6.8. Нанесение тонких пленок

Тонкие пленки не только являются основой тонкопленоч­ных ГИС, но широко используются и в полупроводниковых ин­тегральных схемах. Поэтому методы получения тонких пленок относятся к общим вопросам технологии микроэлектроники.

Существуют три основных метода нанесения тонких пленок на подложку и друг на друга: термическое (вакуумное) папы ление, ионно-плазменное напыление и электрохимическое осаждение. Ионно-плазменное напыление имеет две разновид­ности: катодное напыление и собственно ионно-плазменное.

Рис. 6.15. Схема установки тер­мического напыления

Термическое (вакуумное) напыление. Схема этого метода показана на рис. 6.15. Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2. Между ними находится про­кладка 3, обеспечивающая поддержание вакуума после откач­ки подколпачного пространства. Подложка 4, на которую про­водится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкает нагреватель в (напы­ление проводится на нагретую подложку). Испаритель 7 вклю­чает в себя нагреватель и источ­ник напыляемого вещества. По­воротная заслонка 8 перекрывает поток паров от испарителя к под­ложке: напыление длится в тече­ние времени, когда заслонка от­крыта.

Нагреватель обычно представ­ляет собой нить или спираль из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден и др.), через которую пропускается достаточно боль­шой ток. Источник напыляемого вещества связывается с нагре­вателем по-разному: в виде скобок («гусариков»), навешивае­мых на нить накала; в виде небольших стержней, охватывае­мых спиралью, в виде порошка, засыпанного в тигель, нагреваемый спиралью, и т.п. Вместо нитей накала в последнее время используют нагрев с помощью электронного луча или луча лазера.

7- 3423

На подложке создаются наиболее благоприятные условия для конденсации паров, хотя частично конденсация происхо­дит и на стенках колпака. Слишком низкая температура под­ложки препятствует равномерному распределению адсорбируе­мых атомов: они группируются в «островки» разной толщины, часто не связанные друг с другом. Наоборот, слишком высокая температура подложки приводит к отрыву только что осевших атомов, к их «реиспарению». Поэтому для получения качест­венной пленки температура подложки должна лежать в некото­рых оптимальных пределах (обычно 200-400 °С). Скорость рос­та пленок в зависимости от ряда факторов (температура нагре­вателя, температура подложки, расстояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит в преде­лах от десятых долей до десятков нанометров в секунду.

Прочность связи — сцепления пленки с подложкой или дру­гой пленкой — называется адгезией. Некоторые распространен­ные материалы (например, золото) имеют плохую адгезию с ти­пичными подложками, в том числе с кремнием. В таких случа­ях на подложку сначала наносят так называемый подслой, характерный хорошей адгезией, а затем на него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хоро­шая. Например, для золота подслоем могут быть никель или титан.

Для того чтобы атомы газа, летящие от испарителя к под­ложке, испытывали минимальное количество столкновений с атомами остаточного газа и тем самым минимальное рассеяние, в подколпачном пространстве нужно обеспечивать достаточно высокий вакуум. Критерием необходимого вакуума может слу­жить условие, чтобы средняя длина свободного пробега атомов в несколько раз превышала расстояние между испарителем и подложкой. Однако этого условия часто недостаточно, так как любое количество остаточного газа чревато загрязнением напы­ляемой пленки и изменением ее свойств. Поэтому в принципе вакуум в установках термического напыления должен быть как можно более высоким. В настоящее время вакуум ниже 10~⁶ мм рт. ст. считается неприемлемым, а в ряде первоклас­сных напылительных установок он доведен до 10~^п мм рт. ст.

Главными достоинствами рассмотренного метода являются его простота и возможность получения исключительно чистых пленок (при высоком вакууме). Однако у него есть и серьезные

недостатки: трудность напыления тугоплавких материалов и трудность (а иногда невозможность) воспроизведения на под­ложке химического состава испаряемого вещества. Последнее объясняется тем, что при высокой температуре химические со­единения диссоциируют, а их составляющие конденсируются на подложке раздельно. Естественно, имеется вероятность того, что новая комбинация атомов на подложке не будет соответст­вовать структуре исходной молекулы.

Катодное напыление. Схема этого метода показана на рис. 6.16. Здесь большинство компонентов те же, что и на рис. 6.15. Однако отсутствует испа­ритель: его место по расположению (и по функции) занимает катод 6, ко­торый либо состоит из напыляемого вещества, либо электрически кон­тактирует с ним. Роль анода выпол­няет подложка вместе с держателем.

