3. Плазмохимическое осаждение тонких слоев в реакторах пониженного давления

Плазма тлеющего разряда на химически активных газах при низком давлении используется для создания целого ряда покрытий. Основное преимущество стимулированных плазмой реакций состоит в том, что они происходят при температурах, значительно меньших, чем в случае чисто термических реакций. В связи с этим появляется возможность осаждать пленки на подложках, не обладающих необходимой для термического осаждения стабильностью. Дополнительное достоинство активации плазмой экзотермической реакции состоит в значительном увеличении скорости осаждения и возможности получения пленок уникального состава.

Получение слоев с использованием плазмы низкого давления может осуществляться несколькими способами. Во-первых, при реактивном распылении происходит химическое взаимодействие материала на поверхности мишени с химически активной плазмой и физическое воздействие на поверхность подложки. Например, можно использовать распыление кремниевой мишени в среде O₂ или N₂ для осаждения пленок оксида или нитрида кремния.

Другой разновидностью плазменных процессов является плазменное оксидирование и нитрирование, когда материал подложки, взаимодействуя с кислород- или азотсодержащими газами, образует защитное покрытие.

Третью группу плазменных процессов составляют так называемые процессы плазменной полимеризации, когда в результате химического взаимодействия газовой фазы с поверхностью в условиях тлеющего разряда происходит осаждение органической пленки. В таком же процессе кремнийсодержащие радикалы используются для выращивания слоев аморфного гидрогенизированного кремния.

Наконец, наиболее важное для микроэлектроники применение метода создания покрытий в условиях тлеющего разряда состоит в получении диэлектрических слоев путем стимулированного или усиленного плазмой осаждения из газовой фазы. В этих процессах в газовой фазе происходят диссоциация и ионизация силанов или галогеносиланов и азот- или кислородсодержащих соединений, сопровождающиеся их адсорбцией и взаимодействием на поверхности подложки.

3.1. Особенности технологии и оборудование

Плазмохимические процессы получения слоев позволяют на несколько сотен градусов снизить температуры осаждения (например, получение пассивирующих слоев нитрида кремния при температуре менее 400 С). Метод плазмохимического осаждения целесообразен также в том случае, когда он позволяет достигнуть существенных преимуществ по технологическим параметрам процесса осаждения. Это относится, например, к получению легированных фосфором слоев поликристаллического или аморфного кремния, что в условиях РПД реализовать довольно сложно, к получению слоев силицида титана и другим. При осаждении слоев в плазме можно в широких пределах изменять свойства осажденных слоев путем изменения параметров процессов осаждения. Метод плазмохимического осаждения позволяет получать тонкие слои материалов с плотностью дефектов в несколько раз меньшей, чем при осаждении в реакторах пониженного и, особенно, атмосферного давления, обеспечивает хорошее покрытие развитого рельефа в СБИС.

Благодаря низкой температуре и высокой скорости процесса осаждения, а также обеспечению таких свойств, как адгезия, низкая плотность сквозных дефектов, хорошее покрытие ступенек рельефа, приемлемые электрические характеристики, пленки нитрида и двуокиси кремния, полученные стимулированным плазмой осаждением, хорошо подходят для пассивации металлов с низкой температурой плавления, например алюминия. Они также могут использоваться в качестве планаризующих покрытий при нанесении в толстых слоях, диэлектрического разделительного слоя в схемах многоуровневой металлизации, промежуточного слоя в многослойных резистивных масках, применяемых в литографии с высоким разрешением. Стимулированное плазмой осаждение тугоплавких металлов и их силицидов используется для создания проводящих элементов СБИС.

Качественное описание механизма образования пленок при стимулированном плазмой осаждении может быть сведено к трем основным стадиям: генерации в разряде радикалов и ионов, адсорбции радикалов и ионов на поверхности пленки и перегруппировке поверхностных адатомов (адсорбированных или присоединенных атомов).

