半導體制造工藝培訓教材

1、學習情景三常州信息職業(yè)技術學院 學習情景三：薄膜制備子情景4：物理氣相淀積學習情景三常州信息職業(yè)技術學院半導體制造工藝半導體制造工藝 第第2版版 書名：半導體制造工書名：半導體制造工藝藝 第第2 2版版 書號：書號：978-7-111-978-7-111-50757-450757-4 張淵張淵 出版社：機械工業(yè)出出版社：機械工業(yè)出版社版社學習情景三常州信息職業(yè)技術學院物理氣相淀積物理氣相淀積概念：物理氣相淀積，簡稱概念：物理氣相淀積，簡稱PVD。它。它是以物理方式進行薄膜淀積的一種方是以物理方式進行薄膜淀積的一種方式；式；用途：集成電路中的金屬薄膜一般都用途：集成電路中的金屬薄膜一般都采用物理

2、氣相淀積方式制備；采用物理氣相淀積方式制備；方式：蒸發(fā)蒸鍍和濺射濺鍍；方式：蒸發(fā)蒸鍍和濺射濺鍍；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院蒸發(fā)：通過加熱被蒸鍍物體，利用被蒸蒸發(fā)：通過加熱被蒸鍍物體，利用被蒸鍍物體在高溫時接近其熔點的飽鍍物體在高溫時接近其熔點的飽和蒸汽壓，進行薄膜淀積，又稱熱絲和蒸汽壓，進行薄膜淀積，又稱熱絲蒸發(fā)；蒸發(fā)；濺射：利用等離子體中的離子，對被濺濺射：利用等離子體中的離子，對被濺鍍物體粒子靶進行轟擊，使氣相鍍物體粒子靶進行轟擊，使氣相等離子體內具有被濺鍍物體的粒子，等離子體內具有被濺鍍物體的粒子，這些粒子淀積到硅晶片上形成濺射薄這些粒子淀積到硅晶片上形成濺射薄膜；膜；學習情景三常州

3、信息職業(yè)技術學院濺射系統(tǒng)示意圖濺射系統(tǒng)示意圖學習情景三常州信息職業(yè)技術學院 熱絲蒸發(fā)熱絲蒸發(fā)分類：分類：真空鎢絲蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)真空鎢絲蒸發(fā)真空鎢絲蒸發(fā)真空知識真空知識1標準大氣壓=760mmHg=760Torr1mmHg=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以上學習情景三常州信息職業(yè)技術學院源材料源材料蒸發(fā)的目的是為了形成良好的歐姆接觸、蒸發(fā)的目的是為了形成良好的歐姆接觸、管芯內部互聯(lián)以及引出電極引線。為管芯內部互聯(lián)以及引出電極引線。為了到達這個目的，所選用的源材

4、料必了到達這個目的，所選用的源材料必須滿足以下幾個條件：須滿足以下幾個條件：有良好的導電性能；有良好的導電性能；容易與硅形成良好的歐姆接觸；容易與硅形成良好的歐姆接觸；便于鍵合和引出金屬線；便于鍵合和引出金屬線；適合用蒸發(fā)工藝；適合用蒸發(fā)工藝；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院與二氧化硅粘附性好；沒有毒害；便于光刻；價格廉價；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院在半導體器件和集成電路制造中，選用鋁材料作為蒸發(fā)源；原因：鋁和P型和N型硅都能形成低電阻的歐姆接觸，而且對二氧化硅附著力強，易于蒸發(fā)和光刻，導電能力強，價格廉價；除此之外，也用金、鎳鉻、鉛等；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院真空設備真空設備機械泵機

