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“在利用蒸发法制备化合物或合金薄膜时，为何常需要考虑薄膜成分偏 离蒸发源成分”。 (1)化合物 薄膜成分偏离源物质的原因： ①蒸发出来的物质蒸气可能不同； ②气相分子还可能发生一系列的化合与分解反应。 (2)合金 由于原子间的结合力小于化合物中原子间的结合力，因此，合金中各 元素的蒸发过程可近似视为各元素相互独立的蒸发过程，就像纯元素蒸发 过程一样。 但即使如此，合金在蒸发和沉积过程中也会产生成分的偏差，为什么？

解决办法： <1>使用足量的物质作为蒸发源，即尽量减小组元成分的相对变化率； <2>向蒸发容器内不断地、每次加入少量被蒸发物质，实现同步蒸发； <3>加热双蒸发源或多蒸发源，分别控制和调节每个组元的蒸发速率。如在利 用蒸发法沉积Ш-V化合物薄膜的情况下，可以使用所谓的三温度法，即分别 设臵低蒸气压的Ш族元素和蒸气压较高的V族元素的各自的蒸发温度，同时调 节薄膜沉积时的衬底温度，以获得所需的薄膜成分与薄膜组织。

5.2 蒸发源1、电阻加热源直接加热源：加热体和待蒸发材料的载体为同一物质(W、Mo、Ta、C等)。 间接加热源：待蒸发材料放入坩锅中进行间接加热(高温陶瓷、石磨等)。 特点：结构简单、廉价、易制作。

各种形状的电阻加热源

蒸发源材料与镀膜材料湿润状态

3、电弧蒸发源(1)电弧蒸发法：用欲蒸发的材料制成放电的电极，依靠调节真空室内电极间距的 方法来点燃电弧，瞬间的高温电弧将使电极端部产生蒸发从而实现物质的沉积。控 制电弧的点燃次数或时间就可以沉积出一定厚度的薄膜。

(2)优缺点 1)优点：避免电阻加热材料或坩埚材料的污染；加热温度高，适用于溶 点高、同时具有一定导电性的难熔金属、石墨等的蒸发；简单廉价。 2)缺点：在放电过程中容易产生微米量级大小的电极颗粒的飞溅，从而 会影响被沉积薄膜的均匀性。

4、激光加热源(1)激光蒸发法：高功率激光器产生的高能激光束，可在瞬间将能量直接传递给被 蒸发物质，使之发生蒸发镀薄。

(2)优缺点 1)优点：避免电阻加热材料或坩埚材料的污染；加热温度高；蒸发速率 高；蒸发过程容易控制；特别的优点是：适用于蒸发那些成分复杂的合金 或化合物，这是因为，高能量的激光束可以在较短的时间将物质的局部加 热至极高的温度并产生物质的蒸发，在此过程中被蒸发出来的物质仍能保 持其原来的元素比例。 2)缺点：也容易产生微小颗粒的飞溅，影响薄膜的均匀性。 5、高频感应加热源(P121)

5.3

气体辉光放电

对真空系统抽真空后，充

入一定压力的 惰性气体，如氩气。在正负电极间外加电压 的作用下，电极间的气体原子将被大量电离， 产生氩离子和独立运动的电子，电子在电场 作用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加 速飞向阴极—靶材料，高速撞击靶材料，使 大量的靶材料表面原子获得相当高的能量而 脱离靶材料的束缚飞向衬底。 具有一定能量的入射离子轰击固体表面 时，在与固体表面的原子发生碰撞时产生能 量和动量的转移，并将固体表面(靶)原子 溅射出来的现象-溅射。

气体放电是溅射过程的基础。设有如图3.2a那样的一个直流气体放电体系。 开始：电极间无电流通过，气体原子多处于中性，只有少量的电离粒子在电场作用下定向运动， 形成极微弱的电流。随电压升高：电离粒子的运动速度加快，则电流随电压而上升，当粒子的速 度达饱和时，电流也达到一个饱和值，不再增加(见第一个垂线段); 汤生放电：电压继续升高，离子与阴极靶材料之 间、电子与气体分子之间的碰撞频繁起来，同时外 电路使电子和离子的能量也增加了。离子撞击阴极 产生二次电子，参与与气体分子碰撞，并使气体分 子继续电离，产生新的离子和电子。这时，放电电 流迅速增加，但电压变化不大，这一放电阶段称为 汤生放电。 汤生放电后期称为电晕放电。 辉光放电：汤生放电后，气体会突然发生电击穿现象。 此时，气体具备了相当的导电能力，称这种具有一定 导电能力的气体为等离子体。电流大幅度增加，放电 电压却有所下降。导电粒子大量增加，能量转移也足 够大，放电气体会发生明显的辉光。电流不断增大， 辉光区扩大到整个放电长度上，电压有所回升，辉光 的亮度不断提高，叫异常辉光放电，可提供面积大、 分布均匀的等离子体。 弧光放电：电压大幅下降，电流大幅增加，产生弧光 放电，电弧放电斑点，阴极局部温度大幅升高，阴极 自身会发生热蒸发。

5.3.2 辉光放电中的碰撞过程等离子体中高速运动的电子与其它粒子的碰撞是维持气体放电的主 要微观机制。电子与其他粒子的碰撞有弹性(总能量保持不变)、非弹 性碰撞(电离、激发、分解反应)两种微观机制。 在两个粒子的弹性碰撞过程中，碰撞后的能量满足关系 E2 4M 1 M 2 cos2 (5.2) E1

M 1 M 2 2

其中M为粒子的质量，E为粒子在碰撞后的相应动能，θ为运动粒子 在碰撞后被偏折的角度。 对于辉光放电等离子体中的大多数碰撞来说，相当于高速运动的电 子与低速运动的原子或离子的碰撞。由于电子的质量小，因而每次碰撞 中所发生的能量转移是很小的，它不会造成气体分子

的电离。 对于非弹性碰撞来说，碰撞过程中有部分电子动能将转化为粒子的 内能，为内能增加值，其最大值为 (5.3) 由于近似等于1,而正是碰撞前的电子动能，因为非弹性碰撞可以使 电子大部分能量转移给其他质量较大的粒子，如离子或原子，引起其激 发或电离。因此电子与其他粒子的非弹性碰撞过程是维持自持放电过程 的主要机制。M 1V12 M 2 cos2 U 2 M 1 M 2

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