Нанесение тонких пленок

Тонкие пленки широко используются в полупроводниковых и гибридных
интегральных микросхемах для создания проводников соединений, резисторов,
конденсаторов и изоляции между элементами и проводниками. Помимо необходимых электрофизических параметров от них требуется хорошая адгезия (проч-
ность связи) к материалу, на который наносится пленка, например к кремнию
или диоксиду кремния в полупроводниковых микросхемах, к диэлектрической
подложке или ранее нанесенной пленке в гибридных микросхемах. Некоторые
материалы имеют плохую адгезию с подложками (например, золото с кремнием).
Тогда на подложку сначала наносят тонкий подслой с хорошей адгезией, а на
него - основной материал, имеющий хорошую адгезию с подслоем. Для пред-
отвращения повреждений пленок при колебаниях температуры желательно,
чтобы ТКР пленок и подложек как можно меньше отличались друг от друга.

Термическое вакуумное испарение. Наносимое вещество помещают вместе с
подложками в вакуумную камеру. В результате нагревания происходит испа
рение и осаждение вещества на подложке. Скорости испарения и роста пленки
сильно зависят от температуры. Практика показывает, что осаждение происхо-
дит с приемлемой скоростью, если достигается условная температура испарения
Т_усл , при которой давление паров вещества достигает 1,3 Па. Если Т_усл < T_пл (Cr, Мо,
Si, W ), то вещества интенсивно испаряются из твердого состояния, а если Т_усл > Т_пл (А1, Аu, Pt ) – то из жидкого [1].

Испаряемые материалы могут нагреваться прямым или косвенным путем.
Прямой нагрев осуществляется при пропускании электрического тока через ме-
таллический материал (необходимо, чтобы выполнялось условие Т_усл < T_пл) индукционным способом или электронной бомбардировкой (для тугоплавких ме-
таллов Mo, Та, W). Косвенный нагрев происходит вследствие теплопередачи от и
спарителя (тигля, ленты, спирали и т. п.). На процесс осаждения влияет тем
пература подложки, выбираемая в пределах 200...400 °С. При слишком низкой температуре осаждаемые атомы не могут мигрировать по поверхности, что ведет
к их неравномерному распределению и группированию в “островки” разной тол-
щины. Слишком высокая температура вызывает обратное испарение осажденных
атомов с подложки.

Высокий вакуум (10^-4...10^-5 Па) обеспечивает чистоту пленок. Время
осаждения (от нескольких секунд до нескольких минут) регулируется с помощью специальных заслонок, преграждающих доступ испаряемого вещества к подложкам. Недостатками данного спoсo6а являются невысокая воспроизводимость параметров пленки из-за плохого контроля температуры и кратковременности процесса, а также невозможность воспроизведения химического состава испаряемого вещества (например, сплава или химического соединения) из-за разной скорости испарения входящих в него компонентов, поэтому термическое вакуумное испарение применяется в основном только для чистых металлов.

Распыление ионной бомбардировкой. Процесс производится в вакуумной
камере, заполненной инертным газом (например, аргоном), в котором возбуж-
дается газовый разряд. Возникающие положительные ионы бомбардируют рас-
пыляемый материал (мишень), выбивая из него атомы или молекулы, которые
осаждаются на подложках. Выбитые атомы на пути к подложке рассеиваются на
атомах инертного газа. Это уменьшает скорость осаждения, но увеличивает
равномерность осаждения пленки по подложке, чему также способствует боль-
шая площадь мишени. Скорость и время распыления (от нескольких минут до
нескольких часов) регулируются напряжением на электродах и могут быть
выдержаны с высокой точностью. По сравнению с термическим вакуумным ис-
парением данный процесс позволяет получать пленки тугоплавких металлов;
наносить диэлектрические пленки, соединения и сплавы, точно выдерживая
их состав; обеспечивать равномерность и точное воспроизведение толщины
пленок на подложках большой площади, а также малую инерционность про-
цесса. Распыление ионной бомбардировкой имеет несколько разновидностей.

Катодное распыление. Распыляемый материал (обязательно
металл) является электродом катода 1 (рисунок 2.27). На заземленном аноде 2 ра-
сполагаются подложки 8. Давление газа в камере 4 составляет 1…10 Па. На ка-
тод подается высокое отрицательное напряжение 2...5 кВ. Возникает газовый разряд, сопровождающийся образованием электронно-ионной плазмы. Положительные ионы образуются вследствие ионизации атомов газа злектронами. В свою
очередь, ионы, ускоряясь в сильном электрическом поле, выбивают из катода э
лектроны, необходимые для поддержания разряда, а также атомы, которые
диффундируют через газ и осаждаются на подложках.

