Конспект лекций по курсу «Методы получения тонких пленок из газовой фазы в технологии микро - и наноэлектроники и МСТ» (стр. 1 )

Конспект лекций

по курсу «Методы получения тонких пленок из газовой фазы в технологии микро - и наноэлектроники и МСТ»

»

Содержание

Раздел 1. Использование методов физического осаждения из газовой фазы для создания наноразмерных структур. Лекция 1. Методы осаждения функциональных слоев ИС. Характеристики структуры до и после операции осаждения функционального слоя. Технологические характеристики процессов осаждения функциональных слоев ИМС Раздел 2. Формирование функциональных слоев СБИС, МСТ методами химического осаждения из газовой фазы. Лекция 1. Классификация процессов ХОГФ функциональных слоев ИМС. ПА ХОГФ и атомно-слоевого осаждения. Маршруты протекания процессов ХОГФ. Процессы ХОГФ лимитируемые равновесием, диффузией и кинетикой. Критерий Тилле.

стр.3 стр.3 стр.11 стр.11

Раздел 1. Использование методов физического осаждения из газовой фазы для создания наноразмерных структур.

Лекция 1.

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 ИС, то брак особенно экономически ощутим и, естественно, должен быть сведен до минимума.

Таким образом, от совершенства технологических процессов получения 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. Процессы ХОГФ иногда называют реактивным осаждением из газовой (парогазовой или паровой) фазы.

ХОГФ - универсальный и энергетически экономичный (относительно ФОГФ) метод атомно-молекулярного формирования покрытий путем контролируемого осаждения вещества в виде отдельных атомов или молекул в целях получения пленок с требуемыми свойствами (заданной плотности, толщины, ориентации, состава и т. д.). При ХОГФ материал осаждается в виде порошка, если химическая реакция образования его частиц в твердом состоянии протекает только в газовой фазе, и в виде пленочного покрытия, если реакция образования твердых частиц материала происходит на поверхности подложки. Очевидно, что для получения функциональных слоев ИМС пригодна только вторая группа процессов химического осаждения из газовой фазы.

2. Характеристики структуры до и после операции осаждения функционального слоя

На операцию осаждения функционального слоя (ФС) в общем случае поступает структура со сформированным в подслое или подложке топологическим рисунком (гладкие подслой или подложка являются частными случаями), которая имеет следующие исходные характеристики (рис. 1, а).

1.  Материал подложки или подслоя или материалы подслоев.

Рисунок 1. Вид структуры до операции ПА ХОГФ функционального слоя а) после б), в): б) - тонкого адгезионного, барьерного или зародышевого слоя; в) - толстого планаризирующего слоя: 1 - подложка; 2 - планарный подслой; 3 - рельефный подслой; 4 - пустота; с - период между ступеньками (канавками) в регулярной структуре; а, b – ширина, соответственно, ступенек и канавок в регулярной структуре; h0 - начальная высота ступенек или глубина канавок; hg - конечная высота ступенек или глубина канавок на глобальном рельефе; h1 - конечная высота ступенек или глубина канавок на локальном рельефе.

2.  Площади материалов подслоев на пластине.

3.  Параметры рельефа подслоя (подложки), включающие:

- наименьший период регулярных структур: ступенек, канавок, отверстий (параметр «с» на рис. 1, а);

- ширину (диаметр) и высоту (глубину) элементов регулярных структур (ступенек, канавок, отверстий) с наименьшим периодом (параметры «а», «b», «h0» на рис. 1, а);

- ширину (диаметр) и высоту (глубину) наиболее узких и наиболее высоких (глубоких) одиночно расположенных ступенек, канавок, отверстий.

Отношение глубины канавки к ее ширине, глубины отверстия к его диаметру и высоты ступеньки к ее ширине называется аспектным отношением и служит важной характеристикой рельефа с точки зрения его покрытия или планаризации осаждаемыми пленками. С операции осаждения могут выходить структуры трех видов.

Структуры с тонкими (1,0 - 100 нм) и толстыми (500 - 1500 нм) пленками, осажденными на гладкую поверхность подложки, используемые в качестве приборных, адгезионных, стопорных, защитных, маскирующих и антиотражающих функциональных слоев.

Структуры с тонкими пленками, осажденными на рельефную поверхность подложки, используемые в качестве зародышеобразующих, смачивающих, адгезионных и барьерных ФС.

3. Структуры с толстыми пленками, осажденными на рельефную поверхность подложки, используемые в качестве заполняющих и планаризующих рельеф ФС изоляции и межслойной металлизации.

Структуры первого вида, выходящие с операции ПА ХОГФ, имеют следующие характеристики.

1.1.  Средняя толщина ФС на подложке:

(1)

где dфс max, dфс min - соответственно максимальная и минимальная толщины ФС на подложке (пластине).

1.2.  Неравномерность толщины ФС на подложке, %.

(2)

1.3. Состав ФС, характеризуемый отношением компонентов в химической формуле материала, например для слоя Si3N4 отношение Si:N = 3 : 4.

1.4. Структура материала ФС, характеризуемая типом решетки для монокристаллических пленок, размером и ориентацией зерен (кристаллитов) для поликристаллических пленок и отсутствием упорядочности для аморфных пленок.

1.5. Плотность материала ФС σ, г/см3. Состав, структура и плотность ФС часто оцениваются по скорости жидкостного химического травления материала ФС Vеt, нм/мин, в стандартных травителях и при стандартных условиях р0 = 101325 Па и Т0 = 298,16 К и по усадочной деформации толщины пленки δhS, %, при высокотемпературном отжиге с заданной температурой (обычно 1000°С) за определенное время.

1.6. Коэффициент преломления материала ФС п, б/р.

1.7. Отражательная способность материала ФС (обычно относительно монокремния на длине волны света экспонирующей системы фотолитографии) R, %.

1.8. Диэлектрическая постоянная ε, б/р, и диэлектрическая прочность Е, В/см, для диэлектрических ФС.

1.9. Поверхностное сопротивление ρS, Ом/кв, и объемное удельное сопротивление ρ, Ом×см, для проводящих ФС.

1.10. Механические напряжения сжимающие и растягиваюшие в ФС Sc и St соответственно, дин/см2.

1.11. Коэффициент термического расширения материала ФС kth, К-1.

1.12. Адгезия материала ФС к материалу подложки (к материалам подслоев), характеризуемая силой адгезионного сцепления на единицу площади Fad, дин/см2.

Структуры второго вида, кроме указанных характеристик, или их части характеризуются также степенью покрытия рельефа, к которой относятся:

2.1. Степень конформности покрытия ступеньки (топологического рельефа) αс, %:

(3)

где и z - и наиболее тонкого участка осаждаемой пленки на боковой стороне ступеньки (рис. 1, б).

2.2. Степень покрытия боковой стенки ступеньки αw, %:

(4)

где s - толщина наиболее толстого участка осаждаемой пленки на боковой стороне ступеньки (рис. 1, б).

2.3. Степень покрытия дна ступеньки αь , %:

(5)