第六章-薄膜工艺.ppt
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第六章薄膜工艺,一、物理气相淀积(PVD)二、化学气相淀积(CVD)三、外延(Epitaxy),在微电子工艺中会用到不同种类的薄膜,比如:
电介质膜、外延膜、多晶硅膜和金属膜等。
电介质膜:
可以用作绝缘材料,掩蔽材料和钝化层等;外延膜:
高质量的单晶膜,对器件进行优化。
多晶硅膜:
在MOS器件中作栅电极材料;金属膜:
包括硅化物,用作低阻互连,欧姆接触,金属/半导体整流等。
薄膜工艺,物理气相淀积:
薄膜淀积过程是物理过程,如蒸发、溅射等。
化学气相淀积:
薄膜淀积过程是化学反应过程,如常压化学气相淀积(APCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)等。
外延:
包括物理气相淀积和化学气相淀积,所生长的薄膜是单晶,因此具有特殊性,其制备技术包括化学气相淀积、分子束外延(MBE)等。
一、物理气相淀积工艺,物理淀积工艺主要用作金属和难熔金属硅化物薄膜的制备。
它们在微电子器件中主要是作为欧姆接触、互连、栅电极等方面用的薄膜。
物理淀积主要包括:
蒸发和溅射。
早期半导体工艺中的金属层全由蒸发淀积,但目前大多被溅射代替,原因有二:
一是蒸发的台阶覆盖能力差;二是蒸发难以生产合金。
1、物理淀积的基本知识,真空系统:
物理淀积必须在真空环境中进行,否则由于空气分子的碰撞作用,将严重妨碍物理淀积的过程。
真空度则依淀积方法和淀积物的性质而异。
等离子体:
等离子体产生是溅射工艺的物理基础,是等离子产生和运动的过程。
1.1真空系统的产生和密封,真空度的常用单位有托(Torr)、大气压(atm)、毫米汞柱(mmHg)、帕斯卡(Pa)等。
其关系如下:
真空范围的近似分类,真空泵,真空的产生要依靠真空泵。
而在低真空和高真空情形下,要分别使用不同的泵。
低真空下一般使用机械泵,其抽真空过程可以分为三个步骤:
捕捉气体,压缩气体,排除气体。
比如:
活塞泵,旋转叶片真空泵,罗茨泵等。
高真空下使用扩散泵、分子泵和低温泵。
工作原理有两种:
一是转移动量给气态分子而抽取气体(扩散泵和分子泵);二是直接俘获气体分子(低温泵)。
活塞真空泵(机械泵)示意图,旋转叶片真空泵(机械泵)示意图,罗茨真空泵(机械泵)示意图,扩散泵示意图,泵油加热成油蒸气,油蒸气从伞形喷嘴高速喷出,油蒸气喷出时带走气体分子,油蒸气碰到冷壁凝成液体流到蒸发器,油蒸气被加热成油蒸气同时释放出气体被抽走,特点:
垂直安装,需要设置冷阱防止返油,不能抽取与泵油反应的气体。
分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子,使气体产生定向流动而抽气。
其叶片是经过特殊设计,在叶片旋转的过程中,使气体分子能够产生定向流动。
分子泵必须在一定的真空度下才能有效的运行(气体分子的平均自由程大于叶片间距)。
分子泵示意图,低温泵(吸附泵)示意图,腔体连接真空系统,气体吸附到冷却元件上,腔体关闭,加热冷却元件,使吸附的气体解吸并抽走,冷却元件制冷后恢复工作状态,连接真空系统与泵腔体,循环工作,吸附泵必须在一定真空泵下才能有效的工作。
真空密封:
在中真空领域,一般采用O型橡胶圈进行密封;对于高真空领域,则需要采取金属对金属的密封。
比如:
2mm厚的金属环被夹紧在两个刀口之间。
1.2等离子体产生,等离子体是除了固态、液态、气态之外的第四态。
它是部分离子化的气体,包括离子,电子和中性原子。
特点是:
导电性,宏观上的中性。
平板等离子体反应腔示意图,高压电源在电极间产生的电弧解离气体产生离子和电子,离子和电子在直流电源的作用下分别向负极和正极运动,离子轰击负极激发出大量的二次电子,这些电子向正极运动,电子向正极运动的过程中与中性气体原子碰撞产生大量的离子,产生循环,在这个系统中,等离子体靠二次电子的发射维持。
等离子体主要包括:
正离子、电子、中性气体分子或原子。
直流等离子体的组成,直流等离子体由各种辉区和暗区组成。
暗区是离子和电子获得能量的加速区;辉区是不同粒子发生碰撞、复合、电离的区域。
直流等离子体的组成包括:
阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正辉柱、阳极辉区和阳极暗区等区域。
射频(交流)等离子体示意图,游离电子在射频电源作用下在电极间作振荡运动,电子碰撞气体原子产生更多的离子和电子,离子和电子在射频电源的作用下在电极间作振荡运动,碰撞产生更多的离子和电子,从而产生循环,该系统中,二次电子的发射不再是维持等离子体的必要条件。
问题:
射频等离子体中,等离子体和电极之间的电位分布是怎样的?