Для повышения концентрации ионов в разрядном пространстве и увеличения
скорости распыления применяют магнетронные распылительные системы, в ко-
торых перпендикулярно электрическому полю между катодом и анодом на-
правлено постоянное магнитное поле В. Оно искривляет траектории электронов,
вылетевших из катода вследствие ионной бомбардировки, стремясь возвратить
их обратно на катод. Электроны, теряя энергию на ионизацию газа, движутся к
аноду по сложным петлеобразным траекториям, подобным траекториям элект-
ронов в магнетронах СВЧ (рисунок 2.28, где - электрон, Å - ион, - атом,
выбитый из катода). Увеличение длины пути электрона приводит к образованию
значительно большего числа ионов, чем при отсутствии магнитного поля, что
повышает cкopoсть распыления или (при той же скорости) позволяет снизить д
авление газа и загрязнение пленки. Кроме того, электроны достигают анода с мал-
ой скоростью, что снижает нагревание анода и, следовательно, предотвращает
испарение осаждаемой пленки, устраняет возможность ее рекристаллизации и и
зменения химического состава.

При реактивном катодном распылении в камеру вводят небольшое количест-
во газа, способного образовывать химические соединения с распыляемым мат-
ериалом. Например, добавляя кислород при распылении тантала или кремния,
можно получать диэлектрические пленки Ta₂O_5, SiO₂.

Рисунок 2.27 - Установка катодного распыления Рисунок 2.28 - Схема магнетронного распыления

Недостатками катодного распыления являются загрязненность пленок из--
за сравнительно низкого вакуума, а также невозможность напыления через
металлическую маску (трафарет), так как она искажает электрическое поле у
анода.

Ионно-плазменное напыление. Давление газа в камере
устанавливается порядка 10^-2 Па, т. е. значительно ниже, чем при катодном рас-
пылении, что уменьшает загрязнение пленок. Длина
свободного пробега выбитых из мишени атомов -
превышает расстояние мишень - подложка, благодаря чему
отсутствует рассеяние атомов, что способствует повышению скорости осаждения. Получить достаточно боль
шую концентрацию ионов (а значит, и скорость осаж-
дения) в условиях пониженного давленая можно, не ис
пользуя накаливаемый катод - источник электронов.

Схема установки показана на рисунке 2.29. В нижней
части вакуумной камеры 1 расположен вольфрамовый
катод 2, а в верхней - анод 8, на который подается по-
ложительное напряжение около 100 В. На мишень 4
подается высокое отрицательное напряжение 2...3 кВ.
Напротив расположена подложка 5 с нагревателем 6,
обеспечивающим температуру, соответствующую наилучшим условиям осаждения. Для увеличения концентрации ионов создают магнитно
e поле, направленное от катода к аноду.

Рисунок 2.29 - Установка ионно-плазменного напыления

Электроны, вылетающие из
катода под небольшими углами к вектору магнитного поля, двигаются к аноду
по спиральным траекториям вокруг оси разряда, проходя путь, значительно
больший расстояния катод - анод, порождая на этом пути гораздо больше и
онов.

Степень ионизации газа на 1...2 порядка выше, чем при катодном распы-
лении и составляет единицы процентов. Начало и конец процесса определяются
подачей и отключением напряжения на мишени.

Перед началом напыления проводится ионная очистка поверхности nод-
ложки. Ионы с низкой энергией, ударяясь о поверхность подложки, удаляют
с нее загрязнение. Так же может быть произведена
и очистка мишени. Очистка мишени и подложки способствует чистоте пленок и
их хорошей адгезии к подложкам. В отличие от катодного pacпыления подложка
не влияет на напряженность электрического поля и скорость распыления, что
обеспечивает равномерность толщины пленки и дает возможность напылять ее
через металлический трафарет, накладываемый на подложку. При этом одновре-
менно формируется и рисунок пленок, что существенно для гибридных микро-
схем.