5、械泵又稱真空旋轉泵，用來獲得低真空的一種抽氣設備；能從一個大氣壓開始抽氣，真空度可達10-3Torr；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院機械泵結構示意圖學習情景三常州信息職業(yè)技術學院油泵擴散油泵擴散原理：當機械泵抽氣到達原理：當機械泵抽氣到達10-2Torr以后，再以后，再要抽氣，就要用到油擴散泵了它的起始要抽氣，就要用到油擴散泵了它的起始點必須在點必須在10-2Torr；工作時用電爐加熱擴散泵油，使之沸騰，產(chǎn)工作時用電爐加熱擴散泵油，使之沸騰，產(chǎn)生大量油蒸汽；生大量油蒸汽；油蒸汽通過各級噴嘴以較高的速率噴射出來。油蒸汽通過各級噴嘴以較高的速率噴射出來。系統(tǒng)中的氣體分子不斷作擴散運動，一旦系統(tǒng)中的

6、氣體分子不斷作擴散運動，一旦與油蒸汽分子相撞，就被油蒸汽分子帶走。與油蒸汽分子相撞，就被油蒸汽分子帶走。因為油蒸汽分子的質量大，并且作定向運因為油蒸汽分子的質量大，并且作定向運動，所以氣體分子就會被油蒸汽分子帶到動，所以氣體分子就會被油蒸汽分子帶到前方；前方；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院蒸發(fā)設備蒸發(fā)設備真空蒸發(fā)設備又叫真空鍍膜機；組成局部：真空鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、測量系統(tǒng)；真空鍍膜室：鐘罩、蒸發(fā)源加熱器、襯底加熱器；蒸發(fā)源加熱器一般采用鎢絲繞制而成；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖學習情景三常州信息職業(yè)技術學院加熱材料應滿足：加熱材料應滿足：要與蒸發(fā)材料的熔液有良好的

7、浸潤性，即被蒸發(fā)材料熔化后能很好的粘在上面而不掉下來；熔點必須高于蒸發(fā)金屬的熔點，以免在蒸發(fā)時，加熱器本身熔化；可加工成各種形狀，并能重復使用，與蒸發(fā)金屬間的互熔度必須很小，以免造成蒸發(fā)膜玷污或合金化；大多采用鎢絲作為加熱材料；大多采用鎢絲作為加熱材料；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院加熱器形狀：加熱器形狀：加熱器材料的幾何形狀直接影響蒸發(fā)速率和膜的質量；它們的幾何形狀和尺寸需要根據(jù)蒸發(fā)材料的性質、狀態(tài)、蒸發(fā)量及襯底面積而定；通常有以下幾種形狀：學習情景三常州信息職業(yè)技術學院學習情景三常州信息職業(yè)技術學院為增大加熱絲和源材料的粘合面積，使蒸發(fā)源分布均勻，提高蒸發(fā)速率及增加加熱絲的使用次數(shù)，實際中

8、加熱絲的做法是：在粗的鎢絲上繞上的細鎢絲，或者采用幾股細鎢絲絞合成多股絲，然后加工成所需形狀；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院蒸發(fā)操作過程：蒸發(fā)操作過程：蒸發(fā)前準備工作蒸發(fā)前準備工作蒸發(fā)源加熱器處理蒸發(fā)源加熱器處理一般鎢絲外表會有臟物，一定要很好地一般鎢絲外表會有臟物，一定要很好地清洗；清洗；清洗可用清洗可用1020% NaOH1020% NaOH或或 KOH KOH溶液煮幾溶液煮幾次，或用次，或用1020% NaOH1020% NaOH溶液電解。然后溶液電解。然后用冷、熱去離子水沖洗至中性，烘干用冷、熱去離子水沖洗至中性，烘干備用；備用；初次使用的鎢絲應空蒸一次，空蒸相當初次使用的鎢絲應空蒸一

