Формування діелектричних шарів при виробництві напівпровідникових ІМС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗМІСТ

Вступ

1Інтегральна мікросхема

2 Окислення

3 Методи нанесення тонких плівок

4 Діелектричні плівки та параметри їх якості

5 Технологічне устаткування для отримання діелектричних плівок

Висновки

Список використаної літератури

ВСТУП

Сучасна людина більшою мірою, ніж це здається на перший погляд, користується у своєму повсякденному житті - у побуті, професійній діяльності - досягненнями електроніки - лазерами, різнофункціональними сенсорами, пристроями, насиченими інтегральними мікросхемами, напівпровідниковими елементами тощо.

Створення, розвиток і широке впровадження в промисловість планарной технології кремнієвих ІМС значною мірою зобов'язане тому, що на поверхні кремнію можна сформувати діелектричну плівку, що володіє прекрасними маскуючими і пасивуючими властивостями. При цьому найбільш поширеним і якісним діелектриком був і залишається діоксид кремнію.

Використання окисленої поверхні кремнію як маска обумовлене хімічною інертністю діоксиду кремнію SiO2 по відношенню до багатьох реагентів. Досить сказати, що плівка SiO2 розтворима тільки в плавиковій кислоті і концентрованих розчинах лугів. Проте роль таких плівок не вичерпується застосуванням їх як маски при формуванні елементів ІМС і захисту цих елементів від впливу зовнішніх дій (домішок, вологи, випромінювання і т. п.). Діелектричні плівки служать також для електричної ізоляції окремих приладів і комутаційних (особливо багатошарових) провідників в ІМС. Нарешті, не менш важливе використання плівок SiO2 як діелектрик підзатвора в МДС-ІМС. Такі пристрої називають МОН (метал -- оксид -- напівпровідник) -ІМС.

1. Окислення

Окислення або оксидування - один із основних і відповідальних процесів, які використовуються при виготовленні інтегрованих мікросхем. Окислення застосовується для формування маскуючого шару при локальній обробці і пасивації поверхні готової мікросхеми.

Процес окислення поверхні напівпровідникових пластин можна проводити: за рахунок взаємодії кисню з матеріалом пластин, нарощуючи окисел в результаті реакцій піролітичного розкладу; анодного окислення у розчинах електроліту; окислення у тліючому розряді. Процес окислення, інтенсифікований нагрівом до високих температур, прийнято називати термічним окисленням. Кремній має високу спорідненість з киснем, і тому старанно очищена його поверхня вже при кімнатній температурі покривається шаром окислу, товщиною близько 10-15 ?.

Термічне окислення кремнію проводять при високих температурах в одній з таких атмосфер: сухого кисню; сухого кисню з додатком зволожених газів (кисню, азоту, аргону); сухої кисню і водяної пари при атмосферному чи підвищеному тиску; в суміші хлористого водню і кисню (HCI+O2).

Окислення в атмосфері сухого кисню проводиться при температурі кремнієвої пластини 1000-1200°С в установці, схем якої показана на рис. 1. Чим вища температура пластини, тим більша швидкість формування окисного шару. Наприклад, для формування окисного шару, товщиною 0,5 мкм при Т=1000°C треба біля 1800 хв, а при Т=1200°С лише 320 хвилин. Значно зменшується час окислення, якщо збільшувати тиск кисню в реакторі.



Рис. 1 - Схема установки для термічного окиснення кремнію

Після якісного очищення підготовлені пластини завантажують в кварцевий реактор установки, через який продувають сухий кисень. Процес окислення здійснюється за рахунок дифузії кисню в кремнієву пластину і хімічної взаємодії його з кремнієм за реакцією:

SiO2+O2 = SiO2 (1)

Недоліком цього процесу є великий час окислення. Щоб зменшити його, було запропоновано до сухого кисню додавати зволожуючі гази чи водяну пару.

Із застосуванням зволожуючих газів чи водяної нари значно зменшується час окислення, зокрема, щоб одержати плівку товщиною 0,5 мкм при Тпл=1200°С і при тиску водяної пари 105 Па, час окислення буде в межах 240-300 хв. Якщо збільшиш тиск водяної нари до 2,5·106 Па, навіть при Тпл=900°С плівку, товщиною 0,5 мкм, можна одержати за 10 хв. Збільшення тиску зволожуючого газу в реакторі дає можливість знизити температуру окислення до 800-900°С та значно зменшити час окислення (в десять і більше paзів), а значить зменшити кількість домішок в окислі, які знижують його якісні характеристики. Отже, застосування зволожуючих газів чи парів води значно скорочує час окислення (рис. 2).



Рис. 2 - Залежність товщини оксиду кремнію від часу та температури при окисленні в парах води (а) і в сухому кисні (б)

В установках для термічного окислення передбачається підґєднання до газової магістралі зволожувача, наповненого парами деіонізованої води. У випадку застосування зволожених газів (кисню, азоту, аргону), їх необхідно пропускати через зволожувач. При використанні для окислення пари треба, щоб вода не конденсувалася на стінках реактора.

Процес термічного окислення можна сумістити з другою стадією дифузії, яка вимагає високої температури для "розгону" домішки.

Тривалість окислення можна істотно зменшити, поліпшивши при цьому діелектричні властивості окислу, за рахунок використання суміші HCl+O2. Такий процес при окисленні називають хлоруванням. Швидкість окислення при хлоруванні збільшується за рахунок наявності хлору в технологічному середовищі окислювача, що приводить до створення напруги в гратці окисного шару і полегшує дифузію кисню в глибину пластини. Окислення в атмосфері НС1+О2 проводять при температурах 900-1100°С.

Всі методи термічного окислення дають можливість отримати тонкі окисні шари (долі мікрона) з добрими захисними діелектричними властивостями.

Піроліз силанів використовують для отримання товстих плівок окислу кремнію (SiO2) при низьких температурах, коли високотемпературне окислення може привести до порушеня геометричних розмірів вже сформованих в пластині дифузійних ділянок. Піроліз силанів, залежно від вимог до температури процесу і якості окисного шару, проводиться двома методами: піролізом в потоці газу-носія та вакуумі.

