Физическая микроэлектроника (стр. 8 )

Под металлизацией в планарной технологии микроэлектроники понимают создание тонких металлических полосок микронных размеров по толщине и ширине, выполняющих роль внутрисхемных соединений и омических контактов с элементами ИС. Этот процесс реализуется путем напыления на поверхность полупроводниковой пластины с готовой интегральной схемой сплошной металлической пленки, в которой методом литографии и размерного травления формируются токопроводящие каналы.

Для металлизации используют различные металлы и их сплавы, однако исторически так сложилось, что в кремниевых ИС в силу различных причин наибольшее распространение получил алюминий благодаря его технологичности в этом процессе. Это, прежде всего, возможность применения термического испарения в вакууме, благодаря низкой температуре плавления алюминия. Кроме того, алюминий за счет частичного растворения в кремнии позволяет создавать контакты с кремнием как n-типа, так и p-типа. Алюминий не образует с кремнием хрупких соединений, имеет высокую проводимость, широко распространен и относительно дешев.

Однако алюминий не универсален в плане металлизации, имеет ряд существенных недостатков, о которых будет сказано ниже, и что побуждает поиск новых материалов для металлизации.

Существует несколько способов нанесения качественных металлических пленок, удовлетворяющих требованиям технологии в микроэлектронике. Однако, в случае алюминиевой металлизации первоначально наибольшее распространение получил метод термического испарения в вакууме, сущность которого не требует специального пояснения, а технические детали этого процесса можно найти в соответствующей литературе. Этот метод удовлетворяет требования по скорости нанесения, сплошности покрытия и ряду других параметров. Однако он не пригоден для нанесения пленок из тугоплавких металлов и их сплавов в силу высоких температур плавления и испарения; обладает недостаточной адгезией.

Пригоден и находит ограниченное использование в технологии метод катодного испарения. Он позволяет получать пленки любых металлов и их сплавов, однако скорость нанесения покрытия мала. Кроме того, подложка подвергается воздействию высокоэнергетичных ионов, создающих радиационные дефекты.

В настоящее время наибольшее распространение получил метод магнетронного распыления. Он является усовершенствованным вариантом диодных систем катодного распыления. Причиной его появления явилось стремление повысить скорость осаждения в катодном распылении и снизить радиационное воздействие на элементы схемы в подложке. В магнетронных системах на постоянном токе используется режим аномального тлеющего разряда. Высокая скорость распыления обеспечивается за счет локализации плазмы у поверхности распыляемой мишени путем наложения скрещенных электрического и магнитного полей.

Магнетронный метод пригоден для нанесения пленок из любых металлов и их сплавов вне зависимости от их индивидуальных параметров. Он характеризуется низкой рабочей температурой, хорошей, причем управляемой адгезией к любым подложкам, совместим с другими технологическими вакуумно-плазменными процессами, допускает проведение предварительной очистки поверхности и сплошного травления без разгерметизации камеры.

Физическая схема магнетронного распыления при нанесении тонких пленок представлена на рис 9.7.

Рис. 9.7. Схема магнетронного нанесения тонких пленок:

1 – подогреватель подложки; 2 – подложка; 3 – напыляемая пленка;

4 – кольцевой анод; 5 – распыляемый катод; 6 – постоянные магниты,

создающие неоднородное магнитное поле вблизи катода; 7 – ввод газа

носителя и реакционных газов; 8 – откачка реакционной камеры;

9 – тороидальный объемный заряд с повышенной плотностью положительных ионов и электронов; 10 – металлический корпус реакционной камеры; 11 – поток осаждаемого материала

Принцип работы магнетрона заключается в следующем. Реакционная камера предварительно откачивается до давления порядка 10–3 Па, затем производится напуск газа носителя (Ar) и устанавливается рабочее давление в камере при непрерывной откачке и напуске аргона порядка 10–2 Па так, чтобы длина свободного пробега электрона была меньше линейных размеров реакционной камеры. Под действием приложенного постоянного электрического потенциала между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд, генерирующий ионы аргона. Положительные ионы аргона, ускоренные в прикатодной области, выбивают атомы из распыляемой мишени, которые достигают подложки и конденсируются на ней.

