第六章(物理方法薄膜沉积技术)

发布者:admin 发布时间:2019-10-28 21:33 浏览次数:

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  第六章:薄膜制备技术—— 物理沉积方法 Chapter 6: Thin Film Deposition Techniques: Physical Vapor Deposition (PVD) 图形的转换方法 填充法 (Additive) 刻蚀法 (Etching or Subtractive) 填充法 刻蚀法 IC制造中的薄膜 ? 集成电路芯片制造工艺中,在硅片上制作的器件 结构层绝大多数都是采用薄膜沉积的方法完成的。 二种薄膜沉积工艺 ? 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition) 利用化学反应生成所需的薄膜材料,常用于各种介 质材料和半导体材料的沉积,如SiO2, poly-Si, Si3N4…… ? 物理气相沉积(Physical Vapor Deposition) 利用物理机制制备所需的薄膜材料,常用于金属薄 膜的制备,如Al, Cu, W, Ti…… 薄膜制备技术 ? 薄膜:在衬底上生长的薄固体物质,其一维 尺寸(厚度)远小于另外二维的尺寸。 ? 常用的薄膜包括: SiO2, Si3N4, poli-Si, Metal… ? 常采用沉积方法制备: – 物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition) – 化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition) 薄膜的生长 ? 沉积薄膜的三个阶段: – 晶核形成 — 聚集成束 — 形成连续膜 薄膜特性要求 为满足微纳加工工艺和器件要求,通常 情况下关注薄膜的如下几个特性: 1、台阶覆盖能力 2、低的膜应力 3、高的深宽比间隙填充能力 4、大面积薄膜厚度均匀性 5、大面积薄膜介电\电学\折射率特性 6、高纯度和高密度 7、与衬底或下层膜有好的粘附能力 台阶覆盖能力(Step Coverage) ? 我们希望薄膜在不平整衬底表面的厚度具 有一致性 ? 厚度不一致容易导致膜应力、电短路等问 题。 非共型台阶覆盖 共型台阶覆盖 非共型台阶覆盖出现的原因: ? 深宽比:孔的深度H与宽度W的比值 ? 在亚0.25 mm工艺中,填充硅片表面很小的间隙 和孔的能力是重要的薄膜特性。 ? 防止出现空洞,减少出现缺陷和可靠性问题。 高的深宽比间隙填充能力 (Gap Fill) H W 薄膜应力(Stress) ? 应力的来源: – 薄膜的成核和生长过程中的产生本征应力 – 薄膜与衬底的热膨胀系数不匹配导致外应力 ? 应力分类: 压应力 张应力 ? 热应力与热膨胀系数a ?L ? a?TL ? 应力的表征 通常用圆片在沉积前后的弯曲变化量来测量。 ?? ? E T 2 ?硅片中心弯曲量,t膜厚度,v泊松比 2 t 1 ? v 3R ? R硅片半径,T硅片厚度,E杨氏模量 ? ? 测量方法:采用激光束扫描 圆片,通过反射光线的变化来 表征曲率的变化 因应力造成的薄膜表面龟裂 物理沉积PVD (Physical Vapor Deposition) ? 采用蒸发或溅射等手段使固体材料变成蒸 汽,并在硅片表面凝聚并沉积下来。 ? 没有化学反应出现,纯粹是物理过程 ? 制备金属薄膜的最主要方式。 物理沉积方法 ? ? ? ? ? ? ? ? Thermal Evaporation (热蒸发) E-beam Evaporation (电子束蒸发) Sputtering (溅射) Filter Vacuum Arc (真空弧等离子体) Screen Printing (丝网印刷) Spin Coating (旋涂法) Electroplate (电镀) Molecular Beam Epitaxy (分子束外延) 高线 Pa 热蒸发技术 (Thermal Evaporation Technique) 蒸发工艺是最早出现的金属沉积工艺 