Подколпачное пространство сна­чала откачивают до 10"⁵-10~⁶ мм рт. ст., а затем в него через штуцер 8 вводят некоторое количество очи­щенного нейтрального газа (чаще всего аргона), так что создается дав­ление Ю^-1—Ю^-2 мм рт. ст. При пода­че высокого (2-3 кВ) напряжения на катод (анод заземлен из соображений электробезопасности) в пространстве анод-катод возникает ано­мальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием квазинейтральной электронно-ионной плазмы.

Рис. 6.16. Схема установки катодного напыления

Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в прикатодном пространстве образуется настолько сильное электрическое поле, что положительные ионы газа, ускоряе­мые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него не только электроны (необходимые для поддержания разряда), но и нейтральные атомы. Тем самым катод постепенно разрушает­ся. В обычных газоразрядных приборах разрушение катода не­допустимо (поэтому в них используется нормальный тлеющий разряд), но в данном случае выбивание атомов из катода явля­ется полезным процессом, аналогичным испарению.

Важным преимуществом катодного напыления по сравне­нию с термическим является то, что распыление катода не свя­зано с высокой температурой. Соответственно отпадают трудно­сти при напылении тугоплавких материалов и химических сое­динений (см. последний абзац предыдущего раздела).

Однако в данном методе катод (т.е. напыляемый материал), будучи элементом газоразрядной цепи, должен обладать высо­кой электропроводностью. Такое требование ограничивает ас­сортимент напыляемых материалов. В частности, оказывается невозможным напыление диэлектриков, в том числе многих окислов и других химических соединений, распространенных в технологии полупроводниковых приборов.

Это ограничение в значительной мере устраняется при исполь­зовании так называемого реактивного (или химического) катод­ного напыления, особенность которого состоит в добавлении к основной массе инертного газа небольшого количества актив­ных газов, способных образовывать необходимые химические соединения с распыляемым материалом катода. Например, примешивая к аргону кислород, можно вырастить на подложке пленку окисла. Примешивая азот или моноокись углерода, можно получить нитриды или карбиды соответствующих ме­таллов. В зависимости от парциального давления активного газа химическая реакция может происходить либо на катоде (и тогда на подложке осаждается уже готовое соединение), либо на подложке-аноде.

Недостатками катодного напыления в целом являются неко­торая загрязненность пленок (из-за использования сравнитель­но низкого вакуума), меньшая по сравнению с термическим ме­тодом скорость напыления (по той же причине), а также слож­ность контроля процессов.

Ионно-плазменное напыление. Схема этого метода показана на рис. 6.17. Главная его особенность по сравнению с методом катодного напыления состоит в том, что в промежутке между электродом 9 — мишенью (с нанесенным не нее напыляемым материалом) и подложкой 4 действует независимый, «дежур­ный» газовый разряд. Разряд имеет место между электродами 6 и 7, причем тип разряда — несамостоятельный дуговой. Для этого типа разряда характерны: наличие специального источ­ника электронов в виде накаливаемого катода (6), низкие рабо­чие напряжения (десятки вольт) и большая плотность элект­

ронно-ионной плазмы. Под- колпачное пространство, как и при катодном напылении, за­полнено нейтральным газом, но при более низком давлении (1(Г³-10-⁴ мм рт. ст.).

Процесс напыления состоит в следующем. На мишень от­носительно плазмы (практиче­ски — относительно заземлен­ного анода 7) подается отрица­тельный потенциал (2-3 кВ), достаточный для возникнове­ния аномального тлеющего разряда и интенсивной бом­бардировки мишени положительными ионами плазмы. Выби­ваемые атомы мишени попадают на подложку и осаждаются на ней. Таким образом, принципиальных различий между процес­сами катодного и ионно-плазменного напыления нет. Различа­ются лишь конструкции установок: их называют соответствен­но двух- и трехэлектродными.

Начало и конец процесса напыления определяются подачей и отключением напряжения на мишени. Если предусмотреть механическую заслонку (см. рис. 6.15), то ее наличие позволя­ет реализовать важную дополнительную возможность: если до начала напыления закрыть заслонку и подать потенциал на мишень, то будет иметь место ионная очистка мишени (см. раз­дел 6.6). Такая очистка полезна для повышения качества напы­ляемой пленки. Аналогичную очистку можно проводить на подложке, подавая на нее (до напыления пленки) отрицатель­ный потенциал.