Піроліз у потоці гaзy-носія (наприклад, азоту), проводять в однозонних печах (в таких, як проводять термічне окислення), де передбачається подання з певною швидкістю суміші газів: силан-кисень (SiH4+O2) чи тетраетоксилану. Процес окислення силану переважно проходить при температурах 250-350°С з осадженням окислу кремнію на кремнієвих пластинах. Хімічну реакцію окислення силану з утворенням SiO, можна записати:

SiH4+O2 = SiO2+H2O (2)

У результаті розкладу силанів отримують окисні шари з добрими захисними властивостями. Параметри плівок при цьому дуже залежать від режимів технологічного процесу і неправильно вибрана швидкість подачі газу призводить до нерівномірності окисного шару по товщині. Пояснюється це складністю отримання ламінарного потоку без завихрень, який забезпечує рівномірність плівки всією площею осадження. Цей недолік методу піролітичного розкладу усувається, якщо піроліз проводити у вакуумі. Якість окисних шарів значно підвищується за рахунок піролізу в чистому середовищі. Особливість цього методу - це можливість проведення окислення при температурі 250-350°С.

Товщина окисного шару залежить від швидкостей подачі силану і кисню в реактор. На рис. 3 показано, що з ростом швидкості подачі силану товщина плівки росте лінійно, але швидкість подачі кисню обмежує її ріст. Піролітичний розклад тетраетоксилану проводять при температурі 730-750°C:

Si(OC2H5)4 = SiO2+4C2H2+2H2O (3)

Рис. 3 - Залежність швидкості росту оксиду кремнію від швидкості потоку силану при реакції SiH4 та O2

Метод одержання SiO2 з силану є відносно низькотемпературним, але сам силан дуже токсичний і вибухонебезпечний. Тому у виробництві надають перевагу більш високотемпературною методу.

Для проведення вакуумного піролізу використовую і установки, які містять від двох до чотирьох реакторів. У них забезпечується створення вакууму 30-60Па і передбачено конструктивний фланець, через який проводять завантаження пластин у реактор. Промислові установки комплектуються автоматичними пристроями, які виконують всі операції від завантаження до вивантаження касет з пластинами. Освоєні основні типи таких установок: для піролізу при високих температурах використовуються реактори без роздільного введення газів; при низькотемпературному піролізі передбачено роздільне введення гачів і екранування човника з пластинами для отримання рівномірних за товщиною шарів.

В інтервалі температур 800-900°С отримують плівки SiO2 при використанні системи SiH4+N2O+N2 та SiH2Cl2+N2O. Система SiH4+N2O+N2 не знайшла широкого застосування через малу швидкість росту плівок. Система SiH2Cl2+N2O забечнечує однорідні за товщиною шари SiO2 і при великій швидкості їх росту. Швидкість росту в даному випадку залежить від температури і співвідношення N2O/SiH2Cl2. Кількість закису азоту (N2O) повинна бути у 2-4 рачи більшою, ніж дихлорсилану (SiH2Cl2).

Низькотемпературні (при 360-460°С) плівки SiO2 отримують в системі SiH4+O2+N2 в установках з розділеним введенням газів. Максимальна швидкість осадження досягається при відношенні газів O2/SiH4, рівною 3.

Окисні шари в процесі низькотемпературного піролізу можна легувати фосфором чи миш'яком, якщо використовувати системи SiH4+PH3+O2+N2 чи SiH4+AsH3+O2+N2. Піроліз силанів можна використовувати і для отримання шарів SiO2 на поверхні арсенід-галієвих пластин.

Недоліком методу піролізу силанів є складність створення контрольованої атмосфери в реакційній трубі. Крім вище згаданих методів для отримання окисних шарів використовують: анодне окислення у розчинах електроліта; окислення в тліючому розряді; реакційне розпилення. Останній метод знайшов широке застосування для нанесення плівок SiO2 на поверхню арсенід-галієвих пластин як маскуючого покриття при локальній обробці.

Останнім часом ведуться інтенсивні пошуки способів низькотемпературного одержання окисних плівок для того, щоб хоча б частково вирішиш проблеми зв'язані з прогином і коробленням напівпровідникових пластин, перерозподілом домішок, генерацією дефектів і їх розповсюдженням.

З цією метою для інтенсифікації низькотемпературного окислення можна використовувати стимуляцію лазерним променем. Пропонується проводити процес окислення в атмосфері кисню при тиску 10 Па. Під дією лазерного променя енергією 5мДж і тривалістю імпульса 5нс підкладка швидко нагрівається аж до температури плавлення. Лазерний промінь може бути сфокусований тільки на те місце, де потрібно одержати окисний шар. Гусита енергії лазерного променя, сфокусованого па поверхню підкладки в площу розміром, 1,0 х 0,5 мм, досягає 0,9Дж/см2 і при частоті повторення мпульсів 100 Гц і загальній дії променів в 1 мкс. Під дією лазерного променя нагрівається тільки та частина, куди спрямований промінь, а неопромінена частина підкладки залишається холодною. Для зменшення напруг, які виникають в підкладці при швидкому нагріві і охолодженні, проводять підігрів з допомогою резистивного нагрівача до температури 400°С. Дія імпульсів разом із скануванням, сфокусованим лазерним променем для створення конфігурації елементів, приводить до утворення окисною шару. Такий метод окислення створює можливість виключити з технологічного циклу дві операції: маскування і травлення, яке застосовують для усуненню окислу з певної частини пластин. Метод забезпечує можливість контрольованого управління і створення заданої товщини окислу шляхом зміни густини енергії лазерного променя.

Вибір методу окислення залежить від того, на якій стадії технологічної обробки знаходиться напівпровідникова пластина і від її розмірів. На початкових стадіях технологічного процесу можна використовувати термічне окислення. На наступних операціях необхідно по можливості скорочувати час окислення та зменшувати температуру. Використання великого діаметру пластин робить їх дуже чутливими до механічних навантажень, причиною виникнення яких є внутрішні механічні напруження системі Si-SiO2, як результат перепадів температур при проведенні технологічних операцій і невідповідності коефіцієнтів лінійного розширення. Особливо це відчутно, коли окисел наноситься на епітаксійний шар, що веде до зміни товщини цього шару.