9、次，空蒸相當于高溫熱處理，以去除鎢絲中的一些于高溫熱處理，以去除鎢絲中的一些雜質；雜質；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院鋁絲的處理鋁絲的處理用甲苯或丙酮去油；用甲苯或丙酮去油；用濃度為用濃度為85%，溫度為，溫度為6070的磷酸的磷酸溶液腐蝕溶液腐蝕1min，以去除外表的氧化層，以去除外表的氧化層腐蝕后用冷、熱去離子水沖洗干凈；腐蝕后用冷、熱去離子水沖洗干凈；然后用無水乙醇脫水，并放在盛有無水然后用無水乙醇脫水，并放在盛有無水乙醇的容器中備用；乙醇的容器中備用；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院石墨加熱襯底的處理石墨加熱襯底的處理石墨襯底的清潔用王水濃鹽酸和濃硝石墨襯底的清潔用王水濃鹽酸和濃硝酸按酸

10、按3：1比例配比煮沸二次；比例配比煮沸二次；每次煮每次煮10min，然后用去離子水煮沸，然后用去離子水煮沸，一直到中性，烘干；一直到中性，烘干；在真空中加溫，時間為在真空中加溫，時間為12h，以去除石，以去除石墨中的雜質；墨中的雜質；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院蒸鋁過程蒸鋁過程翻開機械泵放氣閥門。翻開電源開關和翻開機械泵放氣閥門。翻開電源開關和機械泵開關及真空室放氣閥門，開啟機械泵開關及真空室放氣閥門，開啟鐘罩；鐘罩；將處理好的鋁絲掛好，放好硅片，降下將處理好的鋁絲掛好，放好硅片，降下鐘罩，關閉真空室放氣閥門；鐘罩，關閉真空室放氣閥門；抽氣到抽氣到510-2Torr，翻開低真空閥門；，翻開低

11、真空閥門；翻開烘烤電源開關，逐步升溫，使溫度翻開烘烤電源開關，逐步升溫，使溫度到達到達1300。關閉烘烤電源開關，待襯底溫度降低到關閉烘烤電源開關，待襯底溫度降低到100時開始蒸發(fā)；時開始蒸發(fā)；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院翻開蒸發(fā)開關，將鎢絲通電加熱，并逐步加大電壓。鋁絲隨溫度升高逐步熔化，并開始揮發(fā)；當熔融的鋁層外表的雜質揮發(fā)以后，迅速翻開擋板，使純潔的鋁淀積到硅片上數(shù)秒鐘后關閉擋板，開始蒸發(fā)；待鋁膜淀積到一定厚度時，關閉蒸發(fā)開關；待襯底溫度降低到150左右，關閉高真空、預真空閥門及擴散泵加熱開關；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院待溫度降到70以下時，翻開真空室放氣閥門，通入氮氣或空氣，開啟

12、鐘罩，取出硅片；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院蒸發(fā)中出現(xiàn)的質量問題：蒸發(fā)中出現(xiàn)的質量問題：鋁層厚度控制不適宜鋁層厚度控制不適宜鋁層厚度是蒸鋁工藝中一個主要參數(shù)。鋁層厚度是蒸鋁工藝中一個主要參數(shù)。一般鋁層為一般鋁層為12m；如果鋁太薄，在鍵合工序中容易開焊，如果鋁太薄，在鍵合工序中容易開焊，造成半導體器件或集成電路斷路，嚴造成半導體器件或集成電路斷路，嚴重影響成品率；重影響成品率；如果鋁層太厚，電極圖形看不清，增加如果鋁層太厚，電極圖形看不清，增加了光刻難度。腐蝕時間一長，容易造了光刻難度。腐蝕時間一長，容易造成脫膠，鉆蝕現(xiàn)象；成脫膠，鉆蝕現(xiàn)象；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院鋁層厚度大小是由蒸發(fā)