答:
由于电子的运动速度远大于离子的运动速度,因此电子会在电极上大量堆积,造成电极处于低电位,电极附近的压降与电极面积的4次方成反比。
高密度等离子体的产生,从本质上来说,是利用电场或磁场来增加电子的射程,增加电子与气体的碰撞机率,从而增加离子的数量。
磁控等离子体:
利用磁场增加电子与气体原子(分子)的碰撞机率;电感耦合等离子体:
当射频电流流过线圈时会产生感应磁场,利用感应磁场增加电子与气体原子(分子)的碰撞机率;电子回旋共振等离子体:
利用交变电场和磁场的频率耦合,使电子作圆周运动,从而增加电子与气体原子(分子)的碰撞机率。
磁控等离子体示意图,磁场平行于电极,这样从电极激发出来的二次电子会被磁场束缚作圆周运动,但离子比较重,受到的影响比较小。
感应耦合等离子体示意图,线圈上首先加上高电压产生等离子体,然后加上射频电流产生交变的射频磁场,从而使电子在磁场中的射程增加,与更多的气体原子(分子)碰撞产生离子。
等离子由射频电源激发,线圈产生交变磁场,当射频电源的频率与磁场频率相同时,电子产生共振作圆周运动,从而大大增加其射程和碰撞机率。
电子回旋共振等离子体示意图,1.3物理淀积蒸发,定义:
将固体源(如铝、钨、钛等)加热熔化,产生的蒸气在真空中直线运动抵达晶片表面,堆积成薄膜。
根据加热方式,可将蒸发系统分为:
电阻热蒸发、电感热蒸发和电子束蒸发。
一个简单的蒸发台,蒸发必须在一定真空度下进行,这是因为真空度太低,蒸气分子会与空气分子碰撞而损失能量,改变运动方向,从而到达不了晶片表面。
其次,低真空下,蒸气分子会与空气发生氧化等反应。
在真空下,蒸气分子的平均自由程很大,基本上可以沿直线方向运动到晶片表面堆积。
电阻加热蒸发,感应加热蒸发,电子束蒸发示意图,蒸发淀积速率,其中:
pe蒸发物质的蒸气压,T温度,蒸发物质密度,A坩埚面积,M蒸发物质分子量,k玻尔兹曼常数,Z视角因子。
影响蒸发速率的因素,温度:
实际上确定了蒸气压。
温度越高,蒸气压越大,淀积速率越快,但需要控制淀积速率不能太大,否则会造成薄膜表面形貌变差。
视角因子:
确定了晶片淀积的均匀性,可以调整晶片的位置,使它们与坩埚在同一圆周上。
一些常用蒸发材料的蒸气压曲线,晶片与坩埚的位置,晶片与坩埚的位置确定了视角因子Z,如果晶片与坩埚均在同一圆周r之上,则有:
蒸发工艺的缺陷,台阶覆盖能力差,为了改善台阶覆盖,采用办法有:
蒸发过程中旋转晶片;蒸发过程中加热晶片,增加原子的迁移能力。
合金膜的蒸发要注意:
合金中各组分的蒸气压要一致,否则会出现膜组分不均匀的现象。
为了改善合金膜的组分均匀性,可采用以下方法:
多源不同温度蒸发;分层蒸发,但淀积后需要高温扩散。
一台蒸发台用于蒸发铝,铝材料温度加热到1100。
蒸发器的行星转动机构半径是40cm,坩埚直径5cm,铝的淀积速率是多少?
铝的密度:
2.7g/cm3。
作业,希望用一台单源蒸发台淀积Ga和Al的混合物,如果淀积温度是1000,坩埚内的初始混合物是1:
1,两种成分黏滞系数都为1,则蒸发初期膜的组成将是怎样?
膜的组成如何随时间变化?