Виникнення внутрішніх механічних напружень в системі кремній - окис кремнію приводить до згинів і короблення пластин, що спричиняє зменшення виходу придатних мікросхем. Чим вища температура окислення, тим більші механічні напруження. Але окислення кремнію у вологому кисні веде до їх зменшення більше, ніж при використанні сухою кисню. Зменшуються напруження також, якщо в процесі одержання SiO2 легують бором чи фосфором. Ці домішки наближають коефіцієнти лінійного розширення SiO2 і кремнієвої підкладки, що зменшує термічні напруження. Експериментальні дослідження підтверджують, що внутрішні механічні напруження в системі Si-SiO2 переважно носять термічний характер. Також внаслідок дифузії атомів кисню в гратку кремнію при проведенні термічного окислення утворюється кремній-кисневі тетраедри. Утворення таких тетраедрів приводить до збільшення об'єму гратки, що супроводжується утворенням в плівці SiO2 стискаючих напруг. Все це змінює механічні властивості структури, зокрема, модуль Юнга плівки SiO2 буде набагато вищий, ніж основного матеріалу. Це підтверджують теоретичні розрахунки і експериментальні дані, одержані методом голографічної інтерферометри.

Наявність деформацій згину пластин ускладнює проведення таких технологічних операцій: фотолітографії; механічної обробки неробочої частини пластини; дифузії та інших. В таких випадках, коли відома величина механічних напружень в системі Si-SiO2, можна прогнозувати величину деформацій, їх вилив на якість технологічного процесу, вибирати оптимальні режими процесу, при яких одержуються мінімальні згини і викривлення пластин. Тому, починаючи від механічної обробки напівпровідникових пластин, на всіх наступних технологічних операціях необхідно вести контроль не тільки електрофізичних, а також механічних характеристик напівпровідникових пластин.

2. Параметри якості діелектричних плівок

Залежно від області застосування діелектричних плівок у виробництві ІМС до їх параметрів якості пред'являються різні вимоги.

При використанні SiO2 як технологічної маски для її травлення зазвичай застосовуються розчини плавикової кислоти (HF) у воді з різними добавками. Було встановлено, що плівки, вирощені термічним окисленням, мають найменшу швидкість розчинення (як щільніші), а плівки, вирощені термовакуумним випаровуванням, -- найбільшу (як менш щільні). Якщо отримані піролізом плівки відпалювати при високих температурах, то можна досягти такої ж якості їх, як і при термічному окисленні, що видно з рис. 4.

Рисунок 4 - Залежність швидкості травлення плівки SiO2, отриманий піролізомтетроетоксилану в аргоні, від її товщині:

1 - осадження плівки при Тос=750°С; 2, 3, 4 - відпалення плівки в парах води при tот=10, 20, 30 хв відповідно; 5 - термічний оксид

Швидкість травлення плівок залежить від температури розчинення, мало залежить від швидкості перемішування розчинника і практично не залежить від того, чи піддавалися перед окисленням пластини механічній або хімічній поліровці і як проводилося вирощування діоксиду кремнію - в сухому або вологому кисні або в парах води. У технології виготовлення ІМС важливо, щоб швидкість розчинення мало залежала від концентрації розчинника. Для вирішення цього завдання були створені так звані буферні травники, до складу яких входить фтористий амоній NH4F. Наприклад, травник, що складається з 10см3 48%-ного водного розчину HF і 100 см3 40%-ного водного розчину NH4F, розчиняє термічно вирощений діоксид із швидкістю 20 нм/хв.

Наявність домішок підвищує швидкість травлення плівок SiO2, особливо коли домішки потрапляють в SiO2 з газової фази. В процесі обробки фотолітографії одночасно травляться ділянки діоксиду кремнію, що не містять і містять домішки. Неоднакова швидкість травлення цих ділянок може призводити до підтравлювання, що викликає значне розширення областей, з яких віддаляється оксид, за рахунок проникнення травника в бічному напрямі під шар резисту.

У технології ІМС часто хімічна обробка діоксиду проводиться на всій поверхні пластини без захисту окремих ділянок фоторезистом. При цьому наявність в діоксиді домішок там, де їх не повинно бути, може привести до локального збільшення швидкості травлення, а отже, видаленню потрібної ділянки діоксиду, нехай навіть дуже невеликого розміру. Це може стати надалі причиною виникнення браку.

В процесі створення шарів SiO2 на поверхні кремнієвих пластин в них можуть виникати різного роду дефекти, які надалі приводять до погіршення або нестабільності параметрів елементів ІМС. Розглянемо коротко основні види таких дефектів. Ці дефекти можуть мати атомні або більші розміри. Перші обумовлені недоліком або надлишком іонів кисню, наявністю в діоксиді атомом або іонів сторонніх домішок і утворенням ненасичених зв'язків на межі між кремнієвою підкладкою і шаром діоксиду. Крупніші дефекти - це пори чи канали в оксидному шарі, мікротріщини або межі між кристалічними і аморфними ділянками слою. Багато дефектів подібного роду виникають в оксидному шарі при термічному окисленні підкладок, що мають порушення на поверхні. У місцях розташування цих порушень можуть утворитися дефекти типу точкових проколів або ділянки з підвищеною швидкістю травлення. Такі дефекти і приводять згодом до погіршення параметрів ІМС. На підкладках достатньо високої якості можна виростити SiO2 без подібних дефектів. Залежно від умов термічного окислення на поверхні кремнію може бути сформований не тільки аморфний, але й кристалічний діоксид кремнію (у модифікації б і в кристобаліту). Його поява пов'язана з вищою температурою окислення. Надалі при термообробках можуть з'являтися тріщини в кристалічних шарах SiO2 і на межах між кристалічними і аморфними ділянками.

Одна з причин утворення дефектів в шарах SiO2 і на їх межі з кремнієм - механічна напруга. Така напруга з'являється в шарах, отриманих різними способами: термічним нарощуванням, піролізом Si(OC2H5)4 і низькотемпературним окисленням силана. Напруга виникає із-за відмінності термічних коефіцієнтів, розширення підкладки і оксидного шару; змін, що відбуваються в шарах при подальших термообробках; деяких явищах, пов'язаних з характером зародження і зростанням шару, але не пов'язаних з відмінністю коефіцієнтів розширення шару і підкладки (так звані «власні» напруження). Напруга в шарі SiO2, вирощеному на кремнієвій підкладці при високій температурі, є такими, що стискають, оскільки термічний коефіцієнт розширення кремнію в кілька разів вище, ніж у SiO2. Напруження має значення порядку 108 Па. Очевидно, що значення напруги і її роль тим більша, чим більша товщина шару.

