конт1 / ЭИПТ-21

Рис.10 Низкотемпературная газоразрядная плазма

Различные виды плазменной обработки материалов зависят от энергетических характеристик плазмы и доминирующего влияния одного из эффектов в пространстве между областью газового разряда и электродами (Рис.11): 1 – уход быстрого электрона; 2 – отражение медленного электрона; 3 – инжекция иона; 4 – отражение отрицательного иона; 5 – рассеяние на нейтральной частице; 6 – обмен заряда иона с нейтральной частицей; 7 – эмиссия вторичного электрона; 8 ионизация электронным ударом; U0 – прикатодный потенциал; h – толщина

прикатодной области – темного катодного пространства; ne и ni – концентрация соответственно электронов и ионов; kTe – энергия электрона; Um – потенциал мишени.Важным параметром плазмы является энергия Ee (температура kTe) электронов (Рис.12), которая имеет нормальное распределение (Рис.12 а) и от которой зависит вероятность образования ионов - коэффициент ионизации (Рис.12 б) .

Длина свободного пробега электрона в плазме =1/(Se.N), где Se - сечение столкновения электрона с атомами плазмообразующего газа, м2 (для Ar при Ee=2 эВ Se = 3.10- 16 см2); N - концентрация атомов или молекул газа (м-3), равная N=p/(kT)=2,5.1016 атом/см3 (при давлении аргона p=100 Па и температуре стенок вакуумной камеры T=293К). При этих параметрах плазмы =0,13 см.

Средняя скорость электронов в плазме рассчитывается по следующей формуле:

газа в плазме = ve.Se.N и составляет 7,5.108 1/с или 750 МГц при приведенных выше параметрах плазмы.

Напряжение зажигания самостоятельного газового разряда Uз зависит от рода газа и произведения давления p на расстояние между электродами d. Эта зависимость иллюстрируется кривыми Пашена (Рис.13).

Поток ионов Qi (ион/(м2.с)) в катодное пространство приблизительно равен

где kTi и Mi – энергия (Дж) и молекулярная масса иона (кг/кмоль). Плотность ионного тока ji= Qi.qe, А/м2, а толщина прикатодной области h составляет приблизительно

547, 10 8 Uм3/2

где Uм – потенциал мишени, В. Параметры газоразрядной плазмы сильно зависят от давления плазмообразующего газа (Рис.14).

Высокочастотная плазма формируется исходя из условия, что величина пробега электронов равна расстоянию между электродами d (Рис.15), а пробег значительно более

тяжелых ионов намного меньше. Необходимая частота изменения полярности на электродах рассчитывается из неравенства f > 1/te, где время пробега электронов te = d/ve (при ve=106 м/с и d=0,1 м te=10-7с, а f > 107 Гц). Наиболее распространена стандартная частота f = 13,56 МГц, при которой время пробега ионов ti расстояния d равно ti = d/vi (при vi 500 м/с, ti = 2.10-4 с), а величина пробега ионов за ti составляет di = vi /f (di =3,7.10-5 м или 37 мкм).

Нейтральные частицы в газоразрядной плазме характеризуются скоростью образования радикалов (электрон-молекулярного взаимодействия) R = K.ne.N, где K -

константа скорости диссоциации (для HCl при kTe=2 эВ, K=4.10-10 см3/с). При pcl =100 Па и ne=1010 см-3, N=2,5.1016 см-3, а R = 7,5.1016 шт/(см3.с). Длина свободного пробега атомов или

молекул = 6,51.10-3/p, м , где p - давление газа, Па. Число атомов или молекул, ударяющихся о единицу поверхности в единицу времени

N1 p/ 2 R0TM ,

где T и M - температура и молекулярная масса газа, R0 – универсальная газовая постоянная.

