7.2.5 Термовакуумное испарение

Термовакуумное реактивное испарение применяется для получения оксидов кремния, алюминия, тантала, титана, ванадия и осуществляется следующим образом. В атмосфере кислорода при очень низком давлении (133  665) 10^-4 Па испаряется металл, который, реагируя на поверхности подложки с кислородом, образует пленку оксида. Эта пленка обладает сравнительно невысоким качеством из-за высокой дефектности или неоднородности ее структуры, а также из-за нарушения стехиометрии оксидов. Например, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, тангенс угла диэлектрических потерь и др. характеристики у пленок А1₂О₃ на 10 – 20 % хуже, чем у массивных образцов А1₂О₃ [3].

7.3 Параметры качества диэлектрических пленок

В диэлектрических пленках могут возникать разного рода дефекты, способные приводить к ухудшению или нестабильности параметров элементов ИС. Эти дефекты могут иметь как атомные, так и более крупные размеры.

В пленках SiО₂ дефекты атомных размеров обусловлены: 1) недостатком или избытком ионов кислорода, 2) наличием в диоксиде атомов или ионов посторонних примесей и 3) образованием ненасыщенных связей на границе между кремниевой подложкой и слоем диоксида. Более крупные дефекты – это: 1) поры или каналы в оксидном слое, 2) микротрещины или границы между кристаллическими и аморфными участками слоя.

По происхождению макродефекты покрытий условно можно разделить на четыре группы: 1) кристаллизационные; 2) связанные с подложкой; 3) обусловленные механическими напряжениями; 4) "приобретенные".

Кристаллизационные дефекты возникают чаще всего при осажде­нии слоев из неконденсированных фаз в условиях значительного пре­сыщения. Появляющиеся при этом неравновесные, избыточные вакансии могут коалесцировать с образованием каверн или микропор. Двух- и трехмерные дефекты этого типа образуются также при срастании ав­тономно растущих кристаллитов в результате их неплотной стыковки и сшивки. Большая плотность макродефектов такого рода наблю­дается, если есть условия для гомогенного зародышеобразования. При наклонном падении молекулярного пучка может иметь место эффект "самозатенения", связанный с наличием микровыступов усиленно растущих кристаллитов.

Дефекты второй группы связаны с особенностями энергетическо­го состояния и микрорельефа поверхности подложки, а также наличи­ем загрязнений. Различные нерегулярности поверхности могут приво­дить к локальным изменениям пресыщений, создавая тем самым условия для образования пор, а микровыступы и инородные частицы - к эффекту "затенения". Загрязнения образуют в процессе осаждения несплошные или летучие химические соединения, выделяют твердые продукты, инициирующие растрескивание пленки, разлагаются терми­чески с образованием газообразных продуктов, прорывающих растущий слой.

Одна из причин образования дефектов в слоях SiО₂ и на их границе с кремнием – механические напряжения. Многочисленные качественные и полуколичественные модели воз­никновения механических напряжений учитывают целый ряд разнород­ных факторов и процессов. Можно считать, что уровень механических напряжений в пленках определяется балансом следующих компонент: 1) ростовой, связанной с особенностями формирования слоя на поверхности подложки; 2) термической, возникающей из-за различия теплового расширения пленки и подложки; 3) физико-химической, обусловленной изменениями объема пленки под влиянием окружающей среды.

Напряжения в слое SiО₂, выращенном на кремниевой подложке при высокой температуре, являются сжимающими, так как термический коэффициент расширения кремния в несколько раз выше, чем у SiО₂. Напряжения имеют значения порядка 10⁸ Па. Очевидно, что значения напряжений и их роль тем больше, чем больше толщина слоя. Дело в том, что при неизменном среднем напряжении растягивающее усилие в пленке вблизи границы с подложкой линейно увеличивается по мере повышения толщины. По достижении некоторого критического значения усилие преодолевает силы адгезии, пленка проскальзывает относительно подложки и раз­рывается в наиболее дефектных местах.

Таким образом, механические микро- и макронапряжения в пленке, превышающие ее прочность, приводят к появлению в ней микротрещин и микросколов и отслаиванию от подложки. Из­вестно²⁵, например, что микротрещины являются основным дефектом пленок SiO₂, полученных термическим окислением кремния, при тол­щинах свыше 0.3 мкм. Малые напряжения могут не вызывать таких дефектов, но способствовать концентрации вакансий у границы раздела с подложкой, что приводит к изменению плотности энергетических состояний на границе между оксидом и кремнием. Влияние напряжений в слое SiО₂ сказывается и при его литографической обработке. Неоднородное распределение напряжений приводит к неоднородному травлению слоя, которое наблюдается как в местах концентрации напряжений, так и в местах скопления загрязнений.

«Приобретенные» дефекты возникают уже после осаждения плен­ки, в ходе последующих технологических операций (например, фото­литографии или диффузионного отжига).

С точки зрения дефектности наилучшими являются слои, выращенные термическим окислением на свободных от дефектов положках, наихудшими – полученные анодным окислением в растворах электролитов без последующей термической обработки. Значения плотностей пленок SiО₂, выращенных различными способами, практически мало отличаются и составляют 2,2 г/см³.

Для пленок, используемых в качестве электрической изоляции, на первый план выступают их диэлектрические свойства. Удельное электросопротивление очень сильно зависит от технологии получения пленок, особенно от концентрации примесей и дефектов в них. Лучшие пленки имеют удельное сопротивление 10¹⁵ - 10¹⁶ Ом см, худшие – 10¹² Ом см. Диэлектрическая проницаемость составляет от 3 до 3,8 в зависимости от метода выращивания пленок. Электрическая прочность меняется от 10⁶ до 10⁷ В/см, но может резко уменьшаться при появлении в пленках дефектов. Для пленок, используемых в качестве подзатворных диэлектриков в МДП-ИС, все параметры должны быть наилучшими.

Для пленок, используемых в качестве технологических масок, важными показателями качества являются скорость и равномерность травления в соответствующих растворителях. Так, травление пленок SiО₂ обычно проводят в водных растворах плавиковой кислоты НF с различными добавками. Скорость травления зависит от метода получения пленок: пленки, выращенные термическим окислением кремния, обычно имеют наименьшую скорость растворения (как более плотные), а пленки, осажденные термовакуумным испарением, – наибольшую (как менее плотные). Если полученные пиролизом пленки отжечь при высоких температурах, то можно достичь такого же качества, что и при термическом окислении [3].