Al (Tm=660℃) 钨W(Tm=3380℃) 钽Ta(Tm=2980℃) 钼Mo(Tm=2630℃) 晶振 挡板 蒸发源 电子束蒸发 (E-beam Evaporation Technique) when V= 10 kV Electron Velocity = 6×104 km/s Temperature ~ 5000-6000 ℃ E-beam Evaporation Machine 热蒸发和电子束蒸发 技术的比较 热蒸发 电子束蒸发 Advantages Simple equipment Low contamination Highly directional Less limited materials Disadvanta ges Deposited Materials Contamination Limited materials Al, Ag, Au, Cr… Charge buildup for dielectrics Radiation (X-ray) Metal and Dielectrics Deposition rate: 10~25000 nm/min 蒸发工艺参数 ? 蒸发要求的线 Torr ? 蒸发沉积速率取决于 – 离开蒸汽源的材料量 – 达到硅片衬底的材料量 ? 蒸发沉积速率公式: R ? (k ? R ) / ? d ML k : 到达硅片表面的比例参数(腔体的几何形状参数) R ML : 蒸汽源材料的消耗速率(温度越高,消耗速率越快) ? : 沉淀材料的质量密度(材料本身性质) 这三者是影响沉积速率的三个主要因素 蒸发工艺的限制 ? 沉积薄膜的速率限制:高速率与均匀性的矛盾 ? 沉积薄膜的纯度的限制 ? 沉积薄膜的台阶覆盖能力的限制:阴影效应 解决办法:旋转,加热 ? 合金材料与多组分复合材料薄膜的沉积 – 合金蒸汽压相近,采用单源蒸发 – 合金蒸汽压不同,采用多源同时/分次蒸发 溅射技术 (Sputtering) 溅射技术基本原理:在真空腔中两个平板电极中充 有稀薄惰性气体,在施加电压后会使气体电离,离 子在电场的加速下轰击靶材(阴极),在使靶材上撞 击(溅射)出原子,被撞击出的原子迁移到衬底表面 形成薄膜。 驱动方式: 直流型 DC Diode 射频型 RF Diode 磁场控制型 Magnetron 离子溅射技术物理过程 1 4 2 3 离子溅射技术物理过程 当具有一定能量的离子打到材料表面,所产生的物 理过程包括: 1、低能量离子会从表面简单反射; 2、能量小于10eV的离子会吸附于表面,以声子的 形式释放出它的能量; 3、能量大于10KeV时,离子穿透多层原子层,深 入到靶材内部,改变靶材物理特性(离子注入); 4、能量落在10eV~10KeV之间时,一部分离子能量 以热的形式释放,剩下的部分能量造成靶材表面 几个原子层(原子或原子团)脱离靶材,发射出表 面。逸出的原子和原子团的能量约为10-50eV, 约为蒸发工艺中原子/原子团能量的100倍,迁移 率大大增加,可改善台阶覆盖能力,提高微隙填 充能力。 沉积速率与溅射产额 ? 影响沉积速率的关键因素 – 入射离子流量、溅射产额和溅射材料在腔室中的输运 ? 影响溅射产额的关键因素: 溅射产额 ? 靶上发出的靶原子数 射到靶上的离子数 – 离子能量、离子质量、靶原子质量和靶的结晶性 ? 对于每一种靶材,都存在一个能量阈值,低于该 值则不发射溅射。(10~30 eV) ? 溅射产额随离子能量的变化关系 离子能量略大于阈值时, 溅射产额随能量的平方 增加; 100~750eV时,溅射线eV时,溅射产额略 微增加,直至发生离子 注入。 ? 溅射产额与离子原子序数的变化关系 直流/射频型溅射(DC/RF diode) 溅射过程 磁控溅射 (Magnet Sputtering) 通过增加一个与电场方向垂直的磁场,可使等离子体 中的电子螺旋式运动,增加与气体分子碰撞几率而提高等离 子体浓度 等离子体密度可由0.0001%增加至0.03%。 