工艺原理之PVD（六）.ppt

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1、集成电路工艺原理北京大学微电子学系DepartmentofMicroelectronicsPekingUniversity31July2021第六章物理气相淀积§6.1真空蒸发制膜基本原理§6.2蒸发源§6.3气体辉光放电§6.4溅射§6.5PVD工艺的台阶覆盖薄膜淀积为了使器件与外部相连，需要淀积金属层并且进行图形化。实际上，当今复杂的IC包含多层（目前已达十几层）相互电隔离的金属层。在金属层之间需要淀积介质层以便实现电学隔离。在金属层间淀积薄膜还可以阻止金属间的互扩散，保护器件和电路免受污染。下面我们将介绍一些目前使用的淀积薄膜方法。薄

2、膜淀积方法物理淀积：真空蒸发阴极溅射分子束外延化学淀积：液相淀积（电镀）气相淀积（CVD）物理气相淀积定义：利用物理过程实现源物质（原子或分子）转移到衬底（硅）表面上的过程基本方法：真空蒸发、溅射6.1.1真空蒸发设备6.1.2汽化热和蒸汽压6.1.3真空度与分子平均自由程6.1.4蒸发速率6.1.5淀积速率6.1.6多组分薄膜的蒸发方法§6.1真空蒸发制膜基本原理蒸发是一种应用较早而且简单直观的薄膜淀积方法。需要蒸发的材料被放在真空腔内，由电阻丝加热。以蒸发Al为例，一小段Al线被放在钨灯丝或蒸发舟上。需要淀积薄膜的衬底被放在真空腔内正对

3、蒸发源的位置上。在真空条件下，对蒸发源加热，使蒸发材料蒸发。由于是在真空下，气压很低，蒸发的分子或原子可以不受阻碍地到达衬底表面并淀积成薄膜。一般来说，电阻丝蒸发会产生严重的污染。电子束蒸发是采用电子束来加热蒸发源，可以降低污染，但是产生的X射线会导致器件的退化。因此，在现代IC制造工艺线上很少采用蒸发来进行淀积，只有在对上述问题要求不高的简单器件制造中采用蒸发技术。概念：利用蒸发材料在高温时具有的饱和蒸汽压进行薄膜制备。在真空条件下，加热蒸发源，使原子或分子从源表面逸出，形成蒸汽流，再在衬底表面凝结成固态薄膜优点：设备简单，操作容易，成膜

4、速率快、厚度控制比较精确，所得薄膜纯度较高缺点：薄膜与衬底附着力小，重复性不好，台阶覆盖差6.1.1真空蒸发设备组成部分真空系统：提供真空环境蒸发系统：放置蒸发源，对源加热及测温基板及加热系统：放置衬底（硅片），对衬底加热及测温蒸发过程：加热蒸发过程（对蒸发源加热至熔点）气化原子或分子在蒸发源及硅片间输运淀积过程（飞到衬底表面上的原子或分子在表面凝结、成核生长和成膜的过程）飞到衬底表面上的原子或分子在其上移动能力弱衬底表面温度低，到衬底表面立即成核气相→固相蒸发的关键：高的真空环境如果真空度低被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残余气体分子

5、碰撞，因此运动方向不断改变，很难保证淀积到衬底上，严重时难以形成均匀连续的薄膜残余气体中的氧和水汽，将使源（金属）原子或分子在输运过程中氧化，同时也将使加热的衬底（硅）表面氧化残余气体及所含杂质的原子或分子将淀积在衬底上，从而严重影响淀积薄膜的质量6.1.2汽化热（△H）和蒸汽压（P）汽化热△H△H：克服固相（或液相）的原子束缚蒸发到真气中形成自由（具有一定动能）原子或分子所需的能量（主要用于克服原子间“吸引力”，形成动能的比例小）常用金属：△H～4eV/原子；动能～0.1-0.2eV/原子饱和蒸汽压PP：一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸汽

6、与固态或液态平衡时表现出的压力在被蒸发物质的分压降到饱和蒸汽压以下时才有净蒸发一定T下，不同材料的P不同，但一定材料的P恒定P＝10-2托（133.310-2Pa）的T为蒸发温度（淀积速率合适）。一般来说，要进行有效的蒸发淀积，蒸发源物质的蒸气压应达到一定值。对大多数常用金属，需加热到熔化之后难熔金属Ta、W、Mo、Ti的蒸发温度高，W在3000度下P＝10mTorr，而K在室温下就有高蒸汽压6.1.3真空度与分子平均自由程分子平均自由程：粒子两次碰撞之间飞行的平均距离＝kT/(21/2d2P)T：绝对温度d：气体分子直径P：气体压强

7、P越小，越大。使残余气体的压强保持在足够低的水平，才能使源原子或分子的平均自由程远大于源位置与衬底位置之间的距离简单推导：碰撞次数p=d2Ln令p～1，则～L＝1/d2n考虑分子运动的严格结果：＝1/(21/2d2n)由理想气体定律：P＝nkT所以：＝kT/(21/2d2P)6.1.4蒸发速率直接关系薄膜的淀积速率影响蒸发速率的因素：温度、蒸发面积、表面清洁度、加热方式等最大影响因素是蒸发源温度，因为温度越高，源物质的平衡蒸汽压越大（随温度上升增加很快）6.1.5淀积速率分子速率分布概率:p(v)=4[m/2kT]3/

8、2v2exp(-mv2/2kT)v为分子速率m为分子质量vx=vy=vz=(2kT/m)1/2Jn=vxtSN/2tS=Nvx/2=(N2kT/2m)1/2=(1/2kTm