Формирование тонких слоев низкотемпературным плазмохимическим осаждением из газовой фазы

В настоящее время ХОГФ является базовой технологией, при этом широкое распространение получили плазменные процессы осаждения в плазме высокой плотности, быстрое термическое ХОГФ и использование оборудования с поштучной обработкой пластин. Кроме того, появились новые модифицированные процессы, такие как пульсирующее химическое осаждение (разработанное фирмой Novellus) и, наконец, ХОГФ атомарных слоев (ALD или ALCVD), в которых управление однородностью пленки происходит на уровне ангстрем.

Осаждение, активируемое плазмой, представляет собой сочетание процесса, протекающего в тлеющем разряде, и химического осаждения из газовой фазы при низком давлении. Электрический тлеющий разряд инициируется обычно высокочастотным источником, но может также создаваться источниками переменного тока, постоянного тока либо микроволновыми. В результате воздействия электрического поля на газовую среду происходит образование очень “горячих” электронов, температура которых может превышать температуру атомов и молекул на один или даже на два порядка. Взаимодействие этих высокоэнергетических электронов с молекулами газа приводит к образованию реакционно–способных частиц, которые в обычных условиях могут существовать лишь при очень высоких температурах. Именно это и является одним из достоинств данного метода, позволяющего осаждать пленки при низких температурах (от 200 до 400°С). К числу основных параметров, оказывающих влияние на процесс плазмохимического газофазного осаждения пленок и их однородность, можно отнести: плотность и распределение высокочастотной мощности, состав и распределение газовой фазы, а также общее давление в зоне реакции.

Основное преимущество стимулированных плазмой реакций состоит в том, что они происходят при температурах, значительно меньших, чем в случае чисто термических реакций. В связи с этим появляется возможность осаждать или выращивать пленки на подложках, не обладающих необходимой для термического осаждения стабильностью. Дополнительное достоинство активации плазмой термической реакции состоит в значительном увеличении скорости осаждения и возможности получения пленок уникального состава.

Плазмохимическое осаждение в таких реакторах или в реакторах с параллельным расположением пластин используется также в тех случаях, когда необходима очень низкая температура процесса (100–350°С).

Плазмохимический нитрид кремния (SiN) формируется при гораздо более низких температурах (200–350 °С) и используется как пассивирующий слой и как защитный слой от механических повреждений. Низкая температура осаждения позволяет наносить нитрид кремния поверх алюминиевого или золотого слоев.

Возможности осаждения конкретных материалов зависят от процессов термодинамики, кинетики, наличия газообразных источников для реакции. Существует метод осаждения из газовой фазы, активированной плазмой (PECVD). Реакции с плазменной активацией, в которых тлеющий разряд с ВЧ–возбуждением при низком давлении обеспечивает большую часть энергии, необходимой для активации процесса осаждения. В этом случае, в отличие от нагрева, технологический эффект достигается за счет потенциальной энергии оборванных связей. Однако применение плазмы для активации процесса химического осаждения из газовой фазы приводит к появлению дополнительных эффектов, влияющих на свойства пленок и характеристики процесса, обусловленные ВЧ–мощностью, напряжением и частотой генератора, геометрией электродов и расстояниями между ними, вместе с эффектами, обусловленными температурой, составом газовой фазы, давлением, расходами газов и геометрией реакторов. Реакции с плазменной активацией подразделяются на два вида: с дискретной подачей реагентов (активированное плазмой атомарное осаждение слоев) и непрерывной подачей реагентов. В свою очередь процессы с непрерывной подачей реагентов могут происходить в плазме с низкой, высокой и сверхвысокой частотой. Существует также осаждение из газовой фазы при активации процесса плазмой высокой плотности.

Повышение степени интеграции функциональной сложности ИМС с одновременным уменьшением горизонтальных и вертикальных размеров элементов при увеличении площади кристалла и диаметра обрабатываемых подложек обусловливает повышение требований к качеству диэлектрических пленок, осаждаемых в плазме низкого давления, по величине привносимой дефектности. Пленки, полученные плазмохимическим осаждением при низких температурах, являются одним из важнейших классов конструктивно–технологических материалов, используемых в производстве современных интегральных микросхем. Для их осаждения широко используются плазмохимические реакторы с горизонтальным расположением пластин в многоэлектродной системе–подложкодержателе и емкостным возбуждением плазмы (рисунок 6.2). Величина привносимой дефектности диэлектрических пленок определяется в первую очередь чистотой технологических сред, описываемой комплексным показателем – классом чистоты производственного помещения или плотностью аэрозольных частиц заданного размера в единице объема газообразной или жидкой технологической среды, конструкциями загрузочной системы и многоэлектродной системы–подложкодержателя и материалом электродов. Можно выделить следующие основные шаги процесса плазмохимического осаждения пленок: загрузку–выгрузку пластин, откачку, продувку реактора, пуск в реактор рабочих газов, обработку пластин в плазме азота, осаждение нитрида кремния в плазме низкого давления, напуск азота до атмосферного давления. При этом используются так называемые «мягкие» режимы откачки и напуска.