Напруга в шарах призводить до появи в них тріщин і відшарування їх від підкладки. Малі напруги можуть не викликати цих дефектів, але сприяти концентрації вакансій біля границі розділу з підкладкою, що приводить до зміни щільності енергетичних перебувань на межі між оксидом і кремнієм. Вплив напруги в шарі SiO2 позначається при його обробці фотолітографією. Неоднорідний розподіл напруги призводить до неоднорідного травлення шару, яке спостерігається як в місцях концентраїні напруги, так і в місцях скупчення забруднення. Забруднення можуть з'являтися на підкладці перед окисленням або потрапляти на поверхню SiО2 в подальших технологічних операціях. В результаті після часткового травлення в шарі SiО2 можуть утворитися точкові отвори - проколи. Ці проколи - одні з серйозних джерел браку в технології ІМС.

З погляду дефектності найкращими є шари, вирощені термічним окисленнем на вільних від дефектів підкладках, найгіршими - отримані анодним окисленням в розчинах електролітів без подальшої термічної обробки.

Значення щільності плівок SiО2, вирощених різними способами, практично мало відрізняються і складають 2,2 г/см3. Питомий електричний опір дуже сильно залежить від технології отримання плівок, особливо від концентрації домішок і дефектів в них. Кращі плівки мають питомий опір 1015-1016 Ом·см, гірші, - 1012 Ом·см. Діелектрична проникність складає від 3 до 3,8 залежно від методу вирощування плівок. Електрична міцність змінюється від 106 до 107 В/см, але може різко зменшуватися при появі в плівках дефектів. Для плівок, використовуваних в якості підзатворних діелектриків в МДП-ІМС, всі параметри повинні бути якнайкращими.

При формуванні оксидних плівок важливо також брати до уваги зміну об'ємів, які зайняті оксидом і початковим кремнієм, як показано на рис. 5.

Рисунок 5 - Зміна об'ємів шарів при уитворенні оксиду термічним окисненням кремнію:

1 - оксид; 2 - початкова поверхня кремнію; 3 - границя оксид-кремній; 4 - кремнієва пластина

3. Методи нанесення тонких плівок

Для нанесення тонких плівок на підкладку використовують фізичні та хімічні методи в залежності від електричних і механічних властивостей плівок. У промислоност найбільшо розповсюджені методи вакуумною напилення, які належать до фізичних методів нанесення тонких плівок. Серед існуючих методів найчастіше використовується термовакуумне напилення, іонне розпилення, магнетронне розпилення.

Термовакуумне напилення - це процес, суть якого полягає у нагріванні речовини до температури випаровування у вакуумі (1,33·10-5 ІІа та вище) і наступній конденсації атомів випаровуваної речовини на підкладці, температура якої значно нижча за температуру випаровування речовини. Процес проводиться у спеціальних вакуумних камерах, де попереднє відкачування газу проводиться форвакуумним насосом, а остаточне - дифузійним насосом.

Схема вакуумного пристрою показана на рис. 6 і містить форвакуумний і дифузійний насос (відкачувальну систему), вакуумну камеру і перехоплювач. Крім цього передбачаються контрольно-вимірювальні прилади: вакууметри, вимірювачі товщини плівок, швидкості осадження, температури випаровувача і підкладки. Форвакуумний механічний насос (1) проводить відкачування залишкового газу за рахунок періодичного переміщення механічних деталей насосу.

Рисунок 6 - Схема пристрою для термовакуумного напилення:

1 - відкачка форвакуумним насосом; 2 - відкачка дифузійним насосом; 3 - камера; 4 - випаровувач; 5 - столик для підкладок; 6 - підкладка

При цьому досягасться вакуум не вище 1,33·10-1 Па. Після попереднього відкачування камери підключається дифузійний насос (2). Принцип дії такого насосу базується на дифузії відкачуваного газу в струмінь пари робочої рідини, яка витікає із сопла насоса. В якості робочої рідини використовують силіконове масло. Дифузійні насоси забезпечують вакуум не вище 1,33·10-3 Па. Для отримання вищих значень вакууму використовуються один чи два азотні перехоплювачі. Азотні перехоплювачі - це спеціально передбачені місця між вакуумною камерою і відкачувальною системою, які охолоджуються до температури рідкого азоту (77°К), на яких конденсується відкачуваний газ.

В камері для термовакуумного випаровування (3) є відповідний випаровувач (4), конструкція якого залежить від випаровуваної речовини, вгорі столик (5), на якому встановлюються підкладки (6). У вакуумних установках використовуються два типи випаровувачів: з прямим і посереднім підігрівом. Випаровувачі з прямим підігрівом - це стрічкові і дротяні (рис. 7), виготовлені, в основному, з тугоплавких металів (W, Mo, Nb, хромель) або безпосередньо із випаровуваної речовини і нагріваються при пропусканні струму через випаровувач. Величина струму повинна забезпечувати їх нагрівання до температури випаровування. Матеріал випаровувача повинен бути хімічно нейтральним щодо випаровуваної речовини і добре нею змочуватися. Випаровувачі з прямим нагрівом прості у виготовленні і дешеві. Але не всі речовини добре змочують поверхню таких випаровувачів. Для цих речовин використовують випаровувачі з непрямим нагрівом.

Рисунок 7 - Випароввувачі:

а) з прямим підігріванням;

б) з посереднім підігріванням

Випаровувачі із непрямим нагрівом - це тиглі, які підігріваються ВЧ-іпдуктором, електронним променем чи спіраллю. Тиглі виготовляються з кераміки, карбідів, боридів, нітридів, сульфідів перехідних металів, виходячи з вимог хімічної нейтральності до випаровуваної речовини, стійкості до високих температур та до їх перепадів.

Паралельно з випаровувачем у вакуумній камері розміщений столик для підкладок та для їх підігрівання в процесі нанесення тонкої плівки. Підігрівання підкладок повинно бути рівномірним на всій площі, тому розміри підкладок дещо менші за площу підігрівача. Нагрівають підкладки в залежності від осаджуваної речовини у межах 200-600°С.