Специфика катодного распыления в магнетроне заключается в том, что в прикатодной области время жизни электронов велико, т. к. попавшие в неоднородное магнитное поле с наложенным электрическим, электроны «навиваются» на магнитные линии и не могут покинуть эту область. Таким образом, в прикатодной области создается тороидальный объемный заряд с повышенной плотностью электронов и ионов аргона. Последние усиленно бомбардируют катод и создают достаточно плотный поток атомов распыляемого материала катода, конденсирующийся на подогреваемой подложке. Подогрев подложки создает благоприятные условия для конденсации. Кинетическая энергия выбитых атомов регулируется ускоряющим потенциалом ионов, что обеспечивает необходимую адгезию конденсата к подложке.

При использовании составного катода можно получать композиционные пленки заданного компонентного состава.

Повысить качество металлизации можно путем применения многослойной металлизации. В двухслойной металлизации нижний слой должен обеспечивать хорошую адгезию, например к Si, и создавать хороший омический контакт. Этому требованию хорошо удовлетворяют тугоплавкие металлы: W, Mo, и др. – способные восстанавливать Si из SiO2, создавая тонкий слой силицида тугоплавкого металла, имеющего низкое контактное сопротивление (табл. 9.3). Верхний слой является основным токонесущим. Таким образом, создается двухслойная металлизация с нижним контактным и верхним токонесущими слоями. Эти два слоя не должны диффундировать друг в друга. В качестве верхнего слоя наиболее подходящим является золото.

Кроме силицидов, методом магнетронного распыления можно наносить многокомпонентные слои типа оксидов, нитридов, карбидов и др. Для этого используют реактивное распыление, при котором в реакционную камеру, кроме инертного газа носителя, добавляют химически активные газы типа N2, О2, С2. Распыляемый материал катода, взаимодействуя с этими газами, позволяет наносить тонкие слои типа SiO2, Si3N4, TiN, TaN и др., широко используемые в микроэлектронике.

В настоящее время в технологии металлизации существует ряд нерешенных проблем. Это, прежде всего, равномерное по толщине покрытие ступенчатого рельефа, воспроизводимость компонентного состава, электромиграция металлических дорожек и многие другие, особенно при создании наноразмерных структур.

Таблица 9.3

Удельное сопротивление силицидов

тугоплавких металлов различной структуры

и алюминия при Т = 300 К

9.3. Вакуумно-плазменная технология в микроэлектронике

9.3.1. Классификация и алгоритм процессов плазменного травления

Согласно физической классификации технологических процессов в производстве интегральных схем, наряду с нанесением тонких слоев, рассмотренных в предыдущих параграфах, выполняется много операций, связанных с удалением поверхностных слоев. Эти процессы можно характеризовать общим термином «травление».

Процесс травления может быть сплошным, т. е. по всей поверхности обрабатываемой пластины, или размерным, на отдельных не защищенных маской участках поверхности. Сплошное травление обычно имеет место при очистке поверхности перед основной операцией, например, перед эпитаксией для снятия тонкого естественного слоя SiO2 c кремниевых пластин. Размерное травление проводится при вскрытии незащищенных участков поверхности соответствующей маской, например фоторезиста, для вытравливания окон в SiO2 или Si3N4 для последующей избирательной диффузии.

Сам процесс травления может быть жидкостно-химическим или вакуумно-плазменным. В основу классификации положено агрегатное состояние среды как инструмента травления. В производственной терминологии первый вид называют «мокрым», а второй «сухим».

