4. Напыление тонких пленок

4.1. Требования к пленочным покрытиям и проблемы осаждения тонких пленок

Тонкие металлические пленки используются при изготовлении хромовых фотошаблонов и получении тонкопленочной металлизации ИС.

Основные требования к пленочным покрытиям, используемым при изготовлении фотошаблонов, – отсутствие сквозных пор при сравнительно малых толщинах (<50 нм), низкий коэффициент отражения (<5 %) и равномерность травления пленки по всей площади фотошаблона. Наиболее широкое распространение при изготовлении фотошаблонов получили пленки хрома, текстура которых становится стабильной в том случае, если при осаждении пленок давление азота P_N2>10^4 Па, что объясняется особенностями адсорбции азота на различных гранях объемоцентрированной решетки хрома. Таким образом, применяя после высоковакуумной откачки рабочей камеры контролируемый напуск малых количеств азота (P_N2<10^2 Па), можно управлять типом и степенью совершенства преимущественной ориентации кристаллитов хрома, а, следовательно, обеспечивать воспроизводимость хромовых покрытий при изготовлении фотошаблонов. Пористость хромовых пленок существенно снижается, если их осаждение производить в контролируемой среде аргона при давлении (6–60)10^3 Па. Увеличение скорости осаждения, способствуя снижению пори-стости, одновременно позволяет сдвинуть максимум спектральной чувстви-тельности пленок окиси хрома (применяемых для снижения коэффициента отражения маскирующего покрытия до 2–5 % по сравнению с 40–60 %, ха-рактерными для пленок хрома) в сторону более коротких длин волн. Это придает гибкость технологическому процессу, поскольку позволяет получать покрытия с малым коэффициентом отражения в том диапазоне длин волн, который соответствует спектральной чувствительности используемого фото-резиста.

Основные требования к тонкопленочной металлизации — обеспечение низкой электромиграции, получение невыпрямляющих контактов, хорошей адгезии и свариваемости в сочетании с высокой равномерностью конденсата на рельефных подложках большого диаметра.

Для устранения электромиграции необходима крупнозернистая структура алюминиевой металлизации, которая может быть получена на нагретой до 200–250 С подложке при скорости осаждения более 15 нм/с. При столь значительных скоростях осаждения изменение структуры пленки вследствие окисления возможно только при P_О2>410^1 Па. Однако пленки алюминия, полученные на нагретой подложке, очень чувствительны к кислороду и поверхностный слой окисла после напуска воздуха может достигать 10 нм. Замена воздуха очищенным и осушенным аргоном позволяет уменьшить толщину слоя окисла до 1–2 нм, в результате чего существенно улучшается качество микросварки, повышается надежность межуровневых соединений и снижается переходное сопротивление контактов.

Таким образом, при значительных скоростях осаждения пленок хрома и алюминия требования к парциальным давлениям активных компонентов остаточной среды таковы, что они могут быть обеспечены с помощью традиционных откачных средств – паромасляного и диффузионного насосов.

При нанесении слоев тонкопленочной металлизации на покрытую окислом поверхность ИС чрезвычайно важно наличие хорошей адгезии этих слоев к окислу. Основным условием хорошей адгезии является химическое взаимодействие между осаждаемой пленкой и SiO₂. Хорошей адгезией к окисным поверхностям обладают металлы, являющиеся хорошими окислообразователями (например, алюминий). Металлы же, не образующие стабильных окислов (например, золото), имеют плохую адгезию к окисным поверхностям. Поэтому при создании высоконадежной многослойной металлизации на основе золота непосредственно с окислом контактирует тонкий слой реагирующего металла (например, титан, никель или хром), а золото наносится уже поверх первого слоя, который взаимодействует химически с подложкой и сплавляется с некоторым количеством золота, давая хорошую адгезию к обоим материалам.