Процес напилення тонких плівок здійснюється у високому вакуумі. До відкачування вакуумної камери весь її простір заповнений атмосферним газом, який являє собою сукупність молекул, які перебувають у безперервному хаотичному русі. Теплова енергія - це енергія руху. Чим вища температура, тим інтенсивніший їх рух і більша швидкість. Тиск в камері визначається числом зіткнень молекул об стінки посудини за одиницю часу. Середня віддаль, яку проходить молекула за одиницю часу, називається довжиною вільного пробігу і рівна:

, (4)

де k - постійна, яка залежить від роду газу і температури; p - тиск газу.

Залежність довжини вільного пробігу від температуривизначається співвідношенням:

. (5)

При нормальному тиску кількість молекул в одному куб. сантиметрі становить 2,5·1019 і зменшується при зниженні тиску. При тиску р=10-3 Па число молекул вже становить 108 см-3. Отже, глибина вакууму впливає на довжину вільного пробігу молекул.

Якщр розглядати газ, який знаходиться у вакуумній камері, то його властивості будуть змінюватись в залежності від відношення між середньою довжиною вільного пробігу молекул і розмірами вакуумної камери. Високий вакуум буде в тому випадку, коли довжина вільного пробігу молекул більша за визначений розмір камери, а якщо менша, тоді - низький. Який же вакуум потрібен для забезпечення термовакуумного напилення.

Щоб відповісти на це питання, простір під вакуумним ковпаком розділяється на три зони - зону випаровування, пролітний простір і зону підкладки. Газ, який залишився під вакуумним ковпаком після відкачування, називають залишковим.

Зона випаровування - це простір, в якому речовина, яка розпилюється, нагрівається до температури випаровуванняя при тиску власних парів речовини над поверхнею PS=1.33 Па. При досягненні температури випаровування багато речовин у вакуумі відразу переходять у пароподібний стан, минаючи рідкий. Це явище називається сублімацією. Процес сублімації дозволяє застосувати випаровувачі прямого нагріву. Для деяких речовин маємо перехід з твердого стану в рідкий і з рідкого у пароподібний. В зоні випаровування якість розпилення визначається температурою і тиском пари та швидкістю випаровування.

Швидкість випаровування речовини визначається кінетичної теорії газів і виражається формулою:

кремній напівпровідниковий пластина плівка

, (6)

де PS - тиск насиченої нари випаровуваної речовини; М - молекулярна каїа речовини; Твип - температура випаровування речовини.

Ця формула справедлива при значеннях вакууму, вище 1,33·10-1 Па, а із зменшенням вакууму швидкість випаровування речовини буде знижуватися згідно залежності, поданої на рис. 8. При низькому вакуумі спостерігається нагромадження парів над випаровувачем і зменшується довжина вільного пробігу атомів пари, в результаті чого процес випаровування залежить від швидкості дифузії випаровуваної речовини для даного об'єму.

Рисунок 8 - Залежність швидкості випаровування від тиску залишкового газу в камері

Досліджено, що для отримання максимальної швидкості випаровування в зоні випаровування вакуум повинен перевищувати 1,33·10-1 Па.

Пролітний простір вимагає вакууму більшого, ніж 1,33·10-1 Па, оскільки випаровування речовини відбувається, але вакуум є недостатнім для вільного прольоту атомів до підкладки. У пролітному просторі повинні бути створені умови для формування молекулярного потоку. Якщо траєкторія руху атомів є прямолінійною і вони не розсіюватимуться на атомах залишкового газу, тоді для молекулярного потоку будуть справедливі закони Ламберта-Кнудсена:

- інтенсивність випаровування атомів пропорційна косинусу кута між напрямом випаровування і нормаллю до поверхні;

- кількість атомів, що випаровуються і які досягають одиниці площі поверхні підкладки в секунду, обернено пропорційні квадрату віддалі випаровувач-підкладка.

При цьому довжина вільного пробігу атомів молекулярного потоку повинна бути значно більшою за віддаль випаровувач-нідкладка. Переважно у вакуумних установках пролітний простір становить 10-20см. Розрахунки підтверджують, що при вакуумі 1,33·10-2 Па зростає довжина вільного пробігу, яка досягає 4,7 см, а при P=0,133·10-2 Па збільшується до 4,7·102 см. Звідси випливає, що у пролітному просторі величина вакууму повинна перевищувати 1,33·10-3 Па.

Зона підкладки. Розглянемо вплив залишкового газу на формування плівки на підкладці. При цьому вважається, що всі атоми речовини, які досягають підкладки, конденсуються на ній і десорбція відсутня. Атоми залишкового газу мають теплову енергію і хаотично рухаються в камері, вдаряючись при цьому об поверхню підкладки. Разом з атомами основної речовини на підкладку потрапляють атоми залишкового гачу. Виходячи з кінетичної теорії газів, були проведені підрахунки кількості зіткнень атомів залишкового газу і атомів випаровуваної речовини за 1 сек., які припадають на одиницю площі поверхні підкладки. Розрахунки підтверджують, що при вакуумі, рівному 1,33·10-3 Па і температурі Т=400°С, кількість вказаних зіткнень відповідно рівна:

,

а їх відношення рівне . Це свідчить, що можливе забруднення осаджуваної плівки атомами залишкового газу, яке погіршує адгезію плівки до поверхні підкладки, оскільки кількість зіткнень атомів залишкового гачу з підкладкою у 17 разів більша за кількість зіткнеш, атомів випаровуваної речовини. Тому осадження плівки при вакуумі 1,33·10-3 Па треба проводити при максимальній швидкості випаровування.

Проведений аналіз для різних зон робочого простору камери підтверджує, що для забезпечення доброї адгезії плівок до підкладки, мінімального забруднення атомами залишкового гачу, отримання заданих електрофізичних влапивостей плівок, напилення необхідно проводити при вакуумі вище 1,33·10-3 Па.

Істотну роль при термовакуумному напиленні відіграє температура підкладки, яка впливаг на процес конденсації. При осадженні атоми на поверхні підкладки можуть адсорбуватися або ревипаровуватися, тобто залишати підкладку частково або повністю.

