Тонкие пленкине только являются основой тонкопленочных ГИС, но широко используются и вполупроводниковых интегральных схемах. Поэтому методы получения тонких пленокотносится к общим вопросам технологии микроэлектроники.
Существует триосновных метода нанесения тонких пленок на подложку и друг на друга:термическое (вакуумное) напыление, ионно-плазменное напыление иэлектрохимическое осаждение. Ионно-плазменное напыление имеет две разновидности:катодное напыление и собственно ионно-плазменное.
Термическое (вакуумное) напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.15.Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2. Между ниминаходится прокладка 3, обеспечивающая поддержание вакуума после откачки подколпачного пространства. Подложка 4, на которуюпроводится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкаетнагреватель 6 (напыление проводится на нагретую подложку). Испаритель 7включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Поворотнаязаслонка 8 перекрывает поток паров от испарителя к подложке: напыление длится втечение времени, когда заслонка открыта.
Нагревательобычно представляет собой нить или спираль из тугоплавкого металла ( вольфрам,молибден и др.), через которую пропускается достаточно большой ток. Источникнапыляемого вещества связывается с нагревателем по-разному: в виде скобок («гусариков»), навешиваемых на нить накала; в виде небольшихстержней, охватываемых спиралью, в виде порошка, засыпанного в тигель,нагреваемый спиралью, и т. п. Вместо нитей накала в последнее время используют нагрев с помощью электронного лучаили луча лазера.
Наподложке создаются наиболее благоприятные условия для конденсации паров, хотячастично конденсация паров и на стенках колпака. Слишком низкая температураподложки препятствует равномерному распределению адсорбируемых атомов: онигруппируются в «островки» разной толщины, часто не связанные друг с другом.Наоборот, слишком высокая температура подложки приводит к отрыву только чтоосевших атомов, к их «реиспарению». Поэтому дляполучения качественной пленки температура подложки должна лежать в некоторыхоптимальных пределах (обычно 200-400 0С). Скорость роста пленок взависимости от ряда факторов (температура нагревателя, температура подложки,расстояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит впределах от десяти долей до десятков нанометров в секунду.
Прочностьсвязи – сцепление пленки с подложкой или другой пленкой – называется адгезией.Некоторые распространенные материалы (например, золото) имеют плохую адгезию стипичными подложками, в том числе с кремнием. В таких случаях на подложкусначала наносят так называемый подслой, характерный хорошей адгезией, а затемна него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая.Например, для золота подслоем могут быть никель или титан.
Длятого, чтобы атома газа, летящие от испарителя к подложке, испытали минимальноеколичество столкновений с атомами остального газа и тем самым минимальноерассеяние, в подколпачном пространстве нужнообеспечивать достаточно высокий вакуум. Критерием необходимого вакуума можетслужить условие, чтобы средняя длина свободного пробега в несколько разпревышала расстояние между испарителем и подложкой. Однако этого условия частонедостаточно, так как любо количество остаточного газа чревато загрязнениемнапыляемой пленки и изменением ее свойств. Поэтому в принципе вакуум вустановках термического напыления должен быть как можно более высоким. Внастоящее время вакуум ниже 10-6ммрт. ст. считается неприемлемым, а в ряде первоклассных напылительныхустановок он доведен до 10-11ммрт. ст.
Главнымидостоинствами рассмотренного метода являются его простота и возможностьполучения исключительно чистых пленок (при высоком вакууме). Однако у него естьи серьезные недостатки: трудность напыления тугоплавких материалов и трудность(а иногда невозможность) воспроизведения на подложке химического составаиспаряемого вещества. Последнее объясняется тем, что при высокой температурехимические соединения диссоциируют, а их составляющиеконденсируются на подложке раздельно. Естественно, имеется вероятность того,что новая комбинация атомов на подложке не будет соответствовать структуреисходной молекулы.
Катодное напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.16. Здесьбольшинство компонентов те же, что и на рис. 6.15. Однако отсутствуетиспаритель; его место по расположению (и по функциям) занимает катод 6, которыйлибо состоит из напыляемого вещества, либо электрически контактирует с ним.Роль анода выполняет подложка вместе с держателем.