Uз, В

CO2

Воздух

104

H2

103

Ne

Ar

102

Рис.13 Зависимость потенциала зажигания газового разряда Uз от p.d для различных газов (Кривые Пашена)

Рис.14 Зависимость параметров газоразрядной плазмы (плотности ионного тока ji, энергии ионов Ei и величины темного катодного пространства h) от давления плазмообразующего газа p

Рис.15 Схема высокочастотной плазмы

Одним из наиболее характерных примеров использования газоразрядной плазмы в машиностроении является очистка, травление и нанесение тонкопленочных покрытий на оборудовании, подобном представленному на рисунке 16.

Рис.16 Структурная схема установки «Плазменный котел»

На установке реализован метод нанесения тонких пленок дуговым осаждением в вакууме. Сильноточный дуговой разряд (короткая вакуумная дуга) образуется между анодом А1 и холодным катодом К дугового источника. На установке установлены два дуговых источника, которые пристыкованы к вакуумной камере напротив друг друга. Анод А1 находится во внешнем магнитном поле, которое создает катушка, размещенная на анодном блоке. Катушка может перемещаться вдоль анодного блока. Таким образом, осуществляется стабилизация положения катодного пятна. Внутри вакуумной камеры размещаются дополнительные катушки А2, которые оказывают фокусирующее воздействие.

Процесс горения дуги сопровождается ионизацией отдельных атомов с образованием ионизированной паровой фазы. Этот поток ионизированных атомов металла и высвободившихся электронов устремляется в центр вакуумной камеры. Поскольку корпус камеры имеет нулевой потенциал, а на карусель с изделиями подается -150 В, то ионизированные атомы осаждаются на изделиях, а электроны устремляются на корпус камеры.

Установка «Плазменный котел» может быть выполнена в другом исполнении (схема справа) и использоваться для вакуумно-

плазменного травления, например, для снятия остатков износостойких покрытий на режущем инструменте с целью последующего нанесения такого покрытия на установке в первоначальном исполнении (см. рис.16).

6. Теоретические аспекты физического осаждения из газовой фазы

Под физическим осаждением из газовой фазы (PVD – Physical Vapor Deposition) материала понимается процесс конденсации этого материала в виде атомов или молекул из газовой фазы с образованием тонкой пленки на поверхности подложки, причем химический состав газовой фазы и осаждаемой пленки совпадает. Физическое осаждение из газовой фазы может осуществляться следующими методами:

Термо-вакуумным, при котором материал термически испаряется в виде атомов или молекул в условиях высокого вакуума и затем конденсируется на подложке, причем испарение может производиться резистивным, индукционным, электронно-лучевым и лазерным нагревом;

Ионного распыления, при котором материал выбивается из мишени в виде атомов или молекул за счет кинетической энергии бомбардирующих мишень ионов и затем конденсируется на подложке, причем могут быть использованы как ионы газоразрядной

плазмы, так и ионные пучки, генерируемые в автономных источниках.

Метод ионного распыления по сравнению с термо-вакуумным обладает следующими преимуществами:

низкие температуры проведения процессов осаждения;

сохранение стехиометрии сложных соединений и сплавов;

простота автоматизации и интеграции с процессом ионной очистки поверхности подложки;

длительный ресурс мишеней;

лучшая адгезия пленок;

упрощение и удешевление систем обеспечения высокой однородности пленок по толщине на подложках большого диаметра, и в случае реализации его в магнетронных распылительных системах (МРС) не уступает термо-вакуумному по скорости осаждения.

Поэтому процессы нанесения функциональных слоев (особенно металлических)

физическим осаждением из газовой фазы в магнетронных распылительных системах заняли ведущее место в производстве микросхем. Типовая схема нанесения тонкой пленки нитрида титана с помощью МРС показана на рис.17.

Реализуемый в МРС аномальный тлеющий разряд происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электроны, эмиттируемые из мишени под действием ионной бомбардировки, захватываются магнитным полем и совершают сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям вблизи поверхности мишени. В результате многократных столкновений электронов с атомами рабочего газа (обычного аргона) резко увеличивается степень ионизации плазмы и возрастает плотность ионного тока (примерно в 100 раз по сравнению с диодной распылительной системой без магнитного поля), что приводит к существенному (в 50 - 100 раз) увеличению скорости распыления материала мишени.

