09薄膜物理淀积技术
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第九章淀积9.1膜淀积在制造工艺中,多种不同类型的膜淀积到硅片上。
在某些情况下,这些膜成为器件结构中的一个完整部分,另外一些膜则充当了工艺过程中的牺牲层,并且在后续的工艺中被去掉。
在芯片加工中,膜淀积通常指薄膜,薄膜就是指某一维尺寸(通常是厚度)远远小于另外两维上的尺寸。
因为这些膜很薄以致它们的电学和机械学特性完全不同于同种材料下更厚的膜。
半导体制造中的薄膜淀积是指任何在硅片衬底上物理淀积一层膜的工艺。
这层膜可以是导体、绝缘物质或者半导体材料。
淀积膜可以是二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、多晶硅以及金属,比如铜和难熔金属(如钨)。
9.1.1 薄膜特性在硅片加工中可以接受的膜必须具备需要的膜特性。
为了满足器件性能的要求,膜一般应具有如下特性:a)好的厚度均匀性b)好的台阶覆盖能力c)填充高的深宽比间隙的能力d)高纯度和高密度e)受控制的化学剂量f)高度的结构完整性和低的膜应力g)好的电学特性h)对衬底材料或下层膜好的粘附性一.厚度均匀性可以接受的薄膜要求厚度均匀性,这意味着薄膜应布满下层材料的各处。
材料的电阻会随着厚度的变化而变化,这是我们不希望看到的。
膜层越薄,就会有更多的缺陷,如针孔等,这会导致膜本身的机械强度降低。
对薄膜而言,我们希望有好的表面平坦度来尽可能减少台阶和缝隙。
二.膜对台阶的覆盖我们期望薄膜在硅片台阶处厚度一致(见图9.1),如果淀积的膜在台阶上过渡的变薄,就容易导致高的膜应力、电短路或者在器件中产生不希望的诱生电荷。
膜的应力要尽可能小,这点很重要,因为应力会导致衬底发生凸起或凹陷的变形。
所有的淀积技术都会在膜中产生应力。
三.高的深宽比间隙深宽比定义为间隙(如槽或孔)的深度和宽度的比值(见图9.2)。
在亚微米尺寸器件的制作中,填充硅片表面上很小的间隙和孔的能力成为最重要的薄膜特性。
对于那些穿过层间介质的通孔,以及用来进行浅槽隔离的槽等,都需要进行有效间隙填充。
高的深宽比的典型值大于3:1,在某些应用中会达到5:1甚至更大。
常用真空薄膜淀积技术一、物理汽相淀积所谓PVD是原子直接以气态形式从淀积源运动到衬底表面从而形成固态薄膜。
它是一种近乎万能的薄膜技术,应用PVD技术可以制备化合物、金属、合金等薄膜,PVD主要可以分为蒸发淀积、溅射淀积。
蒸发淀积是将源的温度加热到高温,利用蒸发的物理现象实现源内原子或分子的运输,因而需要高的真空,蒸发淀积中应用比较广泛的热蒸发和电子束蒸发。
电子束蒸发和热蒸发主要是加热方式不同,热蒸发的特点是工艺简单、成本低,由于热蒸发的受自身的加热方式限制,很难达到很高的温度,因此不适合制备难熔金属和一些高熔点的化合物,同时因为热蒸发是通过加热坩埚来加热坩埚内的金属,而坩埚在高温下会也会存在蒸发现象,所以热蒸发的最大的缺点是淀积过程中容易引入污染。
电子束蒸发最大的优点是几乎不引入污染。
因为其加热方式是电子束直接轰击金属,同时电子束蒸发可以制备更多种类的薄膜,唯一的缺点是在淀积过程中会有X射线产生。
表1是热蒸发和电子束蒸发的比较。
溅射可以分为直流溅射、直流磁控溅射、射频溅射、溅射主要利用惰性气体的辉光放电现象产生离子,用高压加速离子轰击靶材产生加速的靶材原子从而淀积在衬底表面,溅射技术的最大优点是理论上它可以制备任何真空薄膜,同时在台阶覆盖和均匀性上要优于蒸发淀积。
表2是蒸发和溅射技术的比较。
当然,除了上文介绍的主流PVD,还有激光脉冲淀积、等离子蒸发、分子束外延等补充形式。
二、化学汽相淀积CVD一词最早出现在20世纪6O年代,所谓CVD是反应物以气态到达加热的衬底表面发生化学反应,形成固态薄膜和气态产物。
利用化学气相淀积可以制备,从金属薄膜也可以制备无机薄膜。
化学气相淀积种类很多,主要有:常压CVD (APCVD),低压CVD(LPCVD)、超低压CVD(VLPCVD)、等离子体增强型CVD (PECVD)、激光增强型CVD(LECVD),金属氧化物CVD(MOCVD),其他还有电子自旋共振CVD(ECRCVD)、汽相外延(VPE)等方法,按着淀积过程中发生化学的种类不同可以分为热解法、氧化法、还原法、水解法、混合反应等。