Рис. 6.17. Схема установки ионно-плазменного напыления

При напылении диэлектрических пленок возникает затруд­нение, связанное с накоплением на мишени положительного заряда, препятствующего дальнейшей ионной бомбардировке. Это затруднение преодолевается путем использования так на­зываемого высокочастотного ионно-плазменного напыления. В этом случае на мишень наряду с постоянным отрицательным напряжением подается переменное напряжение высокой часто­ты (около 15 МГц) с амплитудой, несколько превышающей по­стоянное напряжение. Тогда во время большей части периода

результирующее напряжение отрицательно; при этом происхо­дит обычный процесс распыления мишени и на ней накапли­вается положительный заряд. Однако во время небольшой час­ти периода результирующее напряжение положительно; при этом мишень бомбардируется электронами из плазмы, т.е. рас­пыления не происходит, но зато компенсируется накопленный положительный заряд⁴.

Вариант реактивного (химического) ионно-плазменного на­пыления открывает те же возможности получения окислов, ни­тридов и других соединений, что и реактивное катодное напы­ление (см. предыдущий раздел).

Преимущества собственно ионно-плазменного метода по сравнению с катодным состоят в большей скорости 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 химического ионно-плаз- менного напыления называют анодированием. Этот процесс со­стоит в окислении поверхности металлической пленки (находя­щейся под положительным потенциалом) отрицательными ионами кислорода, поступающими из плазмы газового разряда. Для этого к инертному газу (как и при чисто химическом на­пылении) следует добавить кислород. Таким образом, анодиро­вание осуществляется не нейтральными атомами, а ионами.

Химическое напыление и анодирование, вообще говоря, про­ходят совместно, так как в газоразрядной плазме (если она со­держит кислород) сосуществуют нейтральные атомы и ионы кислорода. Для того чтобы анодирование превалировало над чисто химическим напылением, подложку располагают «ли­цом» (т.е. металлической пленкой) в сторону, противоположную катоду, с тем чтобы на нее не попадали нейтральные атомы.

По мере нарастания окисного слоя ток в анодной цепи пада­ет, так как окисел является диэлектриком. Для поддержания тока нужно повышать питающее напряжение. Поскольку часть этого напряжения падает на пленке, процесс анодирования протекает в условиях большой напряженности поля в окисной пленке. В результате и в дальнейшем, при эксплуатации, она обладает повышенной электрической прочностью.

К числу других преимуществ анодирования относятся большая скорость окисления (поскольку поле в пленке окисла ускоряет взаимные перемещения атомов металла и кислорода) и возможность управления процессом путем изменения тока в цепи разряда. Качество окисных пленок, получаемых методом анодирования, выше, чем при использовании других методов.

Электрохимическое осаждение. Этот метод получения пленок отличается от предыдущих тем, что рабочей средой является жидкость. Однако характер процессов сходен с ионно-плазмен- ным напылением, по скольку и плазма, и электролит представ­ляют собой квазинейтральную смесь ионов и неионизированных молекул или атомов. А главное, осаждение происходит так же постепенно (послойно), как и напыление, т.е. обеспечивает воз­можность получения тонких пленок.

Электрохимическое осаждение исторически развилось зна­чительно раньше всех других рассмотренных методов — еще в XIX веке. Уже десятки лет назад оно широко использовалось в машиностроении для разного рода тонких гальванических по­крытий (никелирование, хромирование и т.п.). В микроэлект­ронике электрохимическое осаждение не является альтернати­вой термическому и ионно-плазменному напылению; оно до­полняет их и сочетается с ними.

В основе электрохимического осаждения лежит электролиз раствора, содержащего ионы необходимых примесей. Напри­мер, если требуется осадить медь, используется раствор медно­го купороса, а если золото или никель — растворы соответству­ющих солей.

Ионы металлов имеют в растворе положительный заряд. По­этому, чтобы осадить металлическую пленку, подложку следу­ет использовать как катод. Если подложка является диэлектри­ком или имеет низкую проводимость, на нее предварительно наносят тонкий металлический подслой, который и служит ка­тодом. Подслой можно нанести методом термического или ион­но-плазменного напыления.

Чтобы осуществить электрохимическое анодирование, окис­ляемую пленку металла следует использовать как анод, а элек­тролит должен содержать ионы кислорода. Большое преимущество электрохимического осаждения пе­ред напылением состоит в гораздо большей скорости процесса, которая к тому же легко регулируется изменением тока. Поэто­му основная область применения электролиза в микроэлектро­нике — это получение сравнительно толстых пленок (10-20 мкм и более). Качество (структура) таких пленок хуже, чем при напылении, но для ряда применений они оказываются вполне приемлемыми.