Подколпачное пространство сначала откачивают до 10-5– 10-6ммрт. ст., а затем внего через штуцер 8 вводят некоторое количество очищенного нейтрального газа(чаще всего аргона), так что создается давление 10-1 – 10-2ммрт. ст. При подачевысокого (2 – 3 кВ) напряжения на катод (анод заземлен из соображений электробезопасности) в пространстве анод-катод возникаетаномальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием квазинейтральнойэлектронно – ионной плазмы.
Спецификааномального тлеющего разряда состоит в том, что в прикатодномпространстве образуется настолько сильное электрическое поле, что положительныеионы газа, ускоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него нетолько электроны (необходимые для поддержания разряда), но и нейтральные атомы.Тем самым катод постепенно разрушается. В обычных газоразрядных приборахразрушение катода не допустимо (поэтому в них используется нормальный тлеющийразряд), но в данном случае выбивание атомов из катода является полезнымпроцессом, аналогичным испарению.
Важнымпреимуществом катодного напыления по сравнению с термическим является то, чтораспыление катода не связано с высокой температурой. Соответственно отпадаюттрудности при напылении тугоплавких материалов и химических соединений.
Однаков данном методе катод (т. е. напыляемый материал), будучи элементомгазоразрядной цепи, должен обладать высокой электропроводностью. Такоетребование ограничивает ассортимент напыляемых материалов. В частности, оказываетсяневозможным напыление диэлектриков, в том числе многих окислов и другиххимических соединений, распространенных в технологии полупроводниковыхприборов.
Этоограничение в значительной мере устраняется при использовании так называемогореактивного (или химического) катодного напыления, особенность которого состоитв добавлении к основной массе инертного газа небольшого количества активныхгазов, способных образовывать необходимые химические соединения с распыляемымматериалом катода. Например, примешивая к аргону кислород, можно вырастить наподложке пленку окисла. Примешивая азот или моноокисьуглерода, можно нитриды или карбиды соответствующих металлов. В зависимости отпарциального давления активного газа химическая реакция может происходить либона катоде (и тогда на подложке осаждается уже готовое соединение), либо наподложке – аноде.
Недостаткамикатодного напыления в целом являются некоторая загрязненность пленок (из-заиспользования сравнительно низкого вакуума), меньшая по сравнению с термическимметодом скорость напыления (по той же причине), а также сложность контроля процессов.
Ионно-плазменное напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.17. Главнаяего особенность по сравнению с методом катодного напыления состоит в том, что впромежутке между электродом 9 – мишенью (с нанесенным на нее напыляемымматериалом) и подложкой 4 действует независимый, «дежурный» газовый разряд.Разряд имеет место между электродами 6 и 7, причем тип разряда – несамостоятельныйдуговой. Для этого типа разряда характерны: наличие специального источникаэлектронов в виде накаливаемого катода (6), низкие рабочие напряжения (десяткивольт) и большая плотность электронно-ионной плазмы. Подколпачноепространство, как и при катодном напылении, заполнено нейтральным газом, но приболее низком давлении (10-3 – 10-4ммрт. ст.).
Процесснапыления состоит в следующем. На мишень относительно плазмы (практически –относительно заземленного анода 7) подается отрицатеьныйпотенциал (2-3 кВ), достаточный для возникновения аномального тлеющего разрядаи интенсивной бомбардировки положительными ионами плазмы. Выбиваемые атомымишени попадают на подложку и осаждаются на ней. Таким образом,принципиальных различий между процессамикатодного и ионно-плазменного напыления нет. Различают лишь конструкцииустановок: их называют соответственно 2х и 3хэлектродными.
Началои конец процесса напыления определяются подачей и отключением напряжения намишени. Если предусмотреть механическую заслонку (см. рис. 6.15), то ее наличиепозволяет реализовать важную дополнительную возможность: если до началанапыления закрыть заслонку и подать потенциал на мишень, то будет иметь местоионная очистка мишени. Она полезна для повышения качества напыляемой пленки. Аналогичнуюочистку можно проводить на подложке, подавая на нее (до напыления пленки)отрицательный потенциал.