Технологический процесс травления, независимо от способа реализации, характеризуется следующими параметрами: скоростью травления; анизотропией, т. е. отношением скорости травления вглубь по отношению к боковому растраву; селективностью, т. е. отношением скоростей травления различных материалов при одинаковых условиях; равномерностью по всей площади стравливаемой поверхности.

Дальнейшее совершенствование технологических процессов травления идет по пути улучшении всех параметров при одновременной возможности контроля и управления.

На первом этапе развития микроэлектроники использовали в основном жидкостно-химическое травление. Сущность ЖХТ заключается в удалении поверхностного слоя путем химической реакции жидкого травителя, в качестве которого использовались агрессивные кислоты, с материалом стравливаемой поверхности. В результате образуются жидкие или газообразные соединения, поступающие в раствор.

Примером ЖХТ может быть сплошное или размерное травление кремния или двуокиси кремния с использованием азотной и плавиковой кислот:

SI + 2HNO3 + 6HF ® H2SiF6 + 2NHO2 + 2H2O, (9.7)

SiO2 + 6HF ® H2SiF6 + 2H2O. (9.8)

Большая скорость травления и хорошая селективность при использовании в качестве защитной маски фоторезиста способствовали широкому распространению ЖХТ в микроэлектронике. Однако на пути миниатюризации обнаружилось непреодолимое препятствие в виде изотропности травления, что не позволило получать субмикронные размеры элементов ИС из-за неизбежных растравов в горизонтальном направлении. Кроме того, ЖХТ обладает следующими существенными недостатками: необходимостью использования токсичных сред и утилизации отработанных жидких отходов; ЖХТ требует дополнительных операций в виде промывки и сушки пластин после каждого процесса травления; несовместимо с другими технологическими операциями. Все это стимулировало поиск новых способов травления, свободных от перечисленных выше ограничений. В результате чего была разработана вакуумно-плазменная технология, доминирующая в настоящее время.

Основное отличие вакуумно-плазменного травления заключается в том, что процесс травления происходит в изолированном от оператора реакторе в газовой среде, точнее – в газоразрядной плазме пониженного давления.

Существуют две разновидности ВПТ: физическое распыление и плазмохимическое травление. В первом случае процесс травления заключается в физическом выбивании атомов обрабатываемой поверхности ускоренными ионами, как правило, инертного газа.

При плазмохимическом травлении удаление поверхностного слоя происходит за счет химической реакции компонент газовой среды с атомами поверхности с образованием летучих компонент, которые удаляются из реакционной камеры путем непрерывной прокачки. Активация газовой среды осуществляется путем зажигания электрического разряда, в котором электроны, обладающие высокой энергией, при неупругих соударениях с молекулами приводят к развалу последних с образованием возбужденных радикалов, атомов и ионов, активно вступающих в химическую реакцию с атомами поверхности с образованием летучих продуктов реакции. Процесс ВПТ реализуется по следующей схеме:

Si + CF4 + O2 ® SiF4 + CO2, (9.9)

SiO2 + CF4 ® SiF4 + CO2. (9.10)

Обязательным условием качественного травления является образование летучих продуктов реакции всех компонент. Например, при травлении кремния в четырехфтористом углероде не скомпенсированным является углерод, который может осаждаться на обрабатываемой поверхности, затрудняя технологический процесс.

Si + CF4 ® SiF4 + C. (9.11)

Естественно, что при ПХТ в газовой среде должно присутствовать достаточное количество реакционно-способных частиц. В случае травления кремния – это фтор, для алюминия и других металлов – хлор и т. д.

Стремительному внедрению плазменной технологии в микроэлектронику, кроме многих прочих достоинств, способствовала высокая степень анизотропного травления, которая может достигать нескольких десятков единиц (А = 10 – 100). Подтверждением сказанному является сравнение профилей боковых стенок при ЖХТ и ВПТ (рис 9.8).

Рис. 9.8. Профиль боковых стенок при ЖХТ и ВПТ

Следующим важным достоинством плазменных технологических процессов с использованием разрядов низкого давления является низкая температура газовой среды (порядка нескольких сотен градусов), что следует из теории газоразрядной плазмы и подтверждается на практике.

