第五章 物理气相淀积

第五章 物理气相淀积(PVD)

教师： 潘国峰 E-mail: pgf@

河北工业大学微电子研究所

引言薄膜淀积是芯片加工过程中一个至关重要的工艺步骤，通过淀积 工艺可以在硅片上生长导各种导电薄膜层和绝缘薄膜层，比如金属(Cu、 W、Au)、多晶硅、二氧化硅(SiO2)以及氮化硅(Si3N4),作为欧姆 接触、互连栅电极和肖特基二极管等方面的用膜。铂、钛等在多层互连 膜中常用作粘附或阻挡层。各种不同类型的薄膜淀积到硅片上，在某些情况下，这些薄膜成为 器件结构中的一个完整部分，另外一些薄膜则充当了工艺过程中的牺牲 品，并且在后续的工艺中被去掉。 本章将重点讨论薄膜淀积的原理、过程和所需的设备及多晶硅、 SiO2等绝缘材料薄膜的淀积。金属和金属化合物薄膜的淀积将在第9章 中介绍。

ULSI硅片上的多层金属

芯片中的金属层

物理气相沉积(physical vapor deposition, PVD):利用 某种物理过程，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移 的过程。如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原 子的溅射等现象。 蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱 离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。

溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体 放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸 出并被溅射到晶片上。

讲课内容5.1 5.2 5.3 5.4 真空蒸发法制备薄膜的基本原理 蒸发源 气体辉光放电 溅射

5.1 真空蒸发法制备薄膜的基本原理热蒸发：蒸发材料在真空室中被加热到足够温度时，其原子或分子就会从表面逸出， 这种现象叫做热蒸发。 饱和蒸汽压：在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸汽在与固体或液体平衡过程*中 所表现出的压力，称为该温度下的饱和蒸汽压。相反，一定的饱和蒸汽压对应一 定的温度，规定饱和蒸汽压为133.3×10-2Pa时的温度，为蒸发温度。温度一定， 不同物质饱和蒸气压不同，但是有恒定值。大部分金属需融化后才能有效蒸发， 而Mg、Zn直接升华。 *实际上在真空蒸发制薄时，因为真空室内其它部位的温度都比蒸发源低得多，蒸发 原子或分子被凝结.因而不存在这种平衡过程。 蒸发法薄膜沉积设备结构示意图 载片盘 (1)真空系统 蒸发金属 (2)蒸发系统(加热、测温) 工艺腔 坩锅 (钟罩) (3)基板及加热系统放臵硅片、衬底加热、测温) 蒸发过程： 高真空 (1)加热接近或到熔点，固体汽化，溢出 阀 (2)汽化原子或分子在源与基片间的输运 机械泵 高真空泵 (3)被蒸发原子或分子在衬底的淀积成膜

汽化热(△H):真空蒸发系统的能源将蒸发

材料加热到足够温度，使 其原子或分子获得足够能量，克服固相(或液相)的原子束缚而汽 化到真空环境中，并形成具一定动能的气相原子或分子，该能量即 为汽化热。 必须保持真空环境的理由： (1)如果真空度很低，被蒸发的原子或分子在输运过程中不断与残 余气体的分子碰撞，运动方向不断改变，很难保证被蒸发的原子或 分子有效地淀积在衬底上。 (2)如果真空度太低，残余气体中的氧和水汽，会使金属原子或分子 在输运过程中发生氧化，同时也将使加热的衬底表面发生氧化。如 铝易被氧化的缘故。一般要求本底压强低于10-4-l0-5pa。 (3)系统中残余气体及所含的杂质原子或分子也会淀积在衬底上，从 而严重地影响了淀积薄膜的质量。

例：当系统中残留有lPa的空气时,由理想气体方程可估算出,在室温下， 每立方厘米约有2.4×1014个气体分子,这些气体分子不仅严重妨碍了金、 铝等蒸气分子由源向衬底的降落,且使每平方厘米衬底表面每秒要遭受约 1018个空气分子的撞击，这些物质夹杂在淀积膜中，必然破坏膜的成分 与结构。 气体平均自由路程 与气体压强P有如下关系：

kT 2 d 2 P

k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度(K);d为气体分子的直径；系统气体 压强越小，真空度越高，平均自由程就越大。

1、 元素的蒸发速率在一定的温度下，每种液体或是固体都有特定的平衡蒸汽压。 只有当环境中被蒸发物质的分压降低到它的平衡蒸汽压以下时，才 有可能存在物质的净蒸发。单位源物质表面物质的净蒸发速率为：

N A ( Pe Ph) 2 RT其中，α为一个介于0~1的系数，Pe和Ph分别为该物质的平衡蒸汽压 和实际情况下的分压。当α=1,且Ph=0时，Φ取最大值。 蒸发速率与蒸发温度、蒸发面积、表面清洁度、加热方式有关。 因平衡蒸汽压随温度变化很快，故温度是影响蒸发速度最主要因素。 实际生产常用表征蒸发物质、蒸发温度和蒸发速率关系的卡谟图。

2、 纯元素的蒸发形式1)以单个原子的形式蒸发进入气相： 这种情况下，即使是当温度达到了元素的熔点，其平衡蒸气压也低于 10-1Pa。要利用蒸发方法进行沉积，就需要将物质加热到物质的熔点以 上。大多数金属的热蒸发属于这种情况。 2)以原子团的形式蒸发进入气相： 如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等物质，在低于熔点的温度下，元素的平衡蒸 气压已经相对较高。这种情况下，可以直接利用由固态物质的升华现象， 实现元素的气相沉积。 3)石墨C:没有熔点，其升华所需的温度又相当高，在实践中多利用石 墨电极间的高温放电过程来使碳元素发生蒸发。

3、 化合物与

合金的热蒸发“在利用蒸 …… 此处隐藏：2470字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……