13、源到硅片距離、蒸距離、蒸發(fā)時間、硅片加熱溫度以及真空度發(fā)時間、硅片加熱溫度以及真空度等因素決定的；實際中，源距大于7cm，硅片加熱溫度為180220。學習情景三常州信息職業(yè)技術學院電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)原理：原理：高速電子流打在蒸發(fā)源外表上，使蒸發(fā)高速電子流打在蒸發(fā)源外表上，使蒸發(fā)源熔化，以變成蒸汽分子，淀積在硅源熔化，以變成蒸汽分子，淀積在硅片襯底上；片襯底上；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院電子束蒸發(fā)優(yōu)點電子束蒸發(fā)優(yōu)點膜純度高，鈉離子玷污少膜純度高，鈉離子玷污少鎢絲蒸發(fā)鈉離子玷污嚴重的原因與鎢絲鎢絲蒸發(fā)鈉離子玷污嚴重的原因與鎢絲的制造有關制造時用的制造有關制造時用NaOH清洗，不清洗，不可防止

14、的帶進大量的可防止的帶進大量的Na+。蒸發(fā)源加。蒸發(fā)源加熱時，溫度較高不可防止的造成鎢熱時，溫度較高不可防止的造成鎢-鋁鋁金屬和雜質的相互擴散，使鎢絲中的金屬和雜質的相互擴散，使鎢絲中的Na+進入蒸發(fā)源中，并伴隨鋁一起蒸進入蒸發(fā)源中，并伴隨鋁一起蒸發(fā)到硅片外表。同時發(fā)到硅片外表。同時Na+在氧化層中在氧化層中有很大的溶解度，在有很大的溶解度，在480合金時，合金時， Na+會滲入到氧化層中，造成會滲入到氧化層中，造成Na+玷玷污；污；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院光刻腐蝕方便光刻腐蝕方便鎢絲蒸發(fā)利用鎢絲作為鋁源承載體，在鎢絲蒸發(fā)利用鎢絲作為鋁源承載體，在蒸發(fā)過程中，由于高溫下鎢蒸發(fā)過程中，由于

15、高溫下鎢-鋁直接接鋁直接接觸而變成合金，因此在蒸發(fā)的鋁膜中觸而變成合金，因此在蒸發(fā)的鋁膜中含有鎢或其他金屬雜質，這給光刻帶含有鎢或其他金屬雜質，這給光刻帶來一定困難；來一定困難；電子束蒸發(fā)時，鋁是放在用水冷卻的紫電子束蒸發(fā)時，鋁是放在用水冷卻的紫銅坩堝中內，坩堝有較高的熱傳遞性銅坩堝中內，坩堝有較高的熱傳遞性和充分的接觸面積，當鋁源中心熔化和充分的接觸面積，當鋁源中心熔化蒸發(fā)時，與坩堝接觸的四壁和底部仍蒸發(fā)時，與坩堝接觸的四壁和底部仍處于固態(tài)，防止銅鋁反響，所以電子處于固態(tài)，防止銅鋁反響，所以電子束蒸發(fā)所得到的鋁膜純度高，易于光束蒸發(fā)所得到的鋁膜純度高，易于光刻，線條整齊；刻，線條整齊；學習情

16、景三常州信息職業(yè)技術學院鍍膜層均勻鍍膜層均勻電子束蒸發(fā)時采用行星式轉動機構，硅電子束蒸發(fā)時采用行星式轉動機構，硅片在空間不斷旋轉，因此鍍膜十分均片在空間不斷旋轉，因此鍍膜十分均勻鎢絲蒸發(fā)時硅片是固定不動的；勻鎢絲蒸發(fā)時硅片是固定不動的；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院節(jié)省大量鎢絲和鋁源節(jié)省大量鎢絲和鋁源鎢絲蒸發(fā)時每根鎢絲使用58次就得更換，而電子束蒸發(fā)采用屏蔽燈絲結構，燈絲壽命較長，使用得當，可以使用一年，并省去清洗鎢絲的工作；電子束蒸發(fā)將鋁放在坩堝里，由于坩堝容積大，可放源150g左右，每蒸發(fā)一次所用鋁源不多，而鎢絲蒸發(fā)每次都得加鋁源；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院不能產(chǎn)生均勻的臺階覆蓋不能產(chǎn)