Процес гермовакуумного напилення є найпростіший і допускає розпилення матеріалів з температурою випаровування не більшою ніж 1800°С. Для нанесення тугоплавких матеріалів застосовують установки термовакуумного напилення, де розпилюється матеріал при допомозі електронних гармат. В цьому методі використовується термічний нагрів матеріалу до температури випаровування при бомбардуванні електронним променем. Обладнання монтується так, що електронна гармата встановлюється бенюсередньо у вакуумній камері.

Іонне розпилення проводиться двома методами - дво- або триелектродним. Двоелектродний метод розпилення інакше називають катодним розпиленням. Він проводнться у тліючому розряді з допомогою діодної системи, катод якої виконаний з розпилюваного матеріалу, а анод є тримачем підкладки (рис. 9). Процес нанесення базується на бомбардуванні мішені швидкими іонами інертного газу, в результаті чого з її поверхні вибиваються атоми, які потім конденсуються на підкладці.

Рисунок 9 - Схема пристрою для катодного розпилення

Катодне розпилення проводиться у вакуумній камері, в якій попередньо досягається вакуум, близько 1,33·10-3ч1,33·10-4 Па. Потім у камеру подають інертний газ (в основному аргон), що приводить до зниження вакууму до 1,33·10-1 ч1,33·10-2 Па. При прикладенні напруги між катодом і анодом в декілька кіловольт у камері запалюється тліючий розряд, який характеризується певним розподілом потенціалу в розрядному просторі. Основна частина прикладеної напруги падає на темному катодному просторі. У цей час позитивний стовп змінює потенціал дуже слабо. Отже, дві ділянки (катодного та анодного падіння) визначають процес катодного розпилення.

При русі електронів від катода до анода їх енергія в ділянці катодного падіння зростає і на межі її досягає рівнів, які приводять до іонізації залишкового газу. У позитивному стовпі заряджені частинки (електрони та іони) рухаються внаслідок дифузії. Позитивні іони доходять до краю темного катодного простору, швидко прискорюються і вдаряються об катод. При цьому на катоді виникають два процеси: вторинної іонно-електронної емісії і катодного розпилення - випускання атомів матеріалом катода. Атоми вибиваються з катода за рахунок передачі моменту кількості руху бомбардуючого позитивного іона аргону атомам матеріалу катода. Вторинна іонно-електронна емісія підтримує розряд, а катодне розпилення формує плівковий осад. Позитивний стовп забезпечує провідність за рахунок іонізації простору між катодом і анодом. При цьому загальний заряд компенсується однаковою кількість негативних і позитивних частинок. Такий стан називанні плазмою.

При співударі бомбардуючого позитивного іона з атомом катода виникає ланцюжок сфокусованих зіткнень, подібних на ті, які спостерігаються при ударі більярдної кулі зі щільноупакованою групою куль, які утворюють піраміду.

Одним з параметрів розпилення є коефіцієнт катодною розпилення, який визначає кількість вибитих атомів з розпилюваної поверхні однією частинкою. Коефіцієнт катодного розпилення залежить від маси та енергії бомбардуючого іона і матеріалу мішені.

Коефіцієнт розпилення характеризує реактивне розпилення, яке застосовується для отримання з'єднань окислів, нітридів, боридів, карбідів та інших, шляхом введення в реакційну камеру активного газу.

В якості активного газу застосовується кисень, азот, метан, окис вуглецю та інші, які вводять в камеру за рахунок зменшення вмісту інертного газу, щоб зберегти тиск в межах 1,33·10-1ч1,33·10-2 Па. У процесі розпилення атоми металу хімічно взаємодіють з активним газом, утворюючи відповідні з'єднання.

Триелектродний метод розпилення називають іонно-плазмовим. Схема пристрою для іонно-плазмового розпилення показана на рис. 10. Катод (1) у вигляді нитки розжарення служить для створення термоелектронного струму, достатнього для запалювання тліючого розряду в міжелектродному просторі. На анод (3) подається напруга 250 В, яка падає до 40-60 В після виникнення розряду. Мішень (2) з розпилюваного матеріалу розміщується в камері вертикально і паралельно до підкладки (4), яка встановлюється на столику з підігріванням (5).

Рисунок 10 - Схема пристрою для іонно-плазмового розпилення:

1 - катод; 2 - мішень; 3 - анод; 4 - підкладка; 5 - столик з підігрівом

Перед підкладкою розташовується рухома заслонка, а за мішенню - нерухома, яка дозволяє подачу ВЧ напруги. Вакуумну камеру попередньо відкачують до тиску, величиною 1,33·10-3 Па, після чого подають аргон, який знижує тиск до 1,33·10-3ч1,33·10-2 Па. На катод подають напругу, достатню для отримання термоелектронного струму, густиною близько одиниць ампер на см2, в результаті виникає тліючий розряд. Зовнішнім магнітом відкривають рухому заслонку і в атмосфері тліючого розряду проводять іонне травлення або іонне очищення від слабо зв'язаних забруднень поверхні підкладки. Іонне травлення поверхні мішені проводять до відкриття заслонки перед підкладкою. Після очищення підкладки і мішені на неї (при умові, що мішень з провідникового матеріалу) подається негативний потенціал величиною до 1000 В. Позитивні іони плазми, які мають великі енергії, бомбардують мішень, вибиваючи атоми з поверхні. Ці атоми рухаються в напрямку, перпендикулярному підкладці, і осаджуються на її поверхні.

Якщо треба розпилювати діелектрики чи ферити, то на нерухомий екран подаюгь високочастотну напругу при допомозі трансформатора і за рахунок змінного бомбардування мішені позитивно чи негативно зарядженими іонами розпилюютьі матеріали-непровідники.

Іонно-плазмове розпилення - це універсальний метод,який дозволяє розпилювати провідні і непровідні матеріали, а також матеріали складного хімічного складу.

Магнетронне розпилення матеріалу проводиться у електричному і магнітному полях з використанням спеціальних конструкцій катодів. Конструкція плоского катода мішені в магнетронних розпилюваних установках показана на рис. 11. Магнітна система створює магнітне поле, де емітовані катоди мішені під дією іонного бомбардування захоплюють електрони, що здійснюють складний циклоподібний рух замкнутими траєкторіями поблизу поверхні мішені. Ці електрони збільшують ступінь іонізації аргону, а чим самим збільшують швидкість розпилення катода (мішені) у 50-100 разів. Крім того, запобігається бомбардування підкладки електронами, що приводить до значного зменшення радіаційних дефектів в осаджених плівках. Катод може бути виконаний також у вигляді конуса (рис. 12). В останньому випадку магнітне поле створюється постійними магнітами, яке перпендикулярне напрямку електричною поля поблизу катода. При використанні конічного катода осадження плівок можна проводити одночасно для невеликої кількості підкладок.

