Приведите примеры методов получения тонких пленок в микроэлектронной технологии

Кратко: для ответа необходимо зарисовать рисунки.

Напыление пленок. Широкое распространение в микроэлектронике находят тонкие поликристаллические и аморфные пленки. На основе таких пленок в настоящее время изготовляют не только пассивные, но и активные элементы, работающие с использованием основных носителей заряда. Для указан­ных целей применяют проводниковые (металлические), резистивные, диэлектрические и полупроводниковые поликристаллические и аморфные пленки. Эти пленки обычно получают методом вакуумного напыления.

Процесс нанесения пленок в вакууме складывается из двух этапов: превращения вещества в газообразное состоя­ние и конденсации. По способу превращения вещества в газообразное состояние методы вакуумного нанесения под­разделяют на термовакуумное испарение, катодное и ионно-плазменное распыление. Термовакуумное испарение осуществляется нагревом испаряемого вещества. При этом вещество плавится, а затем образуется пар. Некоторые вещества при нагреве переходят в пар, минуя жидкую фазу (сублимация). Катодное распыление основано на явлении разрушения катода, который является напыляемым ве­ществом, при бомбардировке его ионизированными атомами газа. Разновидностью катодного распыления является ионно-плазменное распыление. Процесс испарения (распы­ления) характеризуется средней длиной свободного пробега молекул, давлением паров и скоростью испарения.

Вторым этапом получения тонких пленок является конденсация — процесс перехода из газообразной фазы в твердую. При столкновении с подложкой осаждаемые атомы или молекулы могут либо отразиться в результате упругого столкновения, либо, передав часть энергии атомам подлож­ки, адсорбироваться на ее поверхности. Проникновением атомов в глубь материалов подложки даже при максималь­ных значениях энергии испаренных атомов можно прене­бречь. Конденсация пара сопровождается отражением или испарением конденсируемых частиц с подложки.

Процесс конденсации существенно зависит от темпера­туры подложки и плотности потока достигающих ее частиц.

Наряду с вакуумными в технологии микроэлектроники используют химические и электрохимические методы нане­сения пленок.

В гибридных ИМС тонкие пленки используют для изго­товления резисторов, конденсаторов, контактных площадок и соединительных проводников. Существуют различные методы получения тонких пленок: термическое (вакуумное) напыление, катодное напыление, ионно-плазменное напыле­ние, химическое осаждение, электрохимическое осаждение. Наиболее распространено термическое (вакуумное) напыление тонких пленок. Напыление металлических и резистивных пленок производят в специальных установках в среде инертного газа при низком давлении. Испарителями являются проволочки, ленты, «лодочки», подогреваемые проходящим через них током.

Термическое напыление. На рис. 4.9 показана принци­пиальная схема установки для термического напыления тонких пленок. Колпак напылителя, установленный на монтажном столе, герметизирует всю систему. Во избежание натекания в систему все вводы и выводы выполняют вакуумно-плотными. Материал, который должен быть осажден, помещают в испаритель, изготовленный из тугоплавкого металла с низкой летучестью (в большинстве случаев воль­фрам или молибден). Иногда для изготовления испарителя используют скрученную проволоку. Распыляемый материал должен быть высокой чистоты. Испаритель нагревают до тех пор, пока давление паров материала не превысит давле­ние в вакуумной системе. Атомы испарившегося материала движутся прямолинейно и конденсируются на всех поверх­ностях, имеющих более низкую температуру, включая под­ложку. Для обеспечения прямолинейности движения ато­мов давление в системе должно быть снижено до такого значения, при котором вероятность столкновений между атомами испаренного материала и газа мала» Средняя дли­на свободного пробега атомов должна быть в несколько раз больше; чем расстояние между источником и подложкой. Опыт показывает, что качество пленки тем лучше, чем выше вакуум напылительной установки.

Основным преимуществом метода термического напыле­ния является его простота и возможность получения при высоком вакууме очень чистых пленок.

Общий вид промышленной установки, используемой при нанесении тонких пленок мето­дом термического напыления, показан на рис. 4.10. Внутри ка­мерное устройство этой установки содержит восьми позицион­ную карусель масок и подло­жек. Привод, расположенный в верхней части рабочей камеры, может вращать карусель с уг­ловой частотой 40— 150 об/мин. На одной из позиций карусели устанавливают имитатор с закрепленными на нем датчиками контроля температуры и сопро­тивления пленки в процессе осаждения. На базовой плите монтируют пятипозиционную карусель резистивных ис­парителей. Максимальная температура испарения 1500° С. Диафрагма, расположенная над каруселью на позиции испарения, обеспечивает равномерную тол­щину наносимой пленки. Поток испаряемого материала прерывают заслонкой с электромагнитным приводом. Над каруселью подложек и масок устанавливают кольцевой на­греватель резистивного типа мощностью 3 кВ • А. Одно­временно можно загружать восемь подложек размерами 60 X 48 X 0,6 мм; допустимая температура нагрева 400° С.