Эффективность процесса плазмооброзования в МРС в 5 - 6 раз выше, чем в диодных распылительных системах без магнитного поля. Энергетическая эффективность процесса распыления, определяемая зависимостью коэффициента распыления от энергии ионов, имеет максимальное значение в диапазоне 300 - 500 эВ, который характерен для МРС. Поскольку в МРС высокая эффективность процесса плазмообразования сочетается с высокой эффективностью процесса распыления, то МРС характеризуется максимальным

значением энергетической эффективности по сравнению со всеми другими видами

1.Подложкодержатель с нагревательной ситемой

2.Подложка

3.Мишень

4.Система вращающихся магнитов

5.Система водяного охлаждения

6.Заслонка

Рис.17 Схема магнетронной распылительной системы

К недостаткам МРС относятся.

сравнительно невысокий коэффициент использования материала мишени (около 25% для плоской мишени) и необходимость для его увеличения усложнения формы мишени или конструкции магнитной системы;

сравнительно невысокая однородность осаждаемой пленки по толщине на неподвижную подложку за счет распыления материала из узкой зоны эрозии мишени, имеющей форму кольца или эллипса в виде V - образной канавки; повышение равномерности пленки требует или возвратно-поступательного движения, или сложного перемещение магнитной системы;

наличие потока высокоэнергетических электронов создающих основную тепловую нагрузку на подложку (до 60%), что требует изоляции подложкодержателя и установки перед ним дополнительного анода;

наличие потока отраженных нейтрализованных ионов аргона с энергией в несколько сот электронвольт, требующее их термализации (уменьшения их энергии до тепловой ), когда осаждение пленок производится на тонкие радиационно-чувствительные слои, что обычно достигается выбором давления и расстояния мишень - подложка;

сравнительно высокое давление рабочего газа (аргона) (0,3 - 1,5 Па) требующее его эффектной очистки для устранения загрязнения пленок.

Магнитная система в МРС может быть выполнена как на базе постоянных магнитов, так и электромагнитов. Первая является более компактной, специализированной и стабильной и используется в промышленном оборудовании. Вторая - более универсальной, но громоздкой и применяется в основном, в лабораторном оборудовании. Для увеличении равномерности при нанесении пленок на рельефную поверхность в МРС между мишенью и подложкой может устанавливаться коллиматор, который уменьшает разброс углов распыленных частиц, прибывающих на поверхность подложки.

7. Теоретические аспекты химического осаждения из газовой фазы

Осаждение из газовой фазы можно определить как конденсацию газообразных (парообразных) элементов или соединений с образованием твердых осадков. В отличии от физического осаждения из газовой фазы (PVD) при химическом осаждении из газовой фазы (CVD – Chemical Vapor Deposition) ее состав и состав пленки могут существенно различаться, так как пленка образуется в результате химических реакций, протекающих и газовой фазе у поверхности подложки, на поверхности подложки или в поверхностном слое подложки.

Процессы химического осаждения из газовой фазы относятся к процессам молекулярного формирования, т.е. твердые осадки в виде порошков или пленок получаются путем контролируемого осаждения вещества в виде отдельных атомов и молекул.

При химическом осаждении из газовой фазы осадок образуется в виде порошка, если химическая реакция его образования протекает только в газовой фазе, и в виде пленочного покрытия, если реакция происходит как в газовой фазе, так и на поверхности подложки. Естественно, что для получения функциональных слоев микросхем пригодна только вторая группа процессов химического осаждения из газовой фазы.

Таким образом, слои материалов образуются при химическом осаждении из газовой фазы в результате сложных многомаршрутных и многостадийных химических реакций на границе раздела газ (пар, газоразрядная плазма) - твердое тело (подложка, пластина с покрываемым функциональным слоем), протекание которых определяется как процессами в газовой фазе, так и превращениями на поверхности в процессе роста слоя.

Например, результирующая гетерогенная реакция химического осаждения из газовой фазы слоя нитрида кремния из силана и аммиака

включает в себя последовательность реакций чисто газофазных

иреакций на поверхности

NH3 N(адс) + 3/2H2 ,

где индекс (адс) обозначает частицы в адсорбированном состоянии. Обобщенная кинетическая схема образования слоя материала при его химическом осаждении из газовой фазы на поверхность подложки приведена на рис.18.

