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1、学习情景三： 薄膜制备 子情景4： 物理气相淀积,半导体制造工艺 第2版,书名：半导体制造工艺 第2版 书号：978-7-111-50757-4 作者：张渊 出版社：机械工业出版社,物理气相淀积,概念：物理气相淀积，简称PVD。它是以物理方式进行薄膜淀积的一种方式； 用途：集成电路中的金属薄膜一般都采用物理气相淀积方式制备； 方式：蒸发（蒸镀）和溅射（溅镀）；,蒸发：通过加热被蒸镀物体，利用被蒸镀物体在高温时（接近其熔点）的饱和蒸汽压，进行薄膜淀积，又称热丝蒸发； 溅射：利用等离子体中的离子，对被溅镀物体（粒子靶）进行轰击，使气相等离子体内具有被溅镀物体的粒子，这些粒子淀积到硅晶片上形成溅射薄
2、膜；,溅射系统示意图,热丝蒸发,分类：真空钨丝蒸发和电子束蒸发 真空钨丝蒸发 真空知识 1标准大气压=760mmHg=760Torr 1mmHg=1Torr=133Pa 粗真空：76010Torr 低真空：1010-3Torr 中真空：10-310-5Torr 高真空：10-510-8Torr 超高真空：10-8Torr以上,源材料 蒸发的目的是为了形成良好的欧姆接触、管芯内部互联以及引出电极引线。为了达到这个目的，所选用的源材料必须满足以下几个条件： 有良好的导电性能； 容易与硅形成良好的欧姆接触； 便于键合和引出金属线； 适合用蒸发工艺；,与二氧化硅粘附性好； 没有毒害； 便于光刻； 价格
3、便宜；,在半导体器件和集成电路制造中，选用铝材料作为蒸发源； 原因：铝和P型和N型硅都能形成低电阻的欧姆接触，而且对二氧化硅附着力强，易于蒸发和光刻，导电能力强，价格便宜； 除此之外，也用金、镍铬、铅等；,真空设备 机械泵 又称真空旋转泵，用来获得低真空的一种抽气设备； 能从一个大气压开始抽气，真空度可达10-3Torr；,机械泵结构示意图,油泵扩散,原理：当机械泵抽气达到10-2Torr以后，再要抽气，就要用到油扩散泵了（它的起始点必须在10-2Torr）； 工作时用电炉加热扩散泵油，使之沸腾，产生大量油蒸汽； 油蒸汽通过各级喷嘴以较高的速率喷射出来。系统中的气体分子不断作扩散运动，一旦与油
4、蒸汽分子相撞，就被油蒸汽分子带走。因为油蒸汽分子的质量大，并且作定向运动，所以气体分子就会被油蒸汽分子带到前方；,蒸发设备,真空蒸发设备又叫真空镀膜机； 组成部分：真空镀膜室、抽气系统、测量系统； 真空镀膜室：钟罩、蒸发源加热器、衬底加热器； 蒸发源加热器一般采用钨丝绕制而成；,蒸发系统示意图,加热材料应满足： 要与蒸发材料的熔液有良好的浸润性，即被蒸发材料熔化后能很好的粘在上面而不掉下来； 熔点必须高于蒸发金属的熔点，以免在蒸发时，加热器本身熔化； 可加工成各种形状，并能重复使用，与蒸发金属间的互熔度必须很小，以免造成蒸发膜玷污或合金化； 大多采用钨丝作为加热材料；,加热器形状： 加热器材料
5、的几何形状直接影响蒸发速率和膜的质量； 它们的几何形状和尺寸需要根据蒸发材料的性质、状态、蒸发量及衬底面积而定； 通常有以下几种形状：,为增大加热丝和源材料的粘合面积，使蒸发源分布均匀，提高蒸发速率及增加加热丝的使用次数，实际中加热丝的做法是： 在粗的钨丝上绕上0.5mm的细钨丝，或者采用几股细钨丝绞合成多股丝，然后加工成所需形状；,蒸发操作过程： 蒸发前准备工作 蒸发源加热器处理 一般钨丝表面会有脏物，一定要很好地清洗； 清洗可用1020% NaOH或 KOH溶液煮几次，或用1020% NaOH溶液电解。然后用冷、热去离子水冲洗至中性，烘干备用； 初次使用的钨丝应空蒸一次，空蒸相当于高温热处