靶材表面的离子和电子运动轨迹 蒸发法和溅射法的比较 蒸镀法 靶材的选择 基材加热 表面损害 合金沉积 均匀度 厚度控制 台阶覆盖性能 附着性 缺陷 受限制(金属靶材) 低 低,电子束会产生X-ray 损害 可 难 不易控制 差 不佳 多 溅射法 几乎不受限(难溶金属, 合金,复合材料) 除磁控法外,需高温 离子轰击的损害 可 易 易控制 较好 佳 少 溅射法具有强的间隙填充能力 ? 溅射法形成的台阶形貌优于蒸发法,但不 如CVD法 ? 改善措施: – 衬底加热; – 硅片衬底加RF偏压, 圆片被高能电子轰击, 使溅射材料再沉积; – 强迫填充溅射; – 准直溅射; 在高深宽比的接触孔处,典 型的台阶覆盖随时间增加而 变化的截面图 ? 强迫填充溅射 施加几个大气压的高压使金属自动坍塌 ? 准直溅射 控制粒子沉积的方向,更好的填充高深宽比的孔, 但是减低了沉积速率。 常用的溅射工艺流程 ? 金属薄膜:采用磁控直流溅射 介质薄膜:采用RF溅射 ? 溅射前预清洗工艺:采用RF等离子体,Ar+离子轰击硅片 表面,去除自然氧化层 ? 合金材料的溅射: – 合金靶材:薄膜组分受控于气相传输 – 多靶溅射:调节各靶功率来改变沉积层组分 ? TiN反应离子溅射:在N气氛下进行Ti靶溅射,生成TiN。 改善大面积薄膜 均匀性的基本方法 1、高线、洁净的衬底表面(加热/离子表面清洁) 3、旋转样品架 4、离子/原子束均匀性提高 真空弧等离子体镀膜技术 真空弧等离子体镀膜技术 ---单离子源 真空弧等离子体镀膜技术 ---多离子源 多腔体沉积系统 (Multi Chamber Deposition System) 丝网印刷技术 丝网印刷技术 丝网印刷技术在光电薄膜制作中的应用 ---显示器件 电镀技术 -常用于镀铜工艺 电镀铜引线技术 ? 硫酸铜溶液通电后发生的电离化学反应: Cu2+ + e - Cu+ Cu+ + e - Cu ? 必须预沉积势垒层和黏附层:避免铜扩散到硅, 提高附着力。常用Ti/TiN,Ta/TaN, W/WN。 ? 必须预先沉积种子层:形成导电衬底 ? 改善电镀层的电阻率的方法:降低Cu2+的浓度 – 降低硫酸铜溶液浓度 – 加入添加剂(硫酸,硫酸羟胺) 薄膜厚度的测量 1、原位监控:石英晶振仪 2、台阶仪(Profiler) 3、光学干涉仪 4、光脉冲反射计 石英晶振 ? 石英晶体是离子型晶体,具有压电效应 ? 压电谐振,在晶振上加交变电压(或者电流不断 开关),则晶片就产生机械振动。 ? 当机械振动而产生的交变电场频率与交变电压频 率达到共振时,振幅最大 ? 石英压电谐振效应的固有频率的影响因素:芯片 厚度,几何尺寸,切割类型。 石英晶振 ? 质量负载效应:在芯片上镀上膜层,芯片厚度 增大,则芯片固有频率减小。 ? 石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频 率有关的参量的变化而测量淀积薄膜的厚度 n c f ? ( ) 2d ? Q 1/ 2 n﹕谐波数﹐n=1,3,5,… dQ﹕石英晶体的厚度 c ﹕切变弹性系数 ?﹕石英晶体的密度(2.65×103kg/m3) 台阶仪(Stylus Profilometer) ? 探针直接在样品表面扫描,记录表面微观轮廓信息 ? 物理破坏式测量:接触式,轻拍式 光学干涉仪 ? 膜厚干涉 ? 不同的膜厚对应于不同的颜色 ? 改变衬底的倾斜度,颜色也跟着改变(why) 2tn ? ?? 光学测量--比色法 Cox ? ? ox Area tox 方法二、光学测量(非破坏性测量) --椭圆偏振光测量 【没有图形的硅片上测量】 椭偏法测量的基本思路是,起 偏器产生的线波片后成为特殊的椭圆偏振光, 把它投射到待测样品表面时,只要 起偏器取适当的透光方向,被待测 样品表面反射出来的将是线偏振 光.根据偏振光在反射前后的偏振 状态变化(振幅和相位),便可以确 定样品表面的光学特性(折射率和厚 度). 光脉冲反射计(Spectroreflectometer ) ? 在不同波长测量反射光强度 1 1 1 ? ? ? 通过反射光强度与波长的对应关系确定厚度 ?m ?m?1 2nt ? 光学探测器精度高于人眼,测出的厚度精确程度高。


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