Thin Film Process Introduction

Thin Film Process Introduction
2014年8月2日
Outline
薄膜工艺概括
PVD工艺原理与应用 CVD工艺原理与应用 热氧化工艺原理与应用
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Thin Film Process Overview
薄膜在集成电路中的应用
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Thin Film Process Overview
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD)是指利用物理过程实现 物质转移，将原子或分子由源转移到 衬底表面上的过程。
该过程的实现一般是在真空状态下实现
PVD 沉积的特点
源物质经过物理过程进入气相; 需要相对较低的气体压力环境;
要使用固态的或者融化态的物质作为沉积过程的源物质；
1 mmHg
≈ ≈ 1 133.322 6894.76 Pa Pa ≈ ≈ = = = 1.3332× 68.948× 0.00001b 1 0.980665 1.01325 10^ − 3 10^ − 3 ar bar bar bar bar ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ 10.197× 1.0197 1 1.0332 1.3595× 70.307× 10^ − 6 at at at 10^ − 3 at 10^ − 3 at ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ 9.8692× 0.98692 0.96784 1.3158× 68.046× 1 10^ − 6 10^ − 3 10^ − 3 atm atm atm atm atm ≈ ≈ ≈ ≈ = 760 7.5006× 750.06 735.56 1 51.715 Torr 10^ − 3 Torr Torr Torr Torr ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ 145.04× 14.504 14.223 14.696 19.337× 1 10^ − 6 10^ − 3 psi psi psi psi psi = 100 = 98 = 101 000 Pa 066.5 Pa 325 Pa
+
e
e
+
-
等离子体又称电浆,是物质第四态,占了整个宇宙的99%;
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Physical Vapor Deposition（PVD） Sputtering Basics
Neutral Ar Ar ion (Ar+) Sputtered Metal 5. Released Metal atom deposits onto wafer and forms a thin film 1. Neutral Ar gas enters into PVD chamber
加热源材料，通常至熔点 气化原子或分子从蒸发源向衬底输运 飞到衬底上的原子或分子在表面凝结（成核）
核再捕获到飞抵的原子分子或表面扩散原子分子（晶核长大）
核与核合成而形成网络结构（晶粒合并） 网络被填实即生成连续的薄膜（连续成膜）
Physical Vapor Deposition（PVD）
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Physical Vapor Deposition（PVD） Physical Vapor Deposition（PVD）
PVD 沉积的定义
PVD 沉积的特点


PVD 沉积的分类
PVD 沉积工艺的原理 PVD沉积工艺的应用
Physical Vapor Deposition（PVD） PVD 沉积的定义
半导体薄膜：
功能： 有源层，电极，互连； 种类： 单晶硅，Poly-Si，a-Si, SiGe;
绝缘体薄膜：
功能：介质层，隔离层，钝化层； 种类： SiO2，Si3N4，SiON，BPSG, HighK，LowK；
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Thin Film Process Overview 薄膜的制作方法?