Среди множества способов создания плазмы практическую ценность в полупроводниковой технологии имеют два. По первому способу энергия (в виде постоянного или переменного электрического тока) поступает в объем плазмы через контактирующие с ней металлические электроды. Этот способ используется в широко распространенных реакторах планарного типа. По второму способу металлические электроды (или индуктор) отделены от объема плазмы диэлектрической стенкой – такую конструкцию имеют реакторы туннельного типа. ВЧ-разряд более предпочтителен, так как при использовании тлеющего разряда постоянного тока осаждаемые слои загрязняются продуктами распыления электродов, а полупроводниковые подложки подвергаются интенсивной бомбардировке заряженными частицами.

а) б)

Рис. 3.1. Разрез реактора туннельного типа с емкостным (а) и индукционным (б) возбуждением плазмы:1 – кварцевый реактор; 2 – ВЧ-генератор; 3 – электрод; 4 – емкостная связь через стенку; 5 – индуктор; 6 – емкостная связь через воздушный промежуток

Реакторы туннельного типа с высокочастотным (ВЧ) возбуждением выпускаются в основном двух конструкций. В реакторе с емкостным возбуждением (рис. 3.1, а) ВЧ-мощность подается через образованный электродами конденсатор, причем в образовании емкости участвуют диэлектрические (обычно кварцевые) стенки реактора. В реакторе с возбуждением плазмы индуктором (рис. 3.1, б) ВЧ-мощность поступает в объем реактора через емкость, которую образуют элементы индуктора и объем плазмы. Емкостная связь индуктора с объемом неоднородная. Неоднородность становится несущественной при давлениях в реакторе более 130 Па. Туннельные реакторы используются обычно для удаления фоторезиста и плазмохимического травления слоев, когда не требуется высокая точность травления. Значительная неоднородность плазмы и, кроме того, интенсивное протекание реакции не вблизи подложки, а в газовой фазе, не позволяют эффективно использовать туннельные реакторы для плазмохимического осаждения высококачественных слоев.

Реакторы планарного типа (рис. 3.2) широко используются как для травления, так и осаждения слоев. Они имеют, по сравнению с реакторами туннельного типа, преимущества в том, что подложки располагаются, как правило, на подогреваемом электроде, что обеспечивает их равномерный нагрев, и в ВЧ-поле высокой однородности и, следовательно, в зоне равномерного распределения ВЧ-мощности и равной скорости протекания химической реакции. В результате обеспечивается образование слоя с высокой однородностью по толщине и свойствам. При движении газовой смеси к центру электрода концентрация химически активной компоненты в ней уменьшается, а концентрация про

Рис. 3.2. Планарный реактор с центральным вводом реагентов (стрелками показано направление движения газов): 1 – кожух реактора; 2, 5 – электроды; 3 – ВЧ-генератор; 4 – подложки; 6 – нагреватель

продуктов реакции возрастает, что, казалось бы, должно приводить к низкой равномерности осаждаемых слоев. Однако плотность электронов обычно увеличивается к центру системы, так как на периферии сказывается их диффузия на стенку, и скорость протекания газа растет по мере его приближения к расположенному в центре откачки отверстию, так как сечение потока уменьшается. Поэтому газы вводятся в реактор через центральное отверстие в нижнем электроде и откачиваются через отверстия на периферии реактора. Нижний электрод, на котором расположены подложки, подогревается до 300–400 С инфракрасным излучением и для снижения влияния неоднородности ВЧ-поля и газовых потоков на равномерность осаждаемого слоя вращается. При диаметре электродов 650 мм расстояние между ними составляет всего 50 мм, что также увеличивает однородность поля.

Рис. 3.3. Способы подвода ВЧ-мощности к электродам планарного реактора: а) подложки на заземленном электроде, б) подложки на ВЧ-электроде: 1 – электроды; 2 – подложки; 3 – конденсатор; 4 – ВЧ-генератор

Подложки могут располагаться как на заземленном (рис. 3.3, а), так и на ВЧ-электроде (рис. 3.3, б). В обоих способах подвода ВЧ-мощности между ВЧ-электродом и генератором включается согласующее устройство (проходной конденсатор).