Рис. 6.2. Реактор плазменного осаждения с параллельным расположением электродов

Преимуществом реакторов продольного типа с вертикальным расположением пластин рабочей поверхностью друг к другу (см. рис.6.3) являются большая загрузка пластин и большая стабильность процесса. Однако установки с горизонтальным расположением электродов иногда дополняются устройствами кассетной загрузки, шлюзами и манипуляторами, повышающими производительность оборудования и уменьшающими загрязнение камеры.

Уменьшение размеров активных элементов ИМС с одновременным увеличением диаметра кремниевых пластин обусловливает новые требования к технологическим процессам и оборудованию, в том числе и для плазмохимического осаждения. Основными требованиями являются снижение уровня загрязнений и существенное повышение воспроизводимости свойств наносимых слоев.

Для решения указанных задач было разработано новое поколение технологического оборудования.

В 1987г. фирма Applied Materials внедрила промышленную установку для плазмохимического осаждения нитрида и оксида кремния с поштучной обработкой пластин “Precision–5000 CVD” (рис.6.4). Разработка таких реакторов позволила полностью автоматизировать технологический процесс, проводить обработку пластин большого диаметра, а также осуществить интеграцию технологических процессов, т.е. последовательное выполнение нескольких технологических процессов в автоматическом режиме.

В таком оборудовании загрузка–выгрузка пластин осуществляется при помощи робота–манипулятора. Нагрев подложек осуществляется при помощи галогенных ламп. Подача реагентов в зону реакции производится через электрод с большим количеством отверстий (душ), что позволяет создать равномерное распределение реагентов в зоне реакции и существенно повысить однородность и воспроизводимость толщины и других параметров осаждаемых пленок. Такое оборудование применяется в настоящее время для изготовления ИМС с минимальными размерами активных элементов до 0,35 мкм.

Рис. 6.3. Реактор плазмохимического осаждения для поштучной обработки пластин

Рис. 6.4. Промышленная установка для плазмо-химического осаждения нитрида и оксида кремния с поштучной обработкой пластин “Precision–5000 CVD”

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 нитрида и диоксида кремния, полученные стимулированным плазмой осаждением, хорошо подходят для пассивации металлов с низкой температурой плавления, например алюминия. Они также могут использоваться в качестве планаризирующих покрытий, диэлектрического разделительного слоя в системах с многоуровневыми металлическими слоями, промежуточного слоя в многослойных резистивных масках, применяемых в литографии с высоким разрешением.

6.5 Атомно–слоевое осаждение (ALD)

Атомно–слоевое осаждение – ALD процесс – пред-ставляет собой последовательность самоограничивающихся поверхностных реакций при низкой температуре, обеспечивающих осаждение монослойных пленок. Рост таких пленок полностью управляется поверхностью подложки. Это основано на отдельных последовательно выполняемых поверхностных реакциях между подложкой и каждым прекурсорным химикатом. Таким образом, механизм насыщения делает скорость роста материала прямо пропорциональной количеству реакционных циклов, вместо изменения интенсивности потока реагентов или времени роста. При атомно-слоевом осаждении пленки выращиваются послойно с моноатомной точностью. В настоящее время уже используется оборудование для ALCVD, позволяющее получать пленки диэлектриков, в том числе и многослойных оксидов; прозрачные проводники и полупроводники, нитриды, фториды, соединения II–VI и другие материалы. Кроме того, разрабатываются процессы формирования металлов, таких как тантал и медь.

Методом атомно–слоевого осаждения можно получать: чистые материалы (С, Al, Si, Ti, Fe, Co, Ni, Ge и др.), оксиды, нитриды, соединения углерода c Si, Se, Te и другие соединения.

Рис. 6.5. Схема атомно–слоевого осаждения (молекулярная сборка из газовой фазы)

В таблице 6.5 представлены сравнительные характеристики процессов атомно–слоевого осаждения и химического осаждения из газовой фазы.

Таблица 6.5. Сравнение атомно–слоевого осаждения и осаждения из газовой фазы

Атомно–слоевое осаждение	Химическое осаждение из газовой фазы
Дискретный (нм\цикл)	Аналоговый (нм\цикл)
Определяется поверхностью	Определяется параметрами процесса
Прецезионность	Высокая скорость осаждения
Использует отдельные источники для каждого вещества	В качестве источников можно использовать смеси
Существенное влияние газодинамических параметров	Существенная зависимость от параметров процесса

Как видно из рис. 6.6, качество покрытия при атомно–слоевом осаждении обеспечивается гораздо лучше, чем при использовании метода химического осаждения из газовой фазы.

Недостатком метода атомно–слоевого осаждения является только его дороговизна.

