半导体第八讲薄膜技术物理资料.ppt

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1、第八讲集成电路薄膜制造技术物理方法内容物理淀积分类：蒸发和溅射蒸发设备，系统与坩锅加热技术多组分薄膜沉积技术溅射沉积技术特点与优势物理淀积：蒸发和溅射早期半导体工艺的金属层全由蒸发淀积。尽管蒸发在科研和III-V族工艺方面仍有广泛应用，在大多数硅工艺中，它已被溅射所取代。原因有两个。首先在于覆盖表面形貌的能力，也称为台阶覆盖(stepcoverage)。当晶体管横向尺寸缩小时，许多结构层的厚度几乎保持不变，因而，金属要覆盖的形貌，其高低变化更为严重，蒸发薄膜覆盖这些结构的能力很差，常在垂直的壁上断开应用蒸发也难以生产控制良好的合金。由于许多现代硅工艺需要合金，用以形成可靠的接触与金属线，要在批

2、量生产环境下的硅工艺中采用蒸发是比较困难的某些III-V族工艺利用了蒸发薄膜台阶覆盖性差的特点，来达到良好的工艺结果。此时不是去淀积和刻蚀金属，而是将金属薄膜淀积在已形成图形的光刻胶层顶面，由于金属薄膜在光刻胶边缘处断裂，当光刻胶溶解后，光刻胶顶面上的金属层就被剥离掉了。在这些工艺中不大采用合金，而是用若干不同金属薄层相堆叠，这种叠堆层很难刻蚀圆片装在高真空腔内，通常由扩散泵或冷泵抽真空扩散泵系统一般有冷阱，用以防止泵油蒸气反流到腔内。将被淀积的材料，装入一个坩锅加热容器内，它可以简单地用嵌入的电阻加热器和一个外电源来加热当坩锅内的材料变热时，材料会发出蒸气，因为腔内压力大大小于1mTorr，

3、蒸气原子可以直线运动通过腔体，直至抵达圆片表面，堆积为薄膜蒸发系统可有多至4个坩锅，允许不破坏真空而实现多层淀积：还可以装入24片圆片，这些圆片悬挂在坩锅上面的支架上如果需要合金的话，还可以同时运作几个坩锅。机械挡板放在坩锅前面，可以用于快速启动或停止淀积过程当样品温度升高，材料会经历典型的固相，液相到气相的变化任何温度下，材料上面都存在蒸气，平衡蒸气压为pe。样品温度低于熔化温度时，产生蒸气的过程称为升华(sublimation)；样品熔化时，称为蒸发(evaporation)称为蒸发的半导体工艺通常涉及熔化样品，但是它是一项简单的工艺，其工作范围内蒸气压很高，能够得到可接受的淀积速率对于蒸

4、发来说，简单地改变样品温度，就可以得到宽范围的压强当材料是液相时，蒸气压由下式给出：pe＝3×1012σ3／2T－1／2e△Hv/NkT(12.1)式中，σ是金属薄膜表面张力，N是阿佛加德罗常数，△Hv是蒸发焓在确定焓的时候，即使有很小的误差，也会造成蒸气压的极大误差数据一般由实验确定为得到高淀积速率，蒸发台通常用很高的坩锅温度工作在紧靠坩锅上方的区域，蒸发气压达到足够高，以致使这个区域处于黏滞流动状态在此区域内工作会导致蒸发材料凝聚成小液滴，如这些液滴到达并附着于圆片表面，将使薄膜表面形貌变差在此范围内工作时，因为在坩锅上方某一距离处形成了虚拟源，也会影响到淀积的均匀性为了获得最好的均匀性，

5、蒸发器必须在低淀积速率下运行，为了避免薄膜玷污需要很高的真空淀积速率通常用石英晶体速率指示仪测量所用器件是一个谐振器板，它可以在谐振频率下振荡，工作时测量其振荡频率因为晶体顶部有材料蒸发淀积，所外加的质量将使得频率偏移，由测得的频率移动可得出淀积速率当淀积足够厚的材料后，谐振频率会移动几个百分点，振荡器便失效了，不再出现尖锐的谐振此检测元件不贵，而且容易替换如果将频率测量系统的输出与机械挡板的控制相连，淀积层厚度可以在很宽的淀积速率范围内得到很好的控制可以把淀积厚度的时间速率变化反馈给坩锅的温度控制，以得到恒定的淀积速率坩锅应用锥形壁构造，以避免当材料消耗时，行星转动部分逐步增大的阴影遮挡效应

6、蒸发的一个重要限制是台阶覆盖在此情况下，台阶是通过绝缘层刻蚀至衬底的接触孔的横断面，对于这样的距离(～1μm)尺度，入射材料原子束可以认为是不发散的假定入射原子在圆片表面不移动，这种高差形貌将投射出一定的阴影区，在接触孔的一边，薄膜通常是不连续的当淀积连续进行时，在绝缘层顶部生长的薄膜使得阴影区边缘向上移动台阶覆盖问题对于金属化层来说是特别严重的，因为金属化是工艺过程的最后几个步骤，如果不采用平面化技术，所累积的形貌高差会十分严重优化圆片的取向可以得到某些有限的改进一种常用的改进台阶覆盖的方法是在蒸发过程中旋转圆片蒸发台内用于承载圆片的的半球形夹具，被设计成能使圆片环绕蒸发器顶部转动侧壁上的淀

7、积速率仍低于平坦表面，但是它成为轴向均匀的标准的蒸发工艺不能在纵横比大于1.0的图形上形成连续薄膜，纵横比在0.5与1.0之间时也是很勉强的第二种改善台阶覆盖的方法是加热圆片蒸发台在行星机构后面加装了一组红外灯或低强度难熔金属加热线圈到达圆片的原子在它们化学成键成为生长薄膜的一部分之前，能沿表面扩散这种随机运动会导致原子的净移动，使之进入淀积速率低的区域蒸发系统：坩锅加热技术有三种类型坩锅加热系统