Нанесение тонких пленок

Тонкие пленки широко используются как в полупроводниковых, так и в гибридныхИМС. Они являются материалом проводников соединений, резисторов, конденсаторов, изоляции. Помимо требуемых электрофизических параметров пленки должны иметь хорошую адгезию (сцепление) к материалу, на который они наносятся, например, к кремнию и двуокиси кремния в полупроводниковых ИМС, к диэлектрической подложке или ранее нанесенной пленке в ГИС. Не все материалы имеют хорошую адгезию с подложками (например, золото с кремнием). Тогда на подложку сначала наносится тонкий подслой с хорошей адгезией, а на него – основной материал, имеющий хорошую адгезию с подслоем.

Важным требованием является близкое значение коэффициентов термического расширения (ТКР) пленок и подложек, что предотвращает повреждение пленок при колебаниях температуры.

Термическое вакуумное испарение (термическое вакуумное напыление). Наносимое вещество вместе с подложкой помещается в вакуумную камеру. В результате нагревания происходит испарение и осаждение вещества на подложке. скорость испарения и роста пленок сильно зависят от температуры. Осаждение происходит с достаточно высокой скоростью при достижении условной температуры испарения Т_усл , при которой давление паров вещества равно 1,3 Па. В зависимости от температуры плавления вещества Т_пл , могут выполняться разные условия: если Т_усл < Т_пл (Cr, Mo,Si, W), то вещества интенсивно испаряются из твердого состояния; если

Т_усл > Т_пл (Al, Au, Pt), - то из жидкого.

Нагрев испаряемых материалов может быть прямой или косвенный: при прямом нагреве электрический ток пропускается через металлический материал, или используется индукционный нагрев, или нагрев электронной бомбардировкой. Косвенный нагрев происходит за счет теплопередачи от испарителя (тигля, спирали и др.). Осаждение ведется на подогретую подложку, температура которой 200 – 400 ℃. При слишком низкой температуре осаждаемые атомы не могут мигрировать по поверхности, при этом могут образовываться островки разной толщины. Слишком высокая температура вызывает обратное испарение осаждаемых атомов с подложки.

Высокий вакуум (10^-4 – 10^-5 Па) обеспечивает чистоту пленки. Время осаждения (от нескольких секунд до нескольких минут) регулируется заслонками, преграждающими доступ испаряемого вещества к подложке.

Недостатком этого метода является невысокая воспроизводимость параметров пленки из-за плохого контроля температуры и кратковременности процесса, а также невозможность воспроизведения химического состава испаряемого вещества (сплава или химического соединения) из-за разной скорости испарения входящих в него компонентов. Поэтому метод используется в основном для чистых металлов.

Распыление ионной бомбардировкой. Процесс производится в вакуумной камере, заполненной инертным газом (например, аргоном), котором возбуждается газовый разряд.Положительные ионы бомбардируют распыляемый материал (мишень), выбивая из него атомы или молекул, которые осаждаются на подложке. На пути к подложке выбитые атомы рассеиваются на атомах инертного газа. Это уменьшает скорость осаждения, но увеличивает равномерность осаждения пленки на подложке, этому способствует и большая площадь мишени. Скорость и время распыления (от нескольких минут до нескольких часов) регулируются напряжением на электродах и могут поддерживаться с высокой точностью.

По сравнению с термическим вакуумным испарением этот метод позволяет получать пленки тугоплавких металлов, наносить диэлектрические пленки, соединения и сплавы, точно выдерживать их состав; обеспечивать равномерность и точное воспроизведение толщины пленок на подложках большой площади. Распыление ионной бомбардировкой имеет несколько видов: катодное распыление, ионно-плазменное распыление и высокочастотное распыление.

а). При катодном распылении распыляемый материал (металл) является электродом катода 1 – рис. 4.13. На заземленном аноде 2 располагается подложка 3. Давление газа в камере 4 составляет 1 – 10 Па. На катод подается высокое отрицательное напряжение 2 – 5 кВ. Возникает газовый разряд, при котором образуется электронно-ионная плазма. Положительные ионы образуются из-за ионизации атомов газа электронами. Ионы, ускоряясь в сильном электрическом поле, выбивают из катода электроны, необходимые для поддержания разряда, а также атомы, которые диффундируют через газ, осаждаются на подложке. Если перпендикулярно электрическому полю Е между катодом и анодом приложит постоянное магнитное поле В, то оно искривит траекторию электронов, вылетевших из катода.

Рис. 4.13. Схема катодного распыления

Электроны, двигаясь к аноду по сложным петлеобразным траекториям, подобным траекториям электронов в магнетронах СВЧ (рис. 4.14) теряют энергию на ионизацию газа.