Катодное напыление. Хорошие результаты по воспро­изводимости свойств тонких пленок дает катодное напыле­ние. Этот метод широко используется в промышленности для нанесения пленок металлов и окислов. Схема установки для катодного напыления приведена на рис. 4.11.

При катодном напылении энергия, необходимая для отрыва атомов от исходного материала, получается не тер­мическим путем, а в результате бомбардировки ионами

высокой энергии. Последние получают с помощью либо высокочастотного разряда, либо тлеющего разряда между двумя электродами в среде инертного газа, например, аргона.

Одним из преимуществ метода катодного напыления по сравнению с методом термического напыления является то, что напыление катода не связано с высокой температурой.

Следовательно, исчезают трудности при напылении туго­плавких материалов. Однако при данном методе катод (на­пыляемый материал), будучи элементом газоразрядной цепи, должен обладать высокой проводимостью. Это тре­бование ограничивает ассортимент напыляемых материалов. В частности, оказывается невозможным напыление ди­электриков.

Указанное ограничение в значительной мере устраняется при использовании реактивного (или химического) катод­ного напыления, особенность которого состоит в добавле­нии к основной массе инертного газа небольшого количест­ва активных газов, способных образовать необходимые хи­мические соединения с распыляемым материалом катода. Примешивая, например, к аргону кислород, можно выра­стить на подложке пленку окисла. Примешивая к аргону азот или моноокись углерода, можно получить нитриды или карбиды соответствующих металлов. В зависимости от парциального давления активного газа химическая реакция может происходить либо на катоде (и тогда на подлож­ке осаждается уже готовое соединение), либо на подлож­ке — аноде.

К недостаткам метода катодного напыления относятся некоторая загрязненность пленок (из-за использования сравнительно низкого вакуума), меньшая по сравнению с термическим методом скорость напыления (по той же при­чине), а также сложность контроля процессов.

Ионно-плазменное напыление. Принципиальная схема установки для ионно-плазменного напыления показана на рис. 4.12. Основная особенность этого метода по сравнению с методом катодного напыления состоит в том, что в проме­жутке между электродом 6 — мишенью (с нанесенным на нее напыляемым материалом) и подложкой 3 действует независимый, «дежурный» газовый разряд. Разряд имеет мес­то между электродами 5 и 4, причем тип разряда — несамо­стоятельный, дуговой. Для него характерны наличие специального источника электронов в виде накаливаемого ка­тода 5, низкие рабочие напряжения (десятки вольт) и боль­шая плотность электронно-ионной плазмы. Подколпачное пространство, как и при катодном напылении, заполнено нейтральным газом, но при более низком давлении (К)""3 — Ю-4 Па).

Процесс напыления состоит в следующем. На мишень относительно плазмы (практически относительно заземлен­ного анода 4) подается отрицательный потенциал (2—3 кВ), достаточный для возникновения аномального тлеющего разряда и интенсивной бомбардировки мишени положитель­ными ионами плазмы. Выбиваемые атомы мишени попадают на подложку и осаждаются на ней.

Начало и конец процесса напыления определяется пода­чей и отключением напряжения на мишени. Наличие меха­нической заслонки позволяет реализовать важную допол­нительную возможность: если до начала напыления закрыть заслонку и подать потенциал на мишень, то будет иметь место ионная очистка мишени. Такая очистка полезна для повышения качества напыляемой пленки. Аналогичную очистку можно проводить на подложке, подавая на нее от­рицательный потенциал.

При напылении диэлектрических пленок возникает зат­руднение, связанное с накоплением на мишени положитель­ного заряда, препятствующего дальнейшей ионной бомбар­дировке. Это затруднение преодолевают путем использова­ния высокочастотного (ВЧ) ионно-плазменного напыления.

На рис. 4.13 показана схема основной части установки для ВЧ-напыления диэлектриков. На этой установке диэ­лектрик бомбардируется поочередно ионами и электронами тлеющего разряда, возникающего в газе при воздействии на него высокочастотного поля. Ионы выбивают из диэ­лектрика молекулы, которые затем осаждаются на подлож­ке. Электроны предотвращают образование на подложке положительных зарядов. Электроны и ионы образуются в аргоне, окружающем диэлектрик, который служит мате­риалом для осаждения.

Большим преимуществом метода ионно-плазменного на­пыления перед другими является его безынерционность. Напыление материала происходит лишь при подаче напря­жения и сразу прекращается при его выключении, в отли­чие от термического напыления. Для прекращения напыле­ния применяют специальные заслонки, препятствующие прохождению пара от испарителя к подложке.

Рабочее давление при ионно-плазменном напылении лежит в диапазоне 1,3 • 10^-1 — 6,5 • 10^-2 Па, что в 50 — 100 раз меньше, чем при напылении в тлеющем разряде. Длина свободного пробега ионов при этом составляет 5— 25 см. Расстояние между ис­точником напыления и под­ложкой можно установить меньше длины свободного пробега. Благодаря этому напыляемые атомы почти не сталкиваются с молекулами газа и ионами в пространстве между мишенью и подложкой, что уменьшает загрязнение пленки остаточными газами. Состав и свойства пленок, полученных методом ионно-плазменного напыления, бли­же к составу и свойствам ис­ходного напыляемого мате­риала по сравнению с плен­ками, полученными путем напыления в тлеющем раз­ряде. Материал мишени напыляется медленно, и его обычно хватает на несколько тысяч циклов напыления, чем достигается хорошая повто­ряемость состава пленок.