6、理，以去除钨丝中的一些杂质；,铝丝的处理 用甲苯或丙酮去油； 用浓度为85%，温度为6070的磷酸溶液腐蚀1min，以去除表面的氧化层腐蚀后用冷、热去离子水冲洗干净； 然后用无水乙醇脱水，并放在盛有无水乙醇的容器中备用；,石墨加热衬底的处理 石墨衬底的清洁用王水（浓盐酸和浓硝酸按3：1比例配比）煮沸二次； 每次煮10min，然后用去离子水煮沸，一直到中性，烘干； 在真空中加温，时间为12h，以去除石墨中的杂质；,蒸铝过程 打开机械泵放气阀门。打开电源开关和机械泵开关及真空室放气阀门，开启钟罩； 将处理好的铝丝挂好，放好硅片，降下钟罩，关闭真空室放气阀门； 抽气到510-2Torr，打开低真空阀
7、门； 打开烘烤电源开关，逐步升温，使温度达到1300。 关闭烘烤电源开关，待衬底温度降低到100时开始蒸发；,打开蒸发开关，将钨丝通电加热，并逐步加大电压。铝丝随温度升高逐步熔化，并开始挥发； 当熔融的铝层表面的杂质挥发以后，迅速打开挡板，使纯净的铝淀积到硅片上数秒钟后关闭挡板，开始蒸发； 待铝膜淀积到一定厚度时，关闭蒸发开关； 待衬底温度降低到150左右，关闭高真空、预真空阀门及扩散泵加热开关；,待温度降到70以下时，打开真空室放气阀门，通入氮气或空气，开启钟罩，取出硅片；,蒸发中出现的质量问题： 铝层厚度控制不合适 铝层厚度是蒸铝工艺中一个主要参数。一般铝层为12m； 如果铝太薄，在键合工
8、序中容易开焊，造成半导体器件或集成电路断路，严重影响成品率； 如果铝层太厚，电极图形看不清，增加了光刻难度。腐蚀时间一长，容易造成脱胶，钻蚀现象；,铝层厚度大小是由蒸发源到硅片距离、蒸发时间、硅片加热温度以及真空度等因素决定的； 实际中，源距大于7cm，硅片加热温度为180220。,电子束蒸发,原理： 高速电子流打在蒸发源表面上，使蒸发源熔化，以变成蒸汽分子，淀积在硅片衬底上；,电子束蒸发优点 膜纯度高，钠离子玷污少 钨丝蒸发钠离子玷污严重的原因与钨丝的制造有关（制造时用NaOH清洗，不可避免的带进大量的Na+。蒸发源加热时，温度较高不可避免的造成钨-铝金属和杂质的相互扩散，使钨丝中的Na+进
9、入蒸发源中，并伴随铝一起蒸发到硅片表面。同时Na+在氧化层中有很大的溶解度，在480合金时， Na+会渗入到氧化层中，造成Na+玷污）；,光刻腐蚀方便 钨丝蒸发利用钨丝作为铝源承载体，在蒸发过程中，由于高温下钨-铝直接接触而变成合金，因此在蒸发的铝膜中含有钨或其他金属杂质，这给光刻带来一定困难； 电子束蒸发时，铝是放在用水冷却的紫铜坩埚中内，坩埚有较高的热传递性和充分的接触面积，当铝源中心熔化蒸发时，与坩埚接触的四壁和底部仍处于固态，防止铜铝反应，所以电子束蒸发所得到的铝膜纯度高，易于光刻，线条整齐；,镀膜层均匀 电子束蒸发时采用行星式转动机构，硅片在空间不断旋转，因此镀膜十分均匀（钨丝蒸发时
10、硅片是固定不动的）；,节省大量钨丝和铝源 钨丝蒸发时每根钨丝使用58次就得更换，而电子束蒸发采用屏蔽灯丝结构，灯丝寿命较长，使用得当，可以使用一年，并省去清洗钨丝的工作； 电子束蒸发将铝放在坩埚里，由于坩埚容积大，可放源150g左右，每蒸发一次所用铝源不多，而钨丝蒸发每次都得加铝源；,不能产生均匀的台阶覆盖 通过片架的“自转”和“公转”，在台阶覆盖覆盖方面取得了一些进步； 在超大规模集成电路制造技术中，金属化需要能够填充具有高深宽比的小孔，并且产生等角的台阶覆盖； 蒸发技术在高深宽比的孔填充方面远远不能满足要求，所以导致蒸发在现代IC生产中被淘汰；,蒸发缺点,难以淀积合金材料 由于合金是两种金
11、属材料组成，而两种金属就会有两种不同的熔点，这使得利用蒸发使合金材料按原合金比例淀积到硅片上是不可能的；,溅射,概念： 利用等离子体中的离子，对被溅镀物体（粒子靶）进行轰击，使气相等离子体内具有被溅镀物体的粒子，这些粒子淀积到硅晶片上形成溅射薄膜；,溅射优点： 可在一个面积很大的靶上进行，这样解决了大尺寸硅片淀积铝膜厚度均匀性的问题； 在选定工作条件下，膜厚较容易控制，只要调节时间就可以得到所需要厚度； 溅射淀积薄膜的合金成分要比用蒸发容易控制；,溅射工作原理： 产生离子并导向一个靶； 离子把靶表面上的原子轰击出来； 被轰击出的原子向硅片运动； 在硅片表面这些原子凝成薄膜；,溅射示意图,辉光放
