄膜的最主要方式。物理沉積方法ThermalEvaporation(熱蒸發(fā))E-beamEvaporation(電子束蒸發(fā))Sputtering(濺射)FilterVacuumArc(真空弧等離子體)ThermalOxidation(熱氧化)ScreenPrinting(絲網(wǎng)印刷)SpinCoating(旋涂法)Electroplate(電鍍)MolecularBeamEpitaxy(分子束外延)高真空環(huán)境<10-3Pa熱蒸發(fā)技術(shù)

(ThermalEvaporationTechnique)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℃)

擋板蒸發(fā)源晶振電子束蒸發(fā)(E-beamEvaporationTechnique)whenV=10kVElectronVelocity=6×104km/sTemperature~5000-6000℃E-beamEvaporationMachine熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)技術(shù)的比較Depositionrate:10~25000

nm/min熱蒸發(fā)電子束蒸發(fā)AdvantagesSimpleequipmentHighlydirectionalLowcontaminationLesslimitedmaterialsDisadvantagesContaminationLimitedmaterialsChargebuildupfordielectricsRadiation(X-ray)DepositedMaterialsAl,Ag,Au,Cr…MetalandDielectrics蒸發(fā)工藝參數(shù)蒸發(fā)要求的真空度：<10-5Torr蒸發(fā)沉積速率取決于離開蒸汽源的材料量達(dá)到硅片襯底的材料量蒸發(fā)沉積速率公式：這三者是影響沉積速率的三個主要因素蒸發(fā)工藝的限制沉積薄膜的速率限制：高速率與均勻性的矛盾沉積薄膜的純度的限制沉積薄膜的臺階覆蓋能力的限制：陰影效應(yīng)解決辦法：旋轉(zhuǎn)，加熱合金材料與多組分復(fù)合材料薄膜的沉積合金蒸汽壓相近，采用單源蒸發(fā)合金蒸汽壓不同，采用多源同時/分次蒸發(fā)濺射技術(shù)(Sputtering)濺射技術(shù)基本原理：在真空腔中兩個平板電極中充有稀薄惰性氣體，在施加電壓后會使氣體電離，離子在電場的加速下轟擊靶材(陰極)，在使靶材上撞擊(濺射)出原子，被撞擊出的原子遷移到襯底表面形成薄膜。驅(qū)動方式：直流型DCDiode

射頻型RFDiode

磁場控制型Magnetron

離子濺射技術(shù)物理過程1234離子濺射技術(shù)物理過程當(dāng)具有一定能量的離子打到材料表面，所產(chǎn)生的物理過程包括：1、低能量離子會從表面簡單反射；2、能量小于10eV的離子會吸附于表面，以聲子的形式釋放出它的能量；3、能量大于10KeV時，離子穿透多層原子層，深入到靶材內(nèi)部，改變靶材物理特性(離子注入)；4、能量落在10eV~10KeV之間時，一部分離子能量以熱的形式釋放，剩下的部分能量造成靶材表面幾個原子層(原子或原子團(tuán))脫離靶材，發(fā)射出表面。逸出的原子和原子團(tuán)的能量約為10-50eV，約為蒸發(fā)工藝中原子/原子團(tuán)能量的100倍，遷移率大大增加，可改善臺階覆蓋能力，提高微隙填充能力。沉積速率與濺射產(chǎn)額影響沉積速率的關(guān)鍵因素入射離子流量、濺射產(chǎn)額和濺射材料在腔室中的輸運影響濺射產(chǎn)額的關(guān)鍵因素：離子能量、離子質(zhì)量、靶原子質(zhì)量和靶的結(jié)晶性對于每一種靶材，都存在一個能量閾值，低于該值則不發(fā)射濺射。（10~30eV）濺射產(chǎn)額隨離子能量的變化關(guān)系離子能量略大于閾值時，濺射產(chǎn)額隨能量的平方增加；100~750eV時，濺射線性增加；>750eV時，濺射產(chǎn)額略微增加，直至發(fā)生離子注入。濺射產(chǎn)額與離子原子序數(shù)的變化關(guān)系直流/射頻型濺射（DC/RFdiode）直流/射頻型濺射（DC/RFdiode）磁控濺射(MagnetSputtering)

通過增加一個與電場方向垂直的磁場，可使等離子體的電子螺旋式運動，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%。靶材表面的離子和電子運動軌跡磁控濺射過程蒸發(fā)法和濺射法的比較

蒸鍍法濺射法靶材的選擇受限制（金屬靶材）幾乎不受限（難溶金屬，合金，復(fù)合材料）基材加熱低除磁控法外，需高溫表面損害低，電子束會產(chǎn)生X-ray損害離子轟擊的損害合金沉積可可均勻度難易厚度控制不易控制易控制臺階覆蓋性能差較好附著性不佳佳缺陷多少濺射法具有強(qiáng)的間隙填充能力濺射法形成的臺階形貌優(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，典型的臺階覆蓋隨時間增加而變化的截面圖強(qiáng)迫填充濺射 施加幾個大氣壓的高壓使金屬自動坍塌準(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。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。真空弧等離子體鍍膜技術(shù)真空弧等離子體鍍膜技術(shù)

---單離子源真空弧等離子體鍍膜技術(shù)

---多離子源多腔體沉積系統(tǒng)

（MultiChamberDepositionSystem）薄膜厚度的測量1、原位監(jiān)控：石英晶振儀2、臺階儀(Profiler)3、光學(xué)干涉儀4、光脈沖反射計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。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。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)

r﹕石英晶體的密度(2.65×103kg/m3)

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)控儀就是通過測量頻率或與頻率有關(guān)的參量的變化而測量淀積薄膜的厚度臺階儀(StylusProfilometer)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量：接觸式，輕拍式光學(xué)干涉儀膜厚干涉不同的膜厚對應(yīng)于不同的顏色改變襯底的傾斜度，顏色也跟著改變（why）光脈沖反射計（Spectroreflectometer）在不同波長測量反射光強(qiáng)度通過反射光強(qiáng)度與波長的對應(yīng)關(guān)系確定厚度光學(xué)探測器精度高于人眼，測出的厚度精確程度高。改善大面積薄膜均勻性的基本方法1、高真空環(huán)境2、潔凈的襯底表面(加熱/離子表面清潔)3、旋轉(zhuǎn)樣品架4、離子/原子束均勻性提高DryOxidationSi(S)+O2(V)

—>SiO2(S)WetOxidationSi(S)+H2O(V)—>SiO2(S)+H2(V)熱氧化技術(shù)