沉积法：外来物质淀积于基底表面形成薄膜
应用：
金属薄膜的沉积（主要） 介质薄膜的沉积
Physical Vapor Deposition（PVD） PVD 的分类
真空蒸发沉积( Evaporation) 电阻式加热（热蒸发）
电子束蒸发
溅射沉积(Sputtering)
直流溅射 （DC-Sputter）
射频溅射 （RF-Sputter） 磁控溅射 （Reactive-Sputter) 反应溅射 (Magnetron –Sputter)
晶圆
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Physical Vapor Deposition（PVD）
溅射成膜
工艺基本原理
溅射沉积薄膜主要由高能量粒子（通常为由电场加速的正电荷离子）对固 态靶材表面进行撞击，使靶材表面的原子或分子（团）被撞击出来，进而结合 或凝聚在基材上形成薄膜。
溅射三要素:
Target, Gas, Plasma；
Physical Vapor Deposition（PVD）
真空蒸发沉积( Evaporation)
原理：在真空状态下，加热源材料，使原子或分子从源材料表面逸 出从而在衬底上生长薄膜的方法。 优点： 设备简单、操作容易、成膜速率快 缺点： 薄膜与衬底附着力小、重复性不好，台阶覆盖差
蒸发成膜过程（岛状生长）
热氧化（Furnace， ISSG）
Thin Film Process Overview 薄膜的一般特性与评估方法
薄膜颗粒 薄膜厚度均匀性 薄膜的纯度
薄膜的密度，致密性
薄膜台阶覆盖/高深宽比孔隙能力（SEM，TEM） 薄膜成分配比，结构（FTIR，XRF，XRD）
应力控制
电学性质 （电阻，介电常数，击穿电压） 衬底材料和薄膜粘附性
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Thin Film Process Overview
Vacuum Pumps and Gauges
压力（Torr） 1个大气压 1Torr 1mTorr 1E-8(Torr)
λ（cm）
66.7nm
4.72E-03
4.72
4.72E+05
PVD制程对腔体真空度要求非常高，它对薄膜的性能有很大的影响。
1. CVD Chemical Vapor Deposition 化学气相沉积 （ PECVD, HDPCVD, LPCVD, APCVD, SAPCVD, MOCVD, EPI， ALD） 可以沉积金属,非金属,半导体各种类型的薄膜.. 2. PVD Physical Vapor Deposition 物理气相沉积
靶材
腔体
2. Ar becomes energized ion Ar+ by free electrons created by plasma
3. Energized Ar+ ions bombard the target surface
4. Atomic Bonds are broken by Ar+ sputter and metal atom is released
轰击target气体，通 常用Ar. (价廉，分 子量较大。)
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Physical Vapor Deposition（PVD）
工艺基本原理
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Physical Vapor Deposition（PVD）
Sputter 腔体结构
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Physical Vapor Deposition（PVD） 工艺原理---- RF PVD
累积的正电荷，并在靶表面迅速累积大量电子，使靶材表面呈
负电位，吸引正离子继续轰击靶表面产生溅射)
RF PVD 特点：1.高频电场可以耦合进入沉积室，而不再要
求电极一定要是导体,适用于金属和非金属材料溅射沉积; 2. 射频溅射损伤相比直流溅射小; 3.辐射大;
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Physical Vapor Deposition（PVD） 工艺原理----磁控溅射
P+
P+
N+
N+
N-Well
P-Well
Gate Oxide
Lining Oxide Dry oxidation 1000C/200A
Thin Film Process Overview 薄膜制程?
通过物理或化学的方法在衬底上淀积一层单原子到几微米厚的固体物质的过程.
金属薄膜：
功能： 电极，互连，功函数层； 种类： Al，Ti，TiN，W，WN, Cu，Ta， TaN，Silicide
薄膜厚度和质量的影响因素
真空度：
减少气体分子间碰撞，抑制蒸发分子与残余气体之间的反应；
蒸发速率：单位时间内从蒸发源单位面积离开的分子/原子数； 沉积速率：淀积速率正比于蒸发速率，快膜层结构松散，慢结构较紧密，但缺陷增加； 衬底位置：薄膜的沉积速率与衬底和蒸发源距离平方成反比； 衬底温度：高的衬底温度，易于排除衬底表面吸附的气体分子，使膜层在衬底上附着更
光学性质（反射率，折射率）
薄膜表面粗糙度（AFM）
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Thin Film Process Overview
薄膜的生长模型
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Thin Film Process Overview
薄膜台阶覆盖/高深宽比孔隙能力
由于线宽尺寸的缩小，对薄膜的台阶覆盖能力和空隙填充能力越来越高。
Thin Film Process Overview 真空系统
牢，减少膜层的内应力，但容易被再次蒸发和形成大的晶粒。
Physical Vapor Deposition（PVD）
电阻加热蒸发装置
原理：利用电流通过加热源时所产生的焦耳 热来加热蒸发材料。 优点：结构简单、装置便宜、操作方便、蒸 发速率快、广泛用于Au、Ag、Cu、Ni等导 体材料。
缺点：坩埚或其它加热体以及支撑部件可能
原理:
在溅射装置中的靶材附近加入磁场，受洛伦磁力的影 响, 垂直方向分布的磁力线将电子约束在靶材表面附近， 延长其在等离子体中的运动轨迹，增加电子运动的路径， 提高电子与气体分子的碰撞几率和电离过程。;