Высокочастотное распыление. Рассмотренные выше методы
распыления на постоянном токе применяют для напыления металлических и по-
лупроводниковых материалов. В случае диэлектрической мишени попадающие
на нее положительные ионы не могут нейтрализоваться электронами из внешней
цепи; в результате потенциал мишени повышается и процесс прекращается. По
этому для распыления диэлектрической мишени необходимо периодически менять знак потенциала на ней.

В установке на рисунке 2.29 это достигается тем, что мишень 4 представляет со-
бой диэлектрический слой, нанесенный на металлическую пластину, на которую
помимо постоянного подают переменное высокочастотное напряжение большой
амплитуды со стандартной частотой 13,56 МГц. При отрицательном напряжении
мишень бомбардируется положительными ионами и распыляется, при положи
тельном – на мишень поступает поток электронов, нейтрализующих заряд
ионов (распыления нет из-за малой массы и энергии электронов. Устройства высокочастотного распыления не всегда строятся по типу трехэлектродных (катод - анод - мишень) установок ионно-пазменного напыления с несамостоятельным разрядом. Распространены более простые двухэлектрод-
ные установки типа представленной на рисунке 2.27, где на мишень 1 подают высо
кочастотное напряжение, вызывающее высокочастотный разряд. В нем может
быть получена высокая концентрация ионов даже при низком давлении газа,
характерном для ионно-плазменного напыления. Это объясняется тем, что пе-
риод высокочастотного напряжения меньше времени пролета электронов от под-
ложек до мишени, и они долго находятся в средней части разрядного пространст-
ва, совершая колебательные движения и эффективно ионизируя газ. Для уве-
личения длины пути электронов и концентрации генерируемых ими ионов при-
кладывают магнитное поле, направленное по оси разряда.

Химическое осаждение из газовой фазы. Для получения пленок поликрис-
таллического кремния и диэлектриков (SiO₂, Si₃N₄) в технологии полупроводни-
ковых микросхем широко используется химическое осаждение из газовой фазы. Осаждение происходит в результате химической реакции в газовой фазе при
повышенной температуре и осуществляется в эпитаксиальных или -
диффузионных установках. Для осаждения пленок поликристаллического кремния на плас-
тины, покрытые слоем SiO₂, применяется реакция пиролиза (разложения) силан-
а, при Т = 650 °С.

Пленки SiО₂, используемые в качестве защитных покрытий пластин или изоляции между слоями соединений, осаждают окислением силана: при Т = 200...350 С. Нитрид кремния получают в результате реакции силана с аммиаком: -
при Т = 800 °С.

Достоинствами химического осаждения из газовой фазы являются простота,
хорошая технологическая совместимость с другими процессами создания полу-
проводниковых микросхем (эпитаксией, диффузией) и сравнительно невысокая
температура, благодаря чему практически отсутствует нежелательная разгон-
ка примесей в пластинах.

Скорость осаждения определяется температурой и концентрацией реаги-
рующих газов в потоке нейтрального газа-носителя и составляет в среднем не-
сколько сотых долей микрометра в минуту.

Химическое осаждение из водных растворов. Применяемое в технологии
гибридных микросхем химическое осаждение из водных растворов основано на
восстановления металлов из растворов их солей. Электролитическое осаждение
производится в электролитических ваннах, где проводящая подложка является
катодом, а анод выполнен из материала осаждаемой пленки или инертного по
отношению к электролиту металла. При пропускании электрического тока на
катоде осаждается металлическая пленка, толщина которой зависит от тока и
времени осаждения. Скорость процесса хорошо регулируется в широких пре-
делах изменением тока. Таким образом можно получать не только тонкие, но и
толстые пленки (20 мкм и более), применяемые, например, для создании жест-
ких и балочных выводов бескорпусных полупроводниковых микро-
схем и транзисторов, а также металлических масок (трафаретов).

Разновидность электролитического осаждения – анодное окисление (-
анодирование). Подложка или ранее нанесенная на нее металлическая пленка слу-
жит анодом. Выделяющиеся у анода атомы кислорода взаимодействуют с ма-
териалом подложки, образуя плотно сцепленную с ней окисную пленку. Таким
способом получают, например, пленки окиси тантала или алюминия, применяе-
мые в качестве диэлектриков тонкопленочных конденсаторов или изолирующих
слоев многослойных соединений. Пленки Та или Al предварительно наносят
вакуумным способом. Возможно также вакуумное анодирование в плазме газо-
вого разряда, содержащей ионы кислорода. Оно осуществляется в установках
катодного или ионно-плазменного распыления.