Рисунок 11 - Конструкція площинного катода-мішені в установках для магнетронного розпилення:

1 - анод; 2 - магнітна система; 3 - катод-мішень; 4 - столик для підкладок

Рисунок 12 - Катод у вигляді конуса в установках для магнетронного розпилення:

1 - анод; 2 - магнітна система; 3 - катод-мішень; 4 - столик для підкладок

Крім фізичних методів осаджений тонких плівок, у деяких, випадках застосовують хімічні методи. До хімічних методів належать осадження металів з електролітів та електролітичне анодне оксидування. Хімічні методи є низькотемпературними і не вимагають складного обладнання.

Осадження металів з електролітів називають електрохімічним (гальванічним) осадженням, в основі якого лежить явище електролізу, пов'язане з катодним відновленнямкатіонів. Вперше явище відновлення катіонів металу досліджував російський фізик і електротехнік Б.С.Якобі, роботи якого лягли в основу гальваностегії (осадження тонких плівок металу) і гальванопластики (виготовлення рельєфних металічних копій з предметів).

Цей метод полягає в тому, що в електролітичну ванну спочатку заливають електроліт, який містить сіль осаджуваного металу.Осадження плівки проводиться на підкладку, а анод процесі осадження розчиняється, запобігаючи збідненню електроліта іонами металу. Площа поверхні анода приблизно в 1,5 рази перевищує площу поверхні катода. Густина струму при осадженні становить близько 0,001-0,005 А/см2 і залежить від осаджуваного металу і вибраного електроліта. Електроліт при осадженні підігрівають до температури 60-70°С для створення поліпшеної якості осаджуваної плівки.

Електролітичне осадження підпорядковується таким законам електролізу:

- маса осадженого металу пропорційна кількості електрики, яка пройшла через розчин;

- маса матеріалу, осадженого при проходженні через розчин однакової кількості електрики, пропорційна електричному еквіваленту Е.

Електричне анодне оксидування найчастіше використовують для отримання оксидних плівок - п'ятиокису танталу (Ta2O5), оксиду алюмінію (Al2O3), двоокису титану (TiO2) та інших. Оксидування здійснюється на аноді електролітичної ванни.

Елекіролітом для осадження двоокису кремнію служать розчини KNO3, NaNO3, NH4NО3, НNO3, Н4Р2О aбо NaOН в етиленгліколі, металацетаміді чи тетрагідрофурфуриловому спирті. Оксидування алюмінію можна проводити в буферних розчинах солей винокам'яної, лимонної, фосфорної і вугільної кислот. Для отримання плівок Та2О5 і ТіО2 використовують водні розчини майже будь-якого електроліта, за винятком фтористоводневої кислот, яка розчиняє оксид. Катод виготовляють, з оксидованою матеріалу (танталу, титану, алюмінію та інших).

При електролітичному оксидуванні реакція взагмодії матеріалу з іонами окислювача відбувається на межі плівка-електроліт. Наприклад, окислення танталу супроводжується pea к цією:

2Та+5+10ОН- = Та2О5+5Н2О (7)

В міру зростання плівки оксиду, іони оксидованої речовини під дією електричного поля, яке виникає при прикладенні між катодом та анодом напруги, рухаються від межі підкладка-плівка (Та-Та2О5) до поверхні.Електричне оксидування проводять при кімнатній температурі.

Слід зауважити, що хімічні методи використовуються в промислових умовах дуже рідко, через їх недостатню продуктивність і низьку якістьплівок.

4. Типове технологічне устаткування для отримання діелектричних плівок

Для окислення кремнієвих пластин і осадження діелектричних плівок за допомогою хімічних газофазних реакцій можна використовувати установки однакового типу, що забезпечують високі температури в реакційній зоні і задані потоки реагуючих речовин. Значення температури окислення, як указувалося вище, істотно впливає на швидкість процесу, структуру плівок і їх чистоту. Тому на практиці застосовуються установки двох типів: для окислення - високотемпературні печі (1100-1300°С), для осадження - порівняно низькотемпературні (200-700°С).

Розглянемо установки для осадження діелектричних плівок (SiO2, Si3N4, А12O3 і ін.).

Прикладом технологічних апаратів, призначених для осадження діелектричних плівок з газової фази при нормальному тиску, може служити вітчизняна установка типу «Оксин-3», конструкція реактора якої показана на рис. 13.

Рисунок 13 - Конструкція ректора установки для низькотемпературного осадження оксиду кремнію з внутрішнім резистивним нагрівачем «Оксин-3»

Реактор складається з реакційної труби, з одного боку якої є фланець для під'єднування до реактора головки (10) газорозподільної системи. Планка (9) з прокладками (8) і (11) служить для герметичного з'єднання реакційної труби з головкою (10). У головці розміщений дифузор (7) для подачі робочих газів в реактор від газорозподільної системи через штуцер (12). Інший кінець (вихідний) реакційної камери закріплюється затискним пристроєм (1) з прокладками (5) і пересувними кронштейнами (6) з вентиляційною системою установки.

Електронагрівач виконаний у вигляді труб (16), вмонтованих в графітовий блок (17). На графітовому блоці поміщена кварцева плита (13), на якій розмішаються підкладки (14), що підлягають осадженню оксидної плівки.

Температура в такому реакторі не перевищує 600°С. Для підвищення продуктивності установка складається з декількох подібних труб.

Газорозподільна система, схема якої типова для будь-якої установки у виробництві ІМС, що використовує газові реакції або дифузію з газів, складається з ряду ліній подачі газів. У реальних установках таких ліній може бути від 2 до 6. Елементи газорозподілу сполучені між собою і з магістралями, що підводять, через фільтри трубопроводами з неіржавіючої сталі. Подача газів в установку здійснюється з балонів або з централізованої мережі. Газорозподіл передбачає одночасну роботу всіх реакторів установки.