29

Необходимым условием осуществления химического осаждения из газовой фазы требуемого соединения (материала) на поверхность подложки (микроэлектроникой структуры) является образование в результате химической реакции этого соединения в стабильной при температуре и давлении процесса форме. В механизме химического осаждения из газовой фазы можно выделить следующие основные стадии:

доставка исходных реагентов в зону осаждения (в газовую фазу у поверхности подложки);

превращение исходных реагентов в промежуточные продукты в зоне осаждения;

доставка исходных реагентов и промежуточных продуктов к поверхности нагретой подложки;

адсорбция реагентов и промежуточных продуктов на поверхности подложки;

реакция с участием реагентов и промежуточных продуктов на поверхности с образованием слоя материала и побочных конечных продуктов в виде газов;

десорбция газообразных конечных продуктов и непрореагировавших реагентов с поверхности;

отвод продуктов реакций из зоны осаждения.

Скорость гетерогенных многостадийных процессов определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии. Следовательно, для нахождения закономерностей и технологических характеристик процесса химического осаждения из газовой фазы материала необходимо выявить из его механизма лимитирующую стадию и определить, как влияют на нее операционные параметры и параметры уровня. При этом следует учитывать возможные зависимости вероятностей и скоростей отдельных стадий от состояния поверхности подложки (степени и вида легирования, загрязнения, ориентации и т.д.). В общем виде лимитирующими стадиями химических реакций процессов химического осаждения из газовой фазы могут быть гетерогенная стадия и гомогенная реакция образования промежуточного продукта.

Процессы химического осаждения из газовой фазы классифицируются по виду активации химической реакции на:

процессы химического осаждения из газовой фазы с термической активацией (thermal CVD processes);

термические процессы химического осаждения из газовой фазы с дополнительной плазменной активацией (plasma enhanced CVD – PE CVD);

термические процессы химического осаждения из газовой фазы с дополнительной активацией озоном (ozone CVD processes);

по давлению газовой фазы они классифицируются на:

процессы химического осаждения из газовой фазы при атмосферном давлении

(atmospheric pressure CVD – AP CVD);

процессы химического осаждения из газовой фазы при субатмосфериом (50-700 Торр)

давлении (sub - atmospheric СVD);

процессы химического осаждения из газовой фазы при пониженном (1-20 Торр)

давлении (low pressure CVD – LP CVD);

процессы химического осаждения из газовой фазы из силана (sylane CVD);

процессы химического осаждения из газовой фазы из металлоорганических соединений (metal organic CVD);

процессы химического осаждения из газовой фазы из тетраэтоксисилана

(tetraethyloxysylane (TEOS CVD);

по виду осаждаемого материала на:

процессы химического осаждения из газовой фазы металлов (metal CVD);

30

процессы химического осаждения из газовой фазы полупроводников (semiconductor CVD);

процессы химического осаждения из газовой фазы диэлектриков (dielectric CVD).

Разработанная в последние годы и реализуемая одновременно в одной камере комбинация процессов химического осаждения из газовой фазы при пониженном давлении и ионного распыления в плазме аргона получила название химического осаждения из газовой фазы в плазме высокой плотности (high density plasma CVD). Схема установки CVD показана на рис.19.

Процессы химического осаждения из газовой фазы могут быть использованы для получения пленок очень многих материалов, в том числе и тех, которые применяются в качестве функциональных слоев кремниевых микросхем, а именно:

поликремния (легированного и не легированного);

диоксида кремния;

боросиликатного стекла (BSG), фосфорносиликатного стекла (PSG), боро - фосфорноcиликатного стекла (BPSG);

нитрида и оксинитрида кремния;

эпитаксиального кремния;

вольфрама и силицида вольфрама;

алюминия.

Основные процессы и типичные реакции химического осаждения из газовой фазы этих функциональных слоев приведены в табл. 4.