Лабораторная работа № 4 Изучение технологических операций плазменного травления и получения тонких пленок методами термовакуумного испарения и плазменного осаждения из газовой фазы при изготовлении изделий микроэлектроники (стр. 1 )

Лабораторная работа № 4

Изучение технологических операций плазменного травления и получения тонких пленок методами термовакуумного испарения и плазменного осаждения из газовой фазы при изготовлении изделий микроэлектроники

Цель работы:

- изучение технологических операций плазменного травления и получения тонких пленок методами термовакуумного испарения и плазменного осаждения из газовой фазы;

- получение практических навыков работы на оборудовании плазменного травления («Corial 200L»), плазмостимулированного ХОГФ («Corial d250») и термовакуумного испарения «KurtJ. Lesker Lab18»;

- исследование влияния операционных параметров процессов плазменного травления диэлектрических пленок, плазменного осаждения диэлектрических пленок и металлических пленок на их технологические характеристики.

Продолжительность работы - 4 ч.

Теоретическая часть:

1. Методы осаждения функциональных слоев ИС

При изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных схем, а также фотошаблонов широко применяются процессы получения различных функциональных слоев (ФС).

Получение высококачественных и воспроизводимых по электрофизическим параметрам ФС являются одними из важнейших технологических требований, предъявляемых к процессам формирования структур. Поскольку ряд ФС наносятся также при заключительных технологических операциях изготовления полупроводниковых приборов, то брак особенно экономически ощутим и, естественно, должен быть сведен до минимума.

Таким образом, от совершенства технологических процессов осаждения пленок функциональных слоев в значительной степени зависят надежность и качество изделий микроэлектроники, технический уровень и экономические показатели их производства.

Технология осаждения пленок базируется на сложных физикохимических процессах и применении различных материалов (металлов, полупроводников и диэлектриков).

Существует множество методов получения пленок ФС:

- физическое осаждение или конденсация из газовой фазы на холодные подложки (термовакуумное испарение, катодное распыление);

- химическое осаждение из газовой фазы (пиролиз, реактивное распыление);

- электролитическое или гальваническое осаждение из растворов солей металлов (нанесение гальванических покрытий, химическое меднение);

- анодное или термическое окисление поверхности;

- трафаретная печать, окунание.

Однако рассмотрим лишь те методы, которые играют важную роль в технологии изготовления микросхем, а именно методы физического и химического осаждение из газовой фазы (ФОГФ и ХОГФ).

Осаждение из газовой фазы можно определить как конденсацию газообразных (парообразных) элементов или соединений с образованием твердых осадков. Газовая фаза может иметь тот же состав, что и осадок. Это обычный случай физического осаждения из газовой фазы (ФОГФ), при котором покрытия получаются только за счет конденсации вещества. К ФОГФ относятся процессы термического вакуумного испарения и ионного распыления материалов.

При химическом осаждении из газовой фазы (ХОГФ) состав газовый фазы и состав осадка существенно различаются. Летучее соединение осаждаемого элемента подается к подложке, где подвергается термическому разложению (пиролизу) или вступает в восстановительные химические реакции с другими газами (или парами); при этом нелетучие продукты реакций осаждаются на поверхность подложки. Осадки образуются в результате большого количества химических реакций, протекающих в газовой фазе вблизи от поверхности подложки и на самой поверхности подложки, что в значительной мере усложняет процесс осаждения, но делает его гораздо более универсальным и гибким.

К технологическим характеристикам процессов осаждения относятся следующие:

1. Средняя скорость осаждения функционального слоя (ФС):

где Vd(max) = dФС(max)/td и Vd(min) = dФС(min)/td - соответственно максимальная и минимальная скорости осаждения функционального слоя на подложке (пластине); dФС(max) и dФС(min) - соответственно максимальная и минимальная толщины функционального слоя на подложке, образующиеся за время осаждения td.

2. Неравномерность скорости осаждения по подложке (пластине), %

3. Селективность осаждения ФС на разные материалы подслоев на поверхности пластины (подложки):

где Vd(n1) и Vd(n2) - соответственно скорости осаждения функционального слоя на материалы подслоев n1 и n2. При Sd( ) = 0 функциональный слой в процессе осаждения осаждается только на подслой n2. Следует отметить, что селективности осаждения пленки могут зависеть от соотношения площадей подслоев на поверхности пластины. Кроме того, при одинаковых скоростях осаждения функционального слоя на поверхности обоих подслоев (Sd( ) = 1) может наблюдаться изменение в структуре пленок, осаждаемых на разные подслои.