Гази з ліній прямують в реактор. Після закінчення реакцій осадження або (і) легування газові продукти реакції поступають у вентиляційний канал установки і звідти через спеціальні поглиначі в систему нейтралізації, що забезпечує повне очищення їх від шкідливих домішок, після чого викидаються в загальну вентиляційну систему цеху.

Для осадження плівок діелектриків почали широко використовуватися реакції здійснювані при низькому тиску. Ці процеси протікають в реакторі, конструкція якого приведена на рис. 14. Даний спосіб осадження має ряд переваг перед описаним вище. При низькому тиску (1-65 Па), що досягається звичайним форвакуумним відкачуванням, газодинамічна обстановка на поверхнях пластин значно спрощується (відсутня турбулентність).



Рисунок 14 - Конструкція реактора установки для хімічного осадження із газової фази при низькому тиску:

1 - датчик тиску; 2 - рекційна кварцева труба; 3 - трьохзонний резистивний нагрівач; 4 - підкладкотримач; 5 - головка кріплення трубок; 6 - люк загрузки й вигрузки підкладок; 7 - ущільнення

Збільшується довжина свободного пробігу частинок газів. Це дозволяє встановити пластини вертикально і близько один до одного, за рахунок чого підвищити завантаження (продуктивність) установок до 150 пластин за цикл при товщині плівок SiО2 - 0,5 мкм або Si3N4 - 0,1 мкм. Ці установки не вимагають застосування газу-носія.

Діелектричні плівки, отримані хімічним осадженням при низькому тиску, відрізняються високою однорідністю, у тому числі і покриття сходинок на рельєфних підкладках. Плівки володіють мінімальною дефектністю (менше двох пір на пластині). Проте вертикальне розташування пластин затруднює підхід газу-реагенту до їх поверхонь, що веде до зниження швидкості осадження плівок, а отже, і зменшенню продуктивності. Оптимальні відстані між пластинами (число пластин, що обробляються за цикл) і швидкості росту плівки забезпечують оптимальну продуктивність процесу.

При отриманні плівок діоксиду і нітриду кремнію широко застосовуються установки для плазмохімічного осадження діелектричних плівок. Перевага цих установок - висока продуктивність і низька температура процесів осадження завдяки високій хімічній активності газів-реагентів, яка стимулюється газовим розрядом, тому сам метод і названий плазмохімічним. Цим методом утворюються плівки нітриду кремнію при температурі 300-500°С замість 900°С при чисто хімічному осадженні.

Як джерела збудження плазми застосовуються ВЧ-випромінювач. Приведемо конструкцію реактора установки, використовуваної для плазмохімічного осадження плівок Si3N4 (рис. 15).

Рисунок 15 - Конструкція реактора установки для плазмохімічного осадження:

1 - нагрівач; 2 - магнітний привід; 3 - вал з системою подачі робочих газів; 4 - підкладкотримач

Робоча камера установки виготовляється з нержавіючої сталі. Підкладклтримач (4) з розташованими на ньому пластинами служить одним з ВЧ-електродів і кріпиться на порожнистому валу (3), усередині якого розміщена система подачі робочих газів. Обертання підкладкотримача, необхідне для отримання рівномірної товщини отриманої плівки, здійснюється магнітним приводом (2). Підкладкотримач нагрівається спеціальними нагрівачами (1), розташованими поза робочою камерою. Тиск в реакційній камері підтримується на рівні 25-30 Па, що забезпечує стійкість тліючого розряду. Установка дає можливість отримати швидкість росту нітриду кремнію 1 нм/с, нерівномірність товщини не більше 5%. Такі плівки використовуються для пасивації і захисту структур ІМС.

ВИСНОВКИ

Найпоширенішим видом формування діелектричних шарів є окилслення. Окислення або оксидування - один із основних і відповідальних процесів, які використовуються при виготовленні інтегрованих мікросхем. Окислення застосовується для формування маскуючого шару при локальній обробці і пасивації поверхні готової мікросхеми.

Залежно від функцій, що виконуються діелектричними плівками, до них пред'являються різні вимоги. Для плівок, вживаних як маски, основними вимогами є: селективність по відношенню до тих або інших технологічних чинників (до розчинів, опромінювання, газів, плазми і т. п.); відсутність пір і тріщин; рівномірність товщини, структури і физико-хімічних властивостей за площею і глибиною маски; хороша адгезія до пластини.

У багатьох технологічних процесах виробництва ІМС (дифузії, фотолітографія, імплантації і інших) діелектричні маски використовуються для створення в кремнієвій пластині локальних областей із заданими властивостями і конфігурацією.

Якщо діелектрична плівка застосовується як ізоляція, то важливими її характеристиками є: питомий електроопір, тангенс кута діелектричних втрат (tgд), діелектрична проникність (е), а також рівномірність і стабільність цих властивостей.

Найбільш жорсткі вимоги до діелектричної плівки при використанні її як діелектрик підзатвора пред'являє технологія МДП-ІМС. Діелектрик підзатвора повинен володіти особливо високою чистотою і досконалістю (або рівномірністю) структури; повною відсутністю яких-небудь пір, тріщин, виколовши і інших порушень. Все це необхідно для задовільної роботи приладів даного типу.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. - Москва: Радио и связь, 1987. - 464 с.

2. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральних микросхем. - Москва: Радио и связь, 1992.- 318с.

3. Закалик Л.І., Ткачук Р.А. Основи мікроелектроніки. - Тернопіль: ТДПУ ім.І.Пулюя, 1998.-351с.

4. Парфёнов О.Д. Технология микросхем. - Москва: Высшая школа, 1986-320с.

5. Готра Н.Г. Справочник по микроэлектронике.- Киев: Научная мысль, 1989.-298с.

6. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. - Москва: Высшая школа, 1983.-384с.

7. Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - Москва: Высшая школа, 1986.-327с.

8. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - Москва: Омега,2003.-487с.

9. Гершунський Б.С. Основи електроніки і мікроелектроніки. - Київ: Вища школа, 1989 - 423с.

10. Извозчиков В.А. Физические основы полупроводниковой електроники.- Ленинград, 1981-189с.

11. Фізичні основи електронної техніки/ За редакцією З.Ю. Готри. - Львів: Бескид Біт, 2004.- 879с.

Размещено на Allbest.ru

...