Прочность сцепления с подложкой (адгезия) пленки, полученной ионно-плазменным методом, очень высока, что объясняется высокой энергией попадающих на подложку напыленных атомов. Эта энергия примерно в 20 раз больше энергии атомов, попадающих на подложку при термическом напылении в вакууме. Высокая адгезия пленки объясняет­ся еще и тем, что при ионно-плазменном напылении поверх­ность подложки удается предварительно хорошо очистить тлеющим разрядом. При катодном методе, когда напыление начинается сразу же после возбуждения разряда, такую очистку осуществить трудно.

Метод ионно-плазменного напыления является наиболее перспективным в производстве ИМС для получения пленок из разных материалов с различными свойствами.

Электрохимическое осаждение. В технологии микро­электроники для получения пленочных покрытий с различ­ными свойствами наряду с вакуумными применяют химические методы: электролитическое и химическое осаждение, анодное окисление. В основу данных методов положены реакции, протекающие в водных растворах солей металлов в условиях приложенного электрического поля (или без него). В результате взаимодействия продуктов реакции с подложкой образуется пленка.

Электролитическое осаждение — это осаждение пленок из водных растворов солей металлов (электролитов) под действием электрического тока, которое осуществляют в специальных электролитических ваннах, заполненных электролитом и содержащих два электрода: анод и катод. В качестве подложки, которая является катодом, исполь­зуют проводящие материалы, анод выполняют из инертного (по отношению к электролиту) материала или из материала, из которого осаждается пленка.

Методом электролитического осаждения получают плен­ки из различных металлов: меди, никеля, золота, серебра и др.

В тонкопленочной технологии микроэлектроники элект­ролитическое осаждение применяют для изготовления мно­гослойных металлических масок, повышения проводимости внутрисхемных соединений, создания жестких и балочных выводов в ИМС, золочения корпусов. Метод электролити­ческого осаждения широко применяют также для получения тонких магнитных пленок, используемых в качестве эле­ментов памяти.

Химическое осаждение основано на восстановлении ме­таллов из водных растворов их солей ионами гипофосфита и осуществляется без приложения электрического поля. Химическим методом осаждают пленки никеля, серебра, золота, палладия и других материалов как на проводящие, так и на непроводящие подложки.

Анодное окисление — это взаимодействие химически ак­тивных металлов с ионами кислорода, выделяющимися у анода при электролизе с образованием окисной пленки. Процесс анодного окисления, или анодирование, имеет много общего с электролитическим осаждением. В отличие от электролитического осаждения в данном случае пленки образуются на аноде, которым является подложка. В про­цессе анодирования происходит электрохимическая реак­ция соединения кислорода с металлом в приповерхностных слоях подложки, причем металл анода не растворяется, а при взаимодействии с кислородом образует плотно сцеп­ленную с подложкой окисную пленку. Механизм роста пленки заключается в переносе ионов кислорода через рас­тущий окисный слой под действием электрического поля, возникающего в пленке с приложением к электродам на­пряжения от внешнего источника. Скорость роста окисной пленки зависит от природы электролита, условий проведе­ния процесса — электрического режима и температуры. Толщина окисной пленки при анодировании пропорцио­нальна количеству электричества, прошедшего через ванну.

В технологии микроэлектроники анодированием полу­чают окисные пленки из тантала и алюминия. При этом сна­чала на подложку вакуумным методом наносят пленку ис­ходного металла, которую впоследствии подвергают локаль­ному анодированию. Процесс получения окисных пленок анодированием состоит из первоначальной формовки при постоянной плотности тока и окончательной формовки при постоянном напряжении. Такое ведение процесса обус­ловлено тем, что с ростом толщины пленки ее возрастающее сопротивление приводит к снижению силы тока.

Особенностью получения анодированных пленок яв­ляется их рост в условиях приложенного электрического поля, напряженность которого достигает 10⁷ В/см. Такие пленки характеризуются высокой электрической проч­ностью, поэтому их используют в качестве изолирующих и диэлектрических слоев.

Вакуумное нанесение пленок тантала и алюминия с по­следующим анодированием позволяет создавать высокока­чественные пленочные конденсаторы и изолирующие слои при многослойной разводке. Основным преимуществом при этом является получение различных пленочных структур из одинаковых исходных материалов.

В технологии микроэлектроники анодирование исполь­зуют также для получения необходимого значения сопро­тивления пленочных танталовых резисторов путем превращения верхнего проводящего слоя тантала в непроводящий окисел тантала.

В последнее время широко применяют плазменное ано­дирование — получение ионов кислорода из кислородной плазмы в специальных вакуумных камерах с остаточным давлением кислорода около 6 Па при приложении постоян­ного напряжения 1 кВ.

Поиск по сайту: