10.5. Методы осаждения металлов

Исторически методы осаждения металлов разрабатывались в следующем порядке:

1) испарение с использованием резистивного нагрева;

2) электронно - лучевое испарение;

3) физическое распыление при бомбардировке ионами;

4) магнетронное распыление;

5) химическое осаждение из газовой фазы.

Испарение с использованием резистивного нагрева. Нить или несколько нитей из тугоплавкого металла заполняются кусочками проволоки из Al или другого металла с невысокой температурой плавления. При пропускании электрического тока определенной величины металл нагревается до температуры плавления и начинает испаряться.

Этот метод прост и дешев, при его использовании отсутствует ионизирующее излучение. К недостаткам следует отнести низкий срок службы испарителей, малую величину загрузки, невозможность получать пленки на основе сплавов, если не применять метод взрывного испарения.

При взрывном испарении на нагретую поверхность небольшими порциями падает сплав. Происходит быстрый нагрев дозированной гранулы, и все компоненты сплава переносятся на подложку. Основной недостаток резистивного нагрева – неравномерность процесса. Расплавленный металл нагревается на границе с испарителем. Перенос энергии сопровождается конвекцией с образованием неоднородностей и брызг. Управление процессом затруднено.

Электронно-лучевое испарение. Вакуумная электронная пушка испускает поток электронов с энергией около 10 кэВ и величиной тока 1 А. Магнитная отклоняющая система поворачивает поток электронов на угол не менее 90, чтобы примеси, испаряющиеся с катода, не попадали на пластины. Поток электронов фокусируется на поверхности испаряемого металла в тигле. Равномерность нагрева металла обеспечивается сканированием электронного луча по поверхности. Так как нагрев происходит с поверхности, то испарение металла идет без конвекции в расплаве. Процесс хорошо контролируется. Испарение из двух источников позволяет получать пленки сплавов. Недостаток процесса – сопутствующее рентгеновское излучение, создающее дефекты в полупроводнике и увеличивающее плотность электронных состояний на границе кремния с окислом.

Ионное распыление. Процесс ионного распыления широко применяется в производстве микросхем. Pt, Co, Mo, Ni, W легко могут быть распылены с использованием разряда постоянного тока или высокочастотного разряда в диодной системе. Распыление является физическим процессом, представляющим бомбардировку мишени или катода ускоренными ионами (обычно Ar⁺). За счет передачи импульса ионов приповерхностные атомы материала мишени испаряются в виде пара и оседают на подложки, на которых происходит рост пленки. Недостаток метода – облучение пластин электронами и ионами.

Магнетронное распыление. При магнетронном распылении мишени магнитное поле обеспечивается постоянными магнитами и направлено перпендикулярно силовым линиям электрического поля около катода. Напряжение магнетронных источников значительно меньше напряжения электронно-лучевого источника, поэтому магнетрон генерирует проникающее излучение с меньшей энергией. При использовании планетарных держателей подложек существенно повышается производительность процесса.

Химическое осаждение из газовой фазы. Существенными преимуществами химического осаждения из парогазовых смесей (ПГС) являются изотропность осаждения, то есть хорошее воспроизведение рельефа поверхности, возможность нанесения пленки на большое количество подложек одновременно и относительно простое оборудование. В отличие от физического осаждения, в котором сильно проявляется теневой эффект, химическое осаждение из ПГС обеспечивает хорошее покрытие ступеней поверхности.

Наиболее часто метод осаждения из ПГС используется для осаждения пленок вольфрама. Выбор вольфрама объясняется тем, что он обладает низким удельным сопротивлением (5,3 мкОмсм) и является тугоплавким металлом. Процесс получения вольфрамовых пленок основан на использовании реакции пиролиза и восстановления. Например,

WF₆ + тепловая энергия  W + 3F₂ , (10.3)

WF₆ + 3H₂  W + 6HF (10.4)

или

WF₆ + 3H₂+ энергия плазмы или оптическая энергия  W + 6HF . (10.5)

В зависимости от типа реактора процесс проходит в температурном диапазоне 60 - 800С. Использование WF₆ может привести к уменьшению во время осаждения толщины окисла кремния за счет травления в HF. Там, где гексафторид вольфрама неприемлем, может применяться WCl₆, хотя температура процесса при этом выше.

Кроме W, методом химического осаждения из ПГС могут быть получены пленки Mo, Ta, Ti и Al. Осаждение тугоплавких металлов может быть предварительной стадией при формировании пленок силицидов (например, TiSi₂ на поликристаллическом кремнии).