17、生均勻的臺階覆蓋通過片架的通過片架的“自轉和自轉和“公轉，在臺公轉，在臺階覆蓋覆蓋方面取得了一些進步；階覆蓋覆蓋方面取得了一些進步；在超大規(guī)模集成電路制造技術中，金屬在超大規(guī)模集成電路制造技術中，金屬化需要能夠填充具有高深寬比的小孔，化需要能夠填充具有高深寬比的小孔，并且產(chǎn)生等角的臺階覆蓋；并且產(chǎn)生等角的臺階覆蓋；蒸發(fā)技術在高深寬比的孔填充方面遠遠蒸發(fā)技術在高深寬比的孔填充方面遠遠不能滿足要求，所以導致蒸發(fā)在現(xiàn)代不能滿足要求，所以導致蒸發(fā)在現(xiàn)代IC生產(chǎn)中被淘汰；生產(chǎn)中被淘汰；蒸發(fā)缺點蒸發(fā)缺點學習情景三常州信息職業(yè)技術學院難以淀積合金材料難以淀積合金材料由于合金是兩種金屬材料組成，而兩種金屬就會

18、有兩種不同的熔點，這使得利用蒸發(fā)使合金材料按原合金比例淀積到硅片上是不可能的；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院濺射濺射概念：概念： 利用等離子體中的離子，對被濺鍍物體利用等離子體中的離子，對被濺鍍物體粒子靶進行轟擊，使氣相等離子粒子靶進行轟擊，使氣相等離子體內具有被濺鍍物體的粒子，這些粒體內具有被濺鍍物體的粒子，這些粒子淀積到硅晶片上形成濺射薄膜；子淀積到硅晶片上形成濺射薄膜；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院濺射優(yōu)點：濺射優(yōu)點：可在一個面積很大的靶上進行，這樣解決了大尺寸硅片淀積鋁膜厚度均勻性的問題；在選定工作條件下，膜厚較容易控制，只要調節(jié)時間就可以得到所需要厚度；濺射淀積薄膜的合金成分要比用蒸

19、發(fā)容易控制；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院濺射工作原理：濺射工作原理：產(chǎn)生離子并導向一個靶；產(chǎn)生離子并導向一個靶；離子把靶外表上的原子轟擊出來；離子把靶外表上的原子轟擊出來；被轟擊出的原子向硅片運動；被轟擊出的原子向硅片運動；在硅片外表這些原子凝成薄膜；在硅片外表這些原子凝成薄膜；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院濺射示意圖濺射示意圖學習情景三常州信息職業(yè)技術學院輝光放電輝光放電轟擊靶材料的高能粒子是輝光放電產(chǎn)生的；原理：原理：一根玻璃管中充滿了壓力為1Torr的氬氣，兩個電極之間的距離為15cm，電壓為，在玻璃管中引入一個電子，這個電子在兩個電極間的電場中加速，這個自由電子有可能碰撞氬原子，把氬

20、原子中的電子激發(fā)出來，激發(fā)出來的電子就是轟擊源材料的轟擊源；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院濺射方式：濺射方式：直流濺射無法濺射絕緣材料，少用直流濺射無法濺射絕緣材料，少用射頻射頻RF濺射可濺射絕緣材料濺射可濺射絕緣材料磁控濺射磁控濺射學習情景三常州信息職業(yè)技術學院濺射優(yōu)勢與蒸發(fā)相比濺射優(yōu)勢與蒸發(fā)相比適合于淀積合金，而且具有保持復雜合金成分的能力；能獲得良好的臺階覆蓋蒸發(fā)來自于點源，而濺射來自平面源并且可以從各個角度覆蓋硅片外表，通過旋轉和加熱硅片，臺階覆蓋還可以得到進一步提高；形成的薄膜與硅片的黏附性比蒸發(fā)工藝好；能夠淀積難容金屬；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院銅銅Cu制備制備CVD淀積銅電鍍