1.4物理淀积溅射,溅射的物理机制:
是利用等离子体中的离子对靶材料进行轰击,靶材料原子或原子团被发射出来,堆集在晶片衬底上形成薄膜。
与蒸发工艺相比:
台阶覆盖性好,容易制备合金或复合材料薄膜。
简单平行板溅射系统腔体,靶接负极晶片置于正极进气氩气(用于产生等离子)工作原理:
高压产生等离子体之后,正离子在电场作用下向负极运动,轰击靶电极,激发出来的二次电子向正极运动,维持等离子体。
而被轰击出来的靶原子则堆集在晶片上形成薄膜。
离子入射到到晶片表面时,可能产生的结果,反射:
入射离子能量很低;吸附:
入射离子能量小于10eV;离子注入:
入射离子能量大于10KeV;溅射:
入射离子能量为1010KeV。
一部分离子能量以热的形式释放;一部分离子造成靶原子溅射。
影响溅射速率的因素,离子质量:
离子质量增大,溅射速率有上升的趋势,但随原子序数呈周期性起伏。
离子能量:
存在能量阈值;能量越大,溅射产额越大;能量过大,发生离子注入,产额降低,因此产额在某一能量时会有最大值。
离子数量:
采用高密度等离子体可以增加溅射速率。
靶原子质量和结晶性:
金属材料中,铜、银、金较容易溅射;碳、硅、钛、钒、锆、铌、钽、钨等较难溅射。
不同靶材料溅射产额与氩离子能量之间的关系,定义溅射产额:
45KeV离子射向银、铜和钽靶时,溅射产额与轰击离子序数之间的关系,离子质量增大,溅射速率有上升的趋势,但随原子序数呈周期性起伏。
在等离子腔中引入磁场,增加电子与溅射气体的碰撞机率,从而增加离子的密度和溅射速率。
磁控溅射装置示意图,溅射薄膜形成过程,溅射原子运动到晶片表面,被晶片表面吸附并扩散,原子密度足够大时成核,晶核长大成岛状,岛状区域长大合并成连续薄膜,溅射薄膜表面形貌,在不同真空度,温度和离子能量下,溅射薄膜的形貌会发生变化。
溅射薄膜不同形貌特点,溅射薄膜的厚度均匀性,影响因素主要有两个:
溅射原子在晶片衬底上的扩散速率。
与温度有关,温度越高,溅射原子扩散越快。
或在正极引入偏压,使一部分离子轰击正极晶片,从而促进溅射原子的再扩散。
溅射原子的发散。
可以通过旋转晶片衬底和加入准直器来实现。
准直器,偏压离子溅射,合金和复合材料溅射,采用单靶:
由于各组分的溅射速率不一致,导致薄膜中组分与靶中组分会有差异。
采用多靶:
每个靶的功率可以单独调整。
反应溅射:
溅射室中引入反应气体,则溅射出来的靶原子会与反应气体发生作用,得到化合物薄膜。
溅射中需要注意的地方,靶的清洁:
正式溅射前可采用预溅射,去除靶表面层原子。
真空腔保持干净:
除了离子气体,其它残留气体要尽可能少。
溅射薄膜后处理,一般采取热退火,作用在于:
消除溅射引起的损伤;使溅射薄膜与衬底发生某些反应。
如金属与硅衬底生成硅化物。
习题,溅射工艺中,离子能量越高,溅射速率越大吗?
二、化学气相淀积(CVD),该工艺是指:
气态化合物在晶片衬底表面发生化学反应,并生成固体产物淀积在衬底上成为薄膜。
从工作原理上,该工艺主要分为:
热化学气相淀积气相反应需要在较高温度(600950)下进行,以热为化学反应的动力源。
如:
常压化学气相淀积(APCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD);其它化学气相淀积气相反应在比较低的温度(200300)甚至室温下进行,化学反应动力源为:
等离子体,光等。
如:
等离子增强化学气相淀积(PECVD),光化学气相淀积等。
热化学气相淀积装置示意图,用于驱动化学反应的能源是热能,由温度提供,反应气体在被加热的晶片上吸附,分解,反应,从而最终生成固体淀积在晶片上。
比如应用SiH4(硅烷)气体淀积多晶硅的反应大致为:
该工艺一般在600950温度范围内淀积而成。
等离子增强(PECVD)化学气相淀积装置示意图,用于驱动化学反应的能源是等离子体活性基团,高能电子和分子相碰撞,会打开化学键,产生自由基。
自由基至少含有一个未配对电子,因此具有非常大的反应活性。
利用自由基的高反应活性,从而可以实现等离子刻蚀,等离子增强薄膜淀积等。
等离子刻蚀,比如CF4在等离子中产生F自由基,用于SiO2膜的刻蚀,该刻蚀可在室温下进行。
等离子增强CVD淀积,SiH4+N2O生成SiO2,其它还有SixNy、多晶和非晶硅膜淀积等:
化学气相淀积的过程,反应气体通过滞流层向晶片表面输运;反应气体生成次级分子(因为热或等离子环境);反应物被吸附;表面反应释放出固体产物;反应副产物解吸;副产物离开硅片并离开反应器。
其中:
1,6是质量传输过程;3,5是吸附和解吸过程;2,4是化学反应过程。
影响CVD系统的因素,气
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- 第六 薄膜 工艺
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