4. Анизотропия (показатель анизотропии) осаждения функционального слоя на рельефную поверхность пластины:

где Vd(//) и Vd( ) - соответственно скорости осаждения функционального слоя в направлениях параллельном и перпендикулярном поверхности пластины. При Аd = 1 процесс осаждения обеспечивает конформное осаждение пленок на рельефную поверхность (). При Ad » 1 процесс осаждения плохо покрывает боковые поверхности рельефа (ступенек, канавок).

1.1. Стимулированное плазмой химическое осаждение из газовой фазы

Плазма тлеющего разряда в химически активных газах при низком давлении используется для создания целого ряда покрытий, применяемых в микроэлектронике. Основное преимущество стимулированных плазмой реакций состоит в том, что они происходят при температурах, значительно меньших, чем в случае термических реакций. В связи с этим появляется возможность осаждать или выращивать пленки на подложках, не обладающих необходимой для термических процессов стабильностью. Другими достоинствами активации плазмой термической реакции являются увеличение скорости осаждения и возможность получения пленок уникального состава.

Благодаря низкой температуре и высокой скорости процесса осаждения, а также обеспечению таких свойств, как адгезия, низкая плотность сквозных дефектов, хорошее перекрытие ступенек рельефа, приемлемые электрические характеристики, пленки, полученные стимулированным плазменным осаждением, хорошо подходят в качестве:

- пассивирующего слоя для металлов с низкой температурой плавления,

- планаризующих покрытий при нанесении в толстых слоях,

- диэлектрического разделительного слоя в системах с многоуровневой металлизацией,

- проводящих элементов СБИС (осаждение металлов и силицидов).

Качественное описание механизма образования пленок при стимулированном плазмой осаждении может быть сведено к трем основным стадиям: генерации в разряде радикалов и ионов, адсорбции радикалов и ионов на поверхности и перегруппировке поверхностных адатомов (адсорбированных или присоединенных атомов).

Поскольку распределение электронов в разряде не является максвелловским, то при столкновениях между электронами и молекулами газа может произойти ионизация последних или возбуждение молекул с образованием радикалов. Различные процессы неупругих соударений, происходящих в плазме тлеющего разряда низкого давления, приведены в таблице 1.1.

В условиях, характерных для разряда, используемого в процессах осаждения, энергия электронов сравнительно низка и скорость генерации радикалов намного превышает скорость образования ионов. Вследствие высокого коэффициента аккомодации радикалы легко адсорбируются на поверхности подложки, где подвергаются различным воздействиям электронной и ионной бомбардировке, перегруппировываются, взаимодействуют с другими адсорбированными частицами, образуя новые связи и, таким образом, обеспечивают формирование и рост пленки.

Таблица 1.1.

Процессы неупругих соударений, происходящих в плазме тлеющего разряда

низкого давления

Процесс	Образующиеся частицы
Возбуждение	е + А → А* +е
Диссоциация	е + А2 → 2А. +е
Ионизация	е + А → А+ +е
Присоединение или захват	е + А → А-
Ионизация с диссоциацией	е + А2 → А+ +А. +2е
Присоединение с диссоциацией	е + А2 → А - + А.
Рекомбинация с диссоциацией	е + А+2 → 2А.
Передача заряда	А+ + А → А +А+
Диссоциация Пеннинга	А*2 → 2А.
Ионизация Пеннинга	А* +В → А +В +е

Примечание: А и В могут быть атомом или молекулой; А2 – молекула; е – электрон.

Когда процесс зародышеобразования происходит и в газовой фазе (либо вследствие неправильного выбора параметров осаждения, либо из-за внесения примесей, действующих как центры образования зародышей), наблюдается нежелательное образование порошка, приводящего к увеличению дефектности растущей пленки.

Диффузия адсорбированного атома по поверхности к стабильному положению представляет важную стадию роста пленок, осаждаемых из газовой фазы. Одновременно с образованием пленки должна происходить и десорбция продуктов реакции с поверхности. Скорости десорбции и диффузии адатомов сильно зависят от температуры подложки, причем при большей температуре получаются пленки с меньшей концентрацией захваченных продуктов реакции, большей плотностью и более однородным составом. И то обстоятельство, что пленки, полученные стимулированным плазмой осаждением, не являются стехиометрическими, представляет наиболее существенное их отличие по сравнению с пленками, полученными обычным осаждением из газовой фазы при атмосферном давлении. Химические процессы на поверхности, в частности процессы десорбции, могут стимулироваться ионной бомбардировкой, и в значительно меньшей степени - электронной и фотонной бомбардировкой.