Физическая модель ВПТ представлена на рис. 9.9.

Процесс ВПТ является многофакторным, и по литературным данным насчитывает более десятка разновидностей, например: ПТ – плазменное травление; ИТ – ионное травление; РТ – реактивное травление; ИПТ – ионно-плазменное травление; ИХТ – ионно-химическое травление и др. Однако если исходить из физического принципа классификации, то все возможные разновидности плазменного травления укладываются в стройную систему из двух разновидностей: плазмохимическое травление (ПХТ) и физическое плазменное травление (ФПТ). Кроме того, возможен смешанный тип: физико-химическое плазменное травление (ФХПТ), содержащее в определенной пропорции как физическое, так и химическое травление (рис. 9.10).

На практике чаще всего реализуется смешанный тип травления (ФХПТ), имеющий две разновидности: реактивное ионно-плазменное травление (РИПТ) и реактивное ионно-лучевое травление (РИЛТ), предполагающее направленное (лучевое) движение реактивных частиц плазмы. Варьируя соотношением физического распыления и химического травления можно в широких пределах изменять профиль

Рис. 9.9. Физическая модель вакуумно-плазменного травления

Рис. 9.10. Классификация плазменных процессов травления

боковых стенок вытравливаемых окон, что чрезвычайно важно для качественной металлизации ступенчатой структуры поверхности.

Исходя из физической модели ВПТ, рассмотрим вкратце физическую сущность ее составных частей.

9.3.2. Выбор газовой среды

Выбор газовой среды в плазменной технологии, в первую очередь, определяется видом технологического процесса. Например, при магнетронном или катодном распылении мишени с целью нанесения тонких пленок, как правило, используют инертные газы, чаще всего, аргон. При эпитаксиальном наращивании слоев используют полупроводниковые соединения в виде моносилана с добавкой легирующей примеси и т. д.

При плазмохимическом травлении используют химически активные газы, способные вступать в химическую реакцию с атомами поверхности и образовывать с ними летучие соединения с низкой температурой испарения.

Так при плазмохимическом удалении фоторезиста используют кислород, образующий летучие соединения в виде СО, СО2, пары воды и др. Для травления кремнийсодержащих структур (Si, SiO2 и Si3N4) используют фториды и хлориды, основными продуктами реакции которых являются SiF4 и SiCl4. Пленки Al и других металлов, а также силицидов тугоплавких металлов, травят, в основном, в хлорсодержащих средах. Главным критерием при выборе реактивных газов для ПХТ любых материалов является низкая температура испарения, т. е. летучесть всех конечных продуктов реакции, что позволяет удалять их из реакционной камеры путем непрерывной откачки вакуумным насосом.

В качестве важности этого положения приведем пример ПХТ алюминия в CF4 и CCl4. В первом случае продуктом реакции является AlF3 с температурой кипения 1291 оС, во втором – AlCl3 с температурой кипения 137 оС. Ясно, что не только предпочтительным, но и единственно возможным является второй вариант.

Существуют дополнительные требования при выборе газовой среды для реализации ПХТ. Это обеспечение необходимой скорости травления (в газовой среде должно быть большое количество реактивного элемента), отсутствие токсичности и взрывоопасности среды, относительная химическая нейтральность к защитной маске при избирательном травлении и т. п.

Для улучшения процесса ПХТ можно использовать различного рода добавки: инертные газы в качестве носителя, а также активации реакции; кислорода для удаления несбалансированного углерода. Для оптимального выбора газовой среды представлены данные табл. 9.4 – 9.6. В них приведены соединения, которые могут быть использованы при ПХТ в качестве рабочего газа, а также продукты реакции с указанием температуры кипения.

Таблица 9.4

Плазмообразующие газы, используемые при ПХТ

Таблица 9.5

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12