12、电 轰击靶材料的高能粒子是辉光放电产生的； 原理：一根玻璃管中充满了压力为1Torr的氩气，两个电极之间的距离为15cm，电压为1.5kv，在玻璃管中引入一个电子，这个电子在两个电极间的电场中加速，这个自由电子有可能碰撞氩原子，把氩原子中的电子激发出来，激发出来的电子就是轰击源材料的轰击源；,溅射方式： 直流溅射（无法溅射绝缘材料，少用） 射频（RF）溅射（可溅射绝缘材料） 磁控溅射,溅射优势（与蒸发相比）,适合于淀积合金，而且具有保持复杂合金成分的能力； 能获得良好的台阶覆盖（蒸发来自于点源，而溅射来自平面源并且可以从各个角度覆盖硅片表面，通过旋转和加热硅片，台阶覆盖还可以得到进一步提高）；
13、 形成的薄膜与硅片的黏附性比蒸发工艺好； 能够淀积难容金属；,铜（Cu）制备,CVD淀积铜 电镀铜（Cu Ecp） Cu淀积，需要在制备铜互连之前，CVD一层薄Cu种子层； CVD方式用于淀积Cu布线种子层；电镀铜工艺用于同互连线制备；,铜电镀（Cu Ecp）,ECP是工业上传统的镀膜工艺之一，电镀工艺存在较大污染和难以控制的工艺过程，在半导体工艺中一直未得到采用； 直到铜互连技术的被采用； 铜电镀工艺优点： 成本低 工艺简单 无需真空支持 淀积速率易提高,铜电镀工艺 用湿法化学品和电流将靶材上的铜离子转移到硅片表面的过程； 系统构造 电镀液（硫酸铜、硫酸、水） 脉冲直流电流源 铜靶材 硅片,
14、原理： 当电源加在铜靶（阳极）和硅片（阴极）之间时，溶液中产生电流并形成电场； 铜靶（阳极）中的铜发生反应转换成铜离子，并在外加电场作用下，向硅片（阴极）定向移动，到达硅片时，铜离子阴极与阴极处的电子发生反应生成铜原子，并被镀在硅片表面；,铜电镀（ECP）原理示意图,电镀铜缺陷： 填充高深宽比的沟槽不理想！（在沟槽的不同部位，电流密度不均匀；沟槽顶部电流密度高，底部电流密度低） 加上集成电路特征尺寸不断缩小，沟槽深宽比增大，使得沟槽更加难以得到良好的填充。,解决措施： 添加剂法 加入添加剂是改善高深宽比沟槽的填充性能非常关键的因素； 添加剂类型： 加速剂 抑制剂 平坦剂,原理及步骤： 添加剂吸
15、附到铜种子层表面，沟槽内首先进行均匀性填充；当加速剂A达到临界浓度时，电镀开始从均匀性填充变成由底部向上填充； 抑制剂S大量吸附在沟槽开口处，在和氯离子的共同作用下，通过扩散-淀积的阴极表面形成一层连续抑制电流的单层膜，通过阻碍铜离子扩散来抑制铜的继续沉积；,双大马士革工艺,铜的干法刻蚀中，采用传统方式，不能产生易挥发的副产物，因此不适合用干法刻蚀； 双大马士革工艺原理： 通过层间介质层刻蚀形成孔或槽，确定好线宽和图形间距，然后将铜淀积到刻蚀好图形的表面上，再经过化学机械抛光方式除掉多余的铜；,双大马士革工艺流程（第二层金属）,1、层间介质淀积 PECVD淀积两层SiO2介质，并使用HDPCVD淀积出致密的、没有针孔的刻蚀阻挡层；,2、金属2的线槽刻蚀 利用光刻、刻蚀工艺刻蚀SiO2至刻蚀阻挡层，刻蚀出金属2层线槽的图形；,3、金属层间通孔刻蚀 继续刻蚀掉刻蚀阻挡层和SiO2层，形成金属2与金属1之间的介质隔离通孔图形；完成互联线的线宽和图形的刻蚀；,4、淀积金属阻挡层 在槽和通孔底部及侧壁用离子化的PVD淀积铜扩散阻挡层（钽或氮化钽）；,5、淀积铜种子层 用CVD淀积连续的铜种子层，种子层必须是均匀且没有针孔；,6、铜电镀 用电镀法淀积铜，既填充通孔窗口，也填充沟槽；,7、用CMP清除额外的铜 用化学机械抛光方式清除额外的铜； 这一过程的平坦化表面是为了下一道工序做准备；,