Принапылении диэлектрических пленок возникает затруднение, связанное с накоплениемна мишени положительного заряда, препятствующего дальнейшей ионнойбомбардировке. Это затруднение преодолевается путем использования такназываемого высокочастотного ионно-плазменного напыления. В этом случае намишень на ряду с постоянным отрицательным напряжением подается переменное напряжение высокой частоты(около 15 МГц) с амплитудой, несколько превышающей постоянное напряжение. Тогдаво время большей части периода результирующее напряжение отрицательно; при этомпроисходит обычный процесс распыления мишени и на ней накапливаетсяположительный заряд. Однако во время во время небольшой части периодарезультирующее напряжение положительно; при этом мишень бомбардируетсяэлектронами из плазы, т. е. распыления не происходит, но зато компенсируетсянакопленный положительный заряд.
Вариантреактивного (химического) ионно-плазменного напыления открывает те жевозможности получения окислов, нитридов и других соединений, что и реактивное катодное напыление.
Преимуществасобственно ионно-плазменного метода по сравнению с катодным состоят в большейскорости напыления и большей гибкости процесса (возможность ионной очистки,возможность отключения рабочей цепи без прерывания разряда и др.). Кроме того,на качестве пленок сказывается более высокий вакуум.
Анодирование
Один из вариантов химическогоионно-плазменного напыления называют анодированием. Этот процесс состоит вокислении поверхности металлической пленки (находящейся под положительным потенциалом) отрицательными ионамикислорода, поступающими из плазмы газового разряда. Для этого к инертномугазу (как и при чисто химическомнапылении) следует добавить кислород. Т. о., анодирование осуществляется ненейтральными атомами, а ионами.
Химическоенапыление и анодирование проходят совместно, т.к. в газоразрядной плазме (еслиона содержит кислород) сосуществуют нейтральные атомы и ионы кислорода. Длятого чтобы анодирование превалировало над чисто химическим напылением, подложкурасполагают «лицом» (т.е. металлической пленкой) в сторону, противоположнуюкатоду, с тем, чтобы на нее не попадали нейтральные атомы.
Помере нарастания окисного слоя ток в анодной цепи падает, т. к. окисел являетсядиэлектриком. Для поддержания тока нужно повышать питающее напряжение.Поскольку часть этого напряжения падает на пленке, процесс анодированияпротекает в условиях большой напряженности поля в окисной пленке. В результатеи в дальнейшем она обладает повышенной электрической прочностью.
Кчислу других преимуществ анодирования относятся большая скорость окисления ивозможность управления процессом путем изменения тока в цепи разряда. Качествооксидных пленок, получаемых данным методом, выше, чем при использовании другихметодов.
Электрохимическое осаждение
Это метод получения пленокотличается от предыдущих тем, что рабочей средой является жидкость. Однакохарактер процессов сходен с ионно-плазменным напылением, поскольку и плазма, иэлектролит представляют собой квазинейтральную смесьионов и неионизированных молекул или атомов. А главное, осаждение происходиттакже постепенно (послойно) как инапыление, т.е. обеспечивает возможность получения тонких пленок.
Электрохимическоеосаждение исторически развилось значительно раньше других рассмотренных методов– еще в XIXвеке. Уже десятки лет назад оно широкоиспользовалось в машиностроении для разного рода гальванических покрытий (никелирование,хромирование и т. п.). В микроэлектронике электрохимическое осаждение неявляется альтернативой термическому и ионно-плазменному напылению; онодополняет их и сочетается с ними.
Воснове электрохимического осаждения лежит электролиз раствора, содержащего ионынеобходимых примесей. Например, если требуется осадить медь, используетсяраствор медного купороса, а если золото или никель – растворы соответствующихсолей.
Ионыметаллов дают в растворе положительный заряд. Поэтому, чтобы осадить металлическуюпленку, подложку следует использовать как катод. Если подложка являетсядиэлектриком или имеет низкую проводимость, на нее предварительно наносяттонкий металлический подслой, который и служит катодом. Подслой можно нанестиметодом термического или ионно-плазменного напыления.
Чтобыосуществить электрохимическое анодирование, окисляемую пленку металла следуетиспользовать как анод, а электролит должен содержать ионы кислорода.
Большоепреимущество электрохимического осаждения перед напылением состоит в гораздобольшей скорости процесса, которая легко регулируется изменением тока. Поэтомуосновная область применения электролиза в микроэлектронике – это получениесравнительно толстых пленок (10 – 20 мкм и более). Качество (структура) такихпленок хуже, чем при напылении, но для ряда применений они оказываются вполнеприемлемыми.