Рис. 4.14. Движение частиц в магнетронной

распылительной системе:

⊝ - электрон, ⊕ - ио н,

- атом, выбитый из катода

Увеличение длины пути электрона приводит к образованию большего числа ионов, чем в отсутствии магнитного поля, что способствует повышению скорости распыления или (при той же скорости) позволяет снизить давление газа и загрязнение пленки. В этом случае электроны достигают анода с малой скоростью, это снижает нагревание анода и предотвращает испарение осаждаемой пленки, устраняя возможность ее рекристаллизации и изменения химического состава. Описанная система называется магнетронной распылительной системой.

При реактивном катодном распылении в камеру вводится некоторое количество газа, образующему химические соединения с распыляемым материалом. Например, добавка кислорода при распылении тантала или кремния дает возможность получить диэлектрические пленки Ta₂O_5, SiO₂.

Недостатком катодного распыления является загрязненность пленок из-за сравнительно низкого вакуума, а также невозможность напыления через металлический трафарет (маску), так как он искажает электрическое поле у анода.

б). При ионно-плазменном напылении давление газа в камере Р ≈ 10^-2 Па значительно ниже, чем при катодном распылении, это уменьшает загрязнение пленок. Длина свободного пробега выбитых из мишени атомов превышает расстояние мишень – подложка, поэтому отсутствует рассеяние атомов, что повышает скорость осаждения. Получить большую концентрацию ионов в условиях пониженного давления можно, используя накаливаемый катод – источник электронов (рис. 4.15). В нижней части камеры 1 расположен вольфрамовый катод 2, а в верхней – анод 3, на который положительное напряжение составляет около 100 В. На мишень 4 подается высокое отрицательное напряжение 2 – 3 кВ. Напротив расположена подложка 5 с нагревателем 6. Для увеличения концентрации ионов прикладывается магнитное поле, направленное от анода к катоду. 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 , создавая на этом пути гораздо больше ионов.

Степень ионизации газа на 1 – 2 порядка выше, чем при катодном распылении. Начало и конец процесса определяются подачей и отключением напряжения на мишени. Перед началом напыления проводится ионная очистка поверхности подложки (ионное травление). Аналогично можно провести очистку мишени. Очистка мишени и подложки способствует повышению чистоты пленок и хорошей адгезии к подложке.

В отличие от катодного распыления подложка не влияет на напряженность электрического поля и скорость распыления, это обеспечивает равномерность толщины пленки и возможность напыления через металлический трафарет, накладываемый на подложку. В ГИС это дает возможность одновременно с напылением формировать рисунок пленки.

Рис. 4.15. Схема ионно-плазменного напыления

Рассмотренные методы распыления на постоянном токе применяют для напыления металлических и полупроводниковых материалов

На диэлектрической мишени попадающие на нее положительные ионы не могут нейтрализоваться электронами из внешней цепи, в результате потенциал мишени повышается и процесс прекращается.

в). Для распыления диэлектрических мишеней используется высокочастотное распыление, при котором на мишени периодически меняется знак потенциала. На установке, изображенной на рис. 4.15 это достигается тем, что мишень 4 представляет собой диэлектрический слой, нанесенный на металлическую пластину, на которую помимо постоянного подают переменное высокочастотное напряжение большой амплитуды. При отрицательном напряжении мишень бомбардируется положительными ионами и распыляется, при положительном – на мишень поступает поток электронов, нейтрализующих заряд ионов (при этом распыления не происходит вследствие малой массы и энергии электронов).

Химическое осаждение из газовой фазы - в технологии полупроводниковых ИМС используется для получения пленок поликристаллического кремния и диэлектриков SiO₂, Si₃N₄. Осаждение происходит в результате химической реакции в газовой фазе при повышенной температуре и осуществляется в эпитаксиальных или диффузионных установках.

Для осаждения поликремния на поверхность SiO₂ используется реакция пиролиза (разложения) силана:

SiH₄ → Si + H₂,

которая протекает при Т = 650 ℃.

Для осаждения двуокиси кремния используется окисление силана:

SiH₄ + O₂ → SiO₂ + H₂O,

протекающее при Т = 200 – 350 ℃.

Нитрид кремния получают взаимодействием силана с аммиаком :

SiH₄ + NH₃ → Si₃N₄ + H₂

при Т = 800 ℃.

К достоинствам осаждения из газовой фазы относятся простота, технологическая совместимость с другими процессами создания полупроводниковых ИМС (эпитаксией, диффузией), невысокая температура, благодаря чему отсутствует нежелательная разгонка примесей.

Скорость осаждения определяется температурой и концентрацией реагирующих газов в потоке нейтрального газа-носителя и составляет несколько сотых долй микрометра в минуту.