а

б

Рис. 6.6. Качество покрытия при осаждении из газовой фазы (а) и атомно–слоевом осаждении (б)

6.6. Пленки, получаемые центрифугованием из растворов кремнийорганических соединений (НЦР – пленки)

В настоящее время, для планаризации многоуровневой металлизированной разводки СБИС и УБИС широко используются пленки, полученные центрифугованием из кремнийорганических пленкообразующих растворов (НЦР–пленки – Spin–On–Glass (SOG)). Состав полученного из раствора слоя практически соответствует оксиду кремния, что позволяет использовать эти слои в качестве составной части межуровневого диэлектрика. При этом свойства таких слоев близки к свойствам плазмо–химического оксида кремния. Кроме того, следует отметить низкую стоимость и энергоемкость используемого при этом оборудования, низкую токсичность используемых реагентов и простоту утилизации продуктов реакции. Для создания планаризующих пленок используются пленкообразующие растворы, содержащие соединения, разлагающиеся при сравнительно низких температурах. Этими материалами могут быть продукты гидролитической поликонденсации либо органополи-силоксаны, такие как полисилан, полисилоксан, полисилазан и т.д., либо алкоксисиланы или другие кремний-органические соединения, которые при гидролитической поликонденсации образуют силоксановые цепи, склонные к полимеризации. Свойства пленкообразующих растворов и получаемых из них пленок определяются условиями реакции, такими как молярное соотношение реагентов, рН, концентрация раствора и т.д. Для получения требуемого НЦР–оксида формируется золь, который при помощи центрифугования наносится на подложку, образуя гель (полимер). Для получения требуемых свойств золя необходимо контролировать состав реакционной смеси и условия протекания реакции. При высокой скорости образования золя свойства получаемых пленок ухудшаются, поэтому во время образования кремниевой кислоты необходимо контролировать температуру реакционной смеси.

НЦР–раствор может подаваться на пластину двумя методами – стационарным (пластина неподвижна) и динамическим (пластина вращается). Стационарная подача НЦР–материала обычно позволяет достигнуть лучшего качества покрытия на пластинах меньшего диаметра (100 мм и меньше), а динамическая подача дает лучшие результаты на пластинах диаметром 125 мм и больше. Диаметр трубопровода для подачи материала возрастает с увеличением диаметра пластины, так как при этом необходимо подать большее количество материала. Так для пластин диаметром 100 мм типичный расход материала составляет 1,0–2,0 мл, а для пластин диаметром 150 мм — уже 2,5–4,0 мл.

Типичный процесс нанесения НЦР–пленок состоит из шести циклов. Вначале пластина размещается на столике центрифуги при включенной вытяжной вентиляции. Затем, во втором цикле, на пластину подается необходимое количество НЦР–материала, при этом пластина неподвижна или вращается при скорости около 300 об/мин. Далее, в третьем цикле, при высокой скорости вращения, обычно около 3000 об/мин в течение 5–11 секунд, материал покрывает всю пластину. Более высокая скорость вращения приводит к образованию более тонких пленок, а также к ухудшению однородности толщины и увеличению краевого буртика. Слишком высокая скорость вытяжки из ванны центрифуги приводит к формированию пленок с "лучевым" разбросом. "Лучевой" разброс может быть обусловлен неравномерным испарением растворителя, загрязнениями на подложке, а также и механическими вибрациями. В четвертом цикле, при нанесении НЦР–пленок используют чередование вращения и пауз. В пятом цикле скорость вращения пластины уменьшается до 1500 об/мин. На этой скорости проводится отмывка обратной стороны пластины, а при необходимости и удаление краевого буртика. И, наконец, последний цикл – сушка пластины, которая проводится при скорости около 3000 об/мин в течение около 10 секунд. Окончательное формирование пленки осуществляется путем термообработки в диффузионной печи в атмосфере азота (со скоростью потока 2–6 л/мин) или кислорода при температуре 350–450°С. Между сушкой и отжигом пластины должны храниться в сухой среде с влажностью не более 40% или в продуваемом азотом шкафу. Для нанесения НЦР–пленок может быть приспособлена установка нанесения фоторезиста, но для получения наилучших результатов рекомендуется использовать установку, специально разработанную для нанесения НЦР–пленок. Такая установка имеет множество особенностей, обеспечивающих получение однородных и бездефектных пленок.

Сфера применения НЦР–пленок постоянно расширяется. Так НЦР–пленки широко используются для сглаживания рельефа поликремниевой разводки (диэлектрик под первым металлом), для формирования межуровневого диэлектрика (в том числе и диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью), для формирования пассивирующих слоев. В настоящее время НЦР–пленки стали широко использоваться для изоляции узкими полозками. Кроме того, НЦР–пленки используются в «трехслойном» резисте в качестве стоп–слоя и разделительного слоя, предотвращающего взаимное смешивание слоев, а также для обеспечения маскирования планаризующего слоя. И, наконец, НЦР–пленки активно используются при производстве микроэлектромеханических приборов, при получении антиотражающих покрытий в оптике. Улучшение характеристик пленок, полученных методом центрифугирования, может быть достигнуто также за счет использования перспективных низкотемпературных обработок в плазме азота, паров воды или кислорода. Особое внимание следует уделять совершенствованию методов планаризации и разработке специализированного оборудования для их реализации. Несмотря на традиционную приверженность многих производителей ИМС к ХОГФ методам формирования диэлектриков, синтез исходных материалов в жидкой фазе методами центрифугирования обладает существенно более высокой гибкостью при создании структур с заданным молекулярным составом. В ближайшее время эти две технологии будут развиваться параллельно, взаимодействуя и конкурируя между собой.