Ясно, что на качество адгезии наносимых слоев влияет в первую очередь качество поверхности слоя SiO₂. Независимо от механизма адгезии поверхность должна быть свободной от загрязнений, затрудняющих взаимодействие между SiO₂ и атомами осаждаемой пленки. Наиболее часто встречающиеся загрязнения на окисных поверхностях – углеводороды, ионы гидроксила, галоидные соединения, ионы щелочных металлов. Для очистки поверхности окисла применяются те же средства, что и при очистке кремния: моющие растворы на основе ПАВ или растворителей, комплексообразующих и(или) гидромеханическая промывка. С учетом химии SiO₂ применение кислотных травителей на основе HF должно быть или строго ограничено (в тех случаях, когда требуется контролируемое удаление тонких приповерхностных слоев) или же исключено. Более приемлемыми являются травящие и очищающие растворы на основе бифторида аммония.

Термо-вакуумный и электронно-лучевой методы осаждения тонких пленок не обеспечивают выполнения современных требований к высокой воспроизводимости композиционного состава при осаждении сплавов Al с Si и Cu, отсутствию сквозных диффузионных пор в пленках Cr, адгезии и воспроизводимости параметров и покрытию “ступенек” при металлизации ИС со сложным профилем поверхности. Например, обеспечивающему высокую скорость осаждения (до 50 нм/с) методу электронно-лучевого испарения свойственны нестабильность эмиссионной характеристики и образование мощного потока вторичных электронов (до 25 % от энергии первичного пучка). Бомбардируя подложку и находящиеся на ней микроэлектронные структуры, вторичные электроны нагревают их до 350–500 С, что вызывает усиленную миграцию ионов натрия , и вносят большие радиационные дефекты, к которым особенно чувствительны МОП-структуры.

Для повышения надежности алюминиевой металлизации и предотвращения закорачивания мелкозалегающих p–n переходов к алюминию добавляют 2 % кремния. По скорости испарения алюминий и кремний отличаются в 500 раз, поэтому их приходится осаждать из разных источников. Трудность реализации процентного соотношения и необходимого композиционного состава требует высокого искусства оператора, поскольку процесс одновременного осаждения материалов из двух источников становится трудно воспроизводимым.

Получение требуемой равномерности пленок возможно только с использованием внутрикамерных устройств с планетарным вращением подложек. Большим недостатком таких устройств является ручная загрузка подложек, что повышает опасность их загрязнения и излома. Кроме того, по мере увеличения диаметра пластин число пластин, помещаемых на подложкодержатель, резко сокращается, что делает нерентабельным применение планетарных устройств. Для автоматической перезагрузки дорогостоящих кремниевых пластин большого диаметра из одной установки в другую предпочтительно использовать установки непрерывного действия с плоскими держателями подложек, которые линейно перемещаются относительно неподвижных мишеней. При этом условия осаждения пленок существенно изменяются, что связано со значительным (в 5–6 раз) уменьшением расстояния мишень—подложка, вследствие чего в 25–30 раз возрастает скорость осаждения. За счет резкого увеличения скорости осаждения существенно снижается степень загрязнения пленок посторонними газовыми включениями.

Перечисленные проблемы осаждения тонких пленок в производстве СБИС решаются использованием стимулированного плазмой осаждения пленок или так называемого ионно-плазменного распыления. Однако диодные системы ионного распыления (катодное распыление) характеризуются серьезными ограничивающими факторами, основными из которых являются: низкие скорости осаждения пленок (до 20–100 нм/с); бомбардировка подложек высокоэнергетическими вторичными электронами (до 3–5 кэВ); сравнительно высокое давление рабочих газов в процессе распыления (1–10 Па).

Среди широкого класса устройств для генерации потока осаждаемых частиц на основе эрозии электродов в вакуумном разряде особое место занимают магнетронные распылительные устройства (МРУ). В настоящее время они являются основным технологическим инструментом для осаждения тонких пленок методом распыления материалов ионной бомбардировкой.