Режим горения разряда задается внешними параметрами: мощностью и частотой ВЧ-генератора, давлением в реакторе, температурой подложки, составом подаваемых в реактор газов и скоростью их потока, а также зависит от геометрии реактора и электродов. Внешние параметры влияют и на внутренние параметры плазмы: концентрацию электронов и функцию распределения их по скоростям, концентрацию нейтральных частиц и ионов, распределение электрических полей в плазме.

Смесь реагирующих газообразных веществ, активированных ВЧ-разря-дом, содержит атомы, радикалы и молекулы в разных степенях возбуждения, а также электроны и ионы. Для типичных условий плазмохимического осаждения плотность электронов составляет 10⁹–10¹² см^3, энергия электронов 1–10 эВ, энергия ионов в объеме плазмы 0,04 эВ, степень ионизации 10^4.

С повышением давления при осаждении увеличивается скорость осаждения. С понижением давления вследствие улучшения массопереноса повышается равномерность осаждения слоев по загрузке, а при травлении увеличивается разрешающая способность процесса. Применение ВЧ тлеющего разряда имеет ограничения как с одной, так и с другой стороны. Повышение давления выше 10³ Па вызывает резкое увеличение необходимой для поддержания разряда ВЧ-мощности. Снижение давления ниже 0,1 Па приводит к заметному уменьшению степени ионизации, в результате чего разряд гаснет. Эти недостатки ВЧ тлеющего разряда можно устранить применением безэлектродного СВЧ-разряда. Для эффективного введения СВЧ-мощности в разряд используется такое явление, как электронно-циклотронный резонанс. Электромагнитное поле частотой 2,45 ГГц устойчиво поддерживает разряд при давлении 10^2 Па, когда приложенная частота соответствует электронной частоте f_э(ГГц)=qB/2πm=2,810^3B (Гс) в магнитном поле напряженностью B=875 Гс в резонансе (q и m – заряд и масса электрона). При этом давлении плотность электронов в плазме в 100 раз больше, чем в плазме ВЧ-разряда при давлении 10² Па.

Рис. 3.4. Схема многоэлектродного реактора с "горячими" стенками: 1 – нагреватель; 2 – реактор; 3 – плоский электрод с подложками; 4 – генератор

Высокие значения плотности мощности, необходимые для достижения приемлемой скорости процесса при низких рабочих давлениях, могут приводить к дефектам в обрабатываемых структурах, в связи с чем в последнее время большое внимание уделяется разработке процессов травления и осаждения слоев СБИС вне зоны плазмы. Суть процессов обработки вне зоны плазмы заключается в том, что рабочий газ подается в область плазмы, разлагается в ней на химически активные частицы (заряженные — ионы и незаряженные — радикалы), которые благодаря диффузии и газовому потоку достигают поверхности пластин, расположенных вне плазмы, и вступают в химическую реакцию на их поверхности с образованием летучих или нелетучих продуктов (соответственно травление или осаждение слоев). Радикалы и заряженные частицы, попадающие на обрабатываемую поверхность, имеют низкую энергию, не повреждают обрабатываемые структуры и не приводят к их разогреву. Заряд, наводимый на обрабатываемой поверхности, также существенно меньше, чем при обработке пластин в плазме. Состав и энергия частиц, воздействующих на пластину, зависят от расстояния между пластиной и зоной плазмы.

Высокая производительность реактора с вертикальным расположением пластин и возможность получения однородных по толщине слоев в реакторах планарного типа реализованы в трубчатом многоэлектродном реакторе с "горячими" стенками. По существу он представляет собой РПД, вдоль оси которого расположена электродная система емкостного типа, состоящая из прямоугольных графитовых электродов, рис. 3.4. Электроды объединены через один и подключены к разным полюсам ВЧ-генера-тора. Графитовые пластины электрически изолированы одна от другой кварцевыми или керамическими вкладышами, а подложки располагаются в карманах с каждой стороны электрода, за исключением боковых. Необходимость четкой фиксации на электродах большого количества подложек усложняет процессы загрузки и выгрузки.