ЭИПТ-2 (Сборник лекций Панфилова), страница 5

Реализуемый в МРС аномальный тлеющий разряд происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электроны, эмиттируемые из мишени под действием ионной бомбардировки, захватываются магнитным полем и совершают сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям вблизи поверхности мишени. В результате многократных столкновений электронов с атомами рабочего газа (обычного аргона) резко увеличивается степень ионизации плазмы и возрастает плотность ионного тока (примерно в 100 раз по сравнению с диодной распылительной системой без магнитного поля), что приводит к существенному (в 50 - 100 раз) увеличению скорости распыления материала мишени.

Эффективность процесса плазмооброзования в МРС в 5 - 6 раз выше, чем в диодных распылительных системах без магнитного поля. Энергетическая эффективность процесса распыления, определяемая зависимостью коэффициента распыления от энергии ионов, имеет максимальное значение в диапазоне 300 ‑ 500 эВ, который характерен для МРС. Поскольку в МРС высокая эффективность процесса плазмообразования сочетается с высокой эффективностью процесса распыления, то МРС характеризуется максимальным значением энергетической эффективности по сравнению со всеми другими видами распылительных систем.

Параметры МРС на постоянном токе имеют следующие типичные значения:

• давление рабочего газа (аргона), Па 0,3 - 1,5

• ток разряда, А 10 - 100

• напряжение разряда, B 400 - 600

• магнитная индукция, Тл 0,01 - 0,05

• ширина темного катодного пространства, мм 2 - 4

• скорость распыления, мкм/мин 0,1 - 1,5

• энергетическая эффективность с медной мишенью, кг/Дж (2 - 4)*10^-9

• потребляемая мощность, кВт 5 - 20

Р
ис.17 Схема магнетронной распылительной системы

К недостаткам МРС относятся.

• сравнительно невысокий коэффициент использования материала мишени (около 25% для плоской мишени) и необходимость для его увеличения усложнения формы мишени или конструкции магнитной системы;

• сравнительно невысокая однородность осаждаемой пленки по толщине на неподвижную подложку за счет распыления материала из узкой зоны эрозии мишени, имеющей форму кольца или эллипса в виде V - образной канавки; повышение равномерности пленки требует или возвратно-поступательного движения, или сложного перемещение магнитной системы;

• наличие потока высокоэнергетических электронов создающих основную тепловую нагрузку на подложку (до 60%), что требует изоляции подложкодержателя и установки перед ним дополнительного анода;

• наличие потока отраженных нейтрализованных ионов аргона с энергией в несколько сот электронвольт, требующее их термализации (уменьшения их энергии до тепловой ), когда осаждение пленок производится на тонкие радиационно-чувствительные слои, что обычно достигается выбором давления и расстояния мишень - подложка;

• сравнительно высокое давление рабочего газа (аргона) (0,3 - 1,5 Па) требующее его эффектной очистки для устранения загрязнения пленок.

Магнитная система в МРС может быть выполнена как на базе постоянных магнитов, так и электромагнитов. Первая является более компактной, специализированной и стабильной и используется в промышленном оборудовании. Вторая - более универсальной, но громоздкой и применяется в основном, в лабораторном оборудовании. Для увеличении равномерности при нанесении пленок на рельефную поверхность в МРС между мишенью и подложкой может устанавливаться коллиматор, который уменьшает разброс углов распыленных частиц, прибывающих на поверхность подложки.

7. Теоретические аспекты химического осаждения из газовой фазы

Осаждение из газовой фазы можно определить как конденсацию газообразных (парообразных) элементов или соединений с образованием твердых осадков. В отличии от физического осаждения из газовой фазы (PVD) при химическом осаждении из газовой фазы (CVD – Chemical Vapor Deposition) ее состав и состав пленки могут существенно различаться, так как пленка образуется в результате химических реакций, протекающих и газовой фазе у поверхности подложки, на поверхности подложки или в поверхностном слое подложки.

Процессы химического осаждения из газовой фазы относятся к процессам молекулярного формирования, т.е. твердые осадки в виде порошков или пленок получаются путем контролируемого осаждения вещества в виде отдельных атомов и молекул.

При химическом осаждении из газовой фазы осадок образуется в виде порошка, если химическая реакция его образования протекает только в газовой фазе, и в виде пленочного покрытия, если реакция происходит как в газовой фазе, так и на поверхности подложки. Естественно, что для получения функциональных слоев микросхем пригодна только вторая группа процессов химического осаждения из газовой фазы.

Таким образом, слои материалов образуются при химическом осаждении из газовой фазы в результате сложных многомаршрутных и многостадийных химических реакций на границе раздела газ (пар, газоразрядная плазма) - твердое тело (подложка, пластина с покрываемым функциональным слоем), протекание которых определяется как процессами в газовой фазе, так и превращениями на поверхности в процессе роста слоя.

Например, результирующая гетерогенная реакция химического осаждения из газовой фазы слоя нитрида кремния из силана и аммиака

3SiH4 + 4NH3 Si3N4 + 12H2  ( Д-1 )

включает в себя последовательность реакций чисто газофазных

NH3 1/2N2 + 3/2H2,

SiH4 SiH2 + H2,

SiH2 + SiH4 Si2H6,

Si2H6 2 SiH3

и реакций на поверхности

NH3 N(адс) + 3/2H2 ,

NH3 N(адс) + 3H(адс),

NH3 NH3(адс) 1/2N2 + 3/2 H2

SiH4 SiH4(адс),

SiH2 SiH2(адс),

SiH3 SiH3(адс),

3SiH2(адс) + 4N(адс) Si3N4 (адс) + 3H2  ,

6SiH3(адс) + 8N(адс) 2Si3N4 (адс) + 9H2  ,

где индекс (адс) обозначает частицы в адсорбированном состоянии. Обобщенная кинетическая схема образования слоя материала при его химическом осаждении из газовой фазы на поверхность подложки приведена на рис.18.

A + B I + C

Газовая фаза

S - поверхность

растущего слоя

A_s B_s R

Реакционная зона

Слой осаждаемого

материала

D

П

Подложка

Р ис.18 Обобщенная кинетическая схема образования слоя материала D при его химическом осаждении из газовой фазы на поверхность подложки П в результате реакции A + B C + D, где A и B - исходные реагенты; A_s и B_s - реагенты в состоянии адсорбции; I и R - промежуточный продукт в газовой фазе и адсорбционном слое, соответственно, C - побочный продукт (обычно, газ), D - конечный продукт (слой материала)

Необходимым условием осуществления химического осаждения из газовой фазы требуемого соединения (материала) на поверхность подложки (микроэлектроникой структуры) является образование в результате химической реакции этого соединения в стабильной при температуре и давлении процесса форме. В механизме химического осаждения из газовой фазы можно выделить следующие основные стадии:

• доставка исходных реагентов в зону осаждения (в газовую фазу у поверхности подложки);

• превращение исходных реагентов в промежуточные продукты в зоне осаждения;

• доставка исходных реагентов и промежуточных продуктов к поверхности нагретой подложки;

• адсорбция реагентов и промежуточных продуктов на поверхности подложки;

• реакция с участием реагентов и промежