自组装单分子层改性硅基材上化学气相沉积铜薄膜与计算机模拟分析

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1、即j’^妒硕士研究生毕业论文1．1前言第一章绪论P●ntIum@ⅢR*·”or／一●-PentIun蝴DProces30多／486wDXP口C●●摹Or-蚺6ⅧProc卅o／。。?∞6／·／图1．1摩尔定律‘自从1959年开启了集成电路(ICs)时代以来，最小器件尺寸也称作最小特征尺寸(featureleng山)，一直遵循着摩尔定律12】，如图1．1所示，集成电路芯片上所集成的元件的数目，每隔18个月就翻一番。集成电路中元件比如静态随机存储器、动态随机存储器，高速逻辑阵列的制造要求更高的集成度和更小的尺寸峨根据1997年国际半

2、导体工艺技术蓝图(imemationaltecllIlologymadmapforsemiconductor)的预测}4】，最小的特征尺寸将由2005年的30m缩小至2009年的15m。因此，就带来了材料方面、器件方面与系统发面的挑战。表1．1半导体工艺技术路线图Ⅲ为了达到高速度工作，金属连线(imerco皿ection)的时间延迟需要降低。延迟是器件特征尺寸的的函数I引，栅极延迟随着沟道长度缩短而减小。然而来自第一章绪论金属连线的延迟则随着器件尺寸缩小而显著地增加，这会导致当器件尺寸小于250nrn的全部延迟时间的增加。因此

3、高导电金属及低介电常数绝缘体或无机材料将提供重大的性能提升。铜有优异的表现，这是因为其导电性(风。(20。)-1．645¨Q—cm；皿l(20。)_2．825pQ．cm)【3】及抗电迁移的能力比铝高出10～100倒“。利用铜与低介电常数材料的电路延迟与传统的铝与氧化层的相比有明显的减少。因此，在未来的深亚微米技术中，铜和低介电常数材料在多层连线上是不可或缺的。在金属化工艺中，化学气相沉积(che“calVaporD印osition，cVD)是最具有吸引力的，这是因为CVD形成的薄膜与物理气相沉积(Physicalv纳rDepo

4、sition，PVD)、电化学沉积(Elec仃ocheIllicalD印osition，ECD)得到的薄膜相比，有更好的阶梯覆盖率，而且利用CVD一次可以同时覆盖许多晶片。而低压CvD在硅片表面形貌差别很大的情况下，也能得到共形覆盖层，并且没有PVD的自遮蔽效应和台阶覆盖差的问题，因此相对于PVD，CVD沉积薄膜具有较低的电阻率。而且从表1．3中也可以看出，cVD所占的市场规模也越来越大。表1．2各种成长铜薄膜方式的比较‘朝表13全球薄膜沉积市场规模盯l单位：百万美元资料来源：sEMl；Ganner；工研院lEK(2004，0

5、2)印j’^掌硕士研究生毕业论文1．2化学气相沉积化学气相沉积指在一个活性环境(加热、光照、等离子体)中的气体物质发生的分解和化学反应，生成一种稳定的固体产物‘8‘。沉积包括在气相中发生的均相反应，和在加热区域附近发生的多相反应，然后分别形成粉末或薄膜。通常CVD是在高温下反应制取所需要的薄膜。1．2．1化学气相沉积原理在CvD中，反应气体被载入反应器(沉积腔)中，并在那里反应而在基材的表面形成想要的物质。有时是使用一种气体在加热时分解来形成薄膜，有时则用多种气体反应来形成薄膜。不论是哪一种情况，生成薄膜的反应应该在基材的表面

6、上发生而不是在气流中发生。有时反应物并不是以气体存在，在此情况下有可能使用一个液体源或固体源。一种载气(如氩气)在以鼓泡的方式流过液体源或固体源时将液体源蒸气带入反应器。氮气或氩气常被当作载气或稀释气体来使用。一个CvD反应中所包含的步骤基本如下％l生成活化的气相反应物。2将反应物输送到沉积区域，以扩散方式将反应物从主气流经过边界层输送到基材表面。3气相反应物在气相反应中生成中间产物：a反应器中产生在中间产物的分解温度以上的高温，在中间产物经历基材分解和化学反应等均相气体反应，并生成粉末和不稳定的副产物。在基材表面会汇集这些粉

7、末，并可能做为晶种，副产物会从沉积室中除去。沉积的薄膜可能黏附力比较差。b在中间产物分解温度以下，中问产物会在边界层(一个紧贴基材表面的薄层)的扩散。这些中间产物会发生(4)～(7)以下几个步骤。4在基材上的气体反应物发生吸附，以及在气固(也就是加热的基材上)表面发生的多相反应，这些产生沉积物和副产物。5沉积物会沿着加热的基材表面扩散，形成晶种，从而长成膜。．3．第一章绪论6气体副产物通过扩散或对流从边界层中除去。7未反应的气体前驱物和副产物从沉积室中输送出去。可用图1．2表示：图1．2cⅦ反应的基本步骤示意图1．2．2化学气

8、相沉积方法分类通常认为有五种类型的CVD反应，即固相扩散型、氢还原型、热分解型、反应沉积型、置换反应型。氢还原反应是制取高纯金属薄膜的好方法，工艺温度低，操作简单，因此有很大实用价值。置换反应法会导致基片表面成分和厚度的不均匀，实际用得不多。适用于制造半导体膜和超硬镀层的有热