21、銅Cu EcpCu淀積，需要在制備銅互連之前，CVD一層薄Cu種子層；CVD方式用于淀積Cu布線種子層；電鍍銅工藝用于同互連線制備；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院銅電鍍銅電鍍Cu EcpECP是工業(yè)上傳統(tǒng)的鍍膜工藝之一，電鍍工藝存在較大污染和難以控制的工藝過程，在半導體工藝中一直未得到采用；直到銅互連技術的被采用；銅電鍍工藝優(yōu)點：本錢低工藝簡單無需真空支持淀積速率易提高學習情景三常州信息職業(yè)技術學院銅電鍍工藝銅電鍍工藝用濕法化學品和電流將靶材上的銅離子用濕法化學品和電流將靶材上的銅離子轉移到硅片外表的過程；轉移到硅片外表的過程；系統(tǒng)構造系統(tǒng)構造電鍍液硫酸銅、硫酸、水電鍍液硫酸銅、硫酸、水脈沖直

22、流電流源脈沖直流電流源銅靶材銅靶材硅片硅片學習情景三常州信息職業(yè)技術學院原理：原理：當電源加在銅靶陽極和硅片陰極當電源加在銅靶陽極和硅片陰極之間時，溶液中產(chǎn)生電流并形成電場；之間時，溶液中產(chǎn)生電流并形成電場；銅靶陽極中的銅發(fā)生反響轉換成銅銅靶陽極中的銅發(fā)生反響轉換成銅離子，并在外加電場作用下，向硅片離子，并在外加電場作用下，向硅片陰極定向移動，到達硅片時，銅陰極定向移動，到達硅片時，銅離子陰極與陰極處的電子發(fā)生反響生離子陰極與陰極處的電子發(fā)生反響生成銅原子，并被鍍在硅片外表；成銅原子，并被鍍在硅片外表；學習情景三常州信息職業(yè)技術學院銅電鍍銅電鍍ECP原理示意圖原理示意圖學習情景三常州信息職業(yè)技

23、術學院學習情景三常州信息職業(yè)技術學院電鍍銅缺陷：電鍍銅缺陷：填充高深寬比的溝槽不填充高深寬比的溝槽不理想！在溝槽的不理想！在溝槽的不同部位，電流密度不同部位，電流密度不均勻；溝槽頂部電流均勻；溝槽頂部電流密度高，底部電流密密度高，底部電流密度低度低加上集成電路特征尺寸加上集成電路特征尺寸不斷縮小，溝槽深寬不斷縮小，溝槽深寬比增大，使得溝槽更比增大，使得溝槽更加難以得到良好的填加難以得到良好的填充。充。學習情景三常州信息職業(yè)技術學院解決措施：解決措施：添加劑法添加劑法參加添加劑是改善高深寬比溝槽的填充參加添加劑是改善高深寬比溝槽的填充性能非常關鍵的因素；性能非常關鍵的因素；添加劑類型：添加劑類型：加速劑加速劑抑制劑抑制劑平坦劑平坦劑學習情景三常州信息職業(yè)技術學院原理及步驟：原理及步驟：添加劑吸附到銅種子層外表，溝槽內首添加劑吸附到銅種子層外表，溝槽內首先進行均勻性填充；先進行均勻性填充； 當加速劑當加速劑A到達臨界濃度時，電鍍開始到達臨界濃度時，電鍍開始從均勻性填充變成由底部向上填充；從均勻性填充變成由底部向上填充；抑制劑抑制劑S大量吸附在溝槽開口處，在和大量吸附在溝槽開口處，在和氯離子的共同作用下，通過擴散氯離子的共同作用下，通過擴散-淀積淀積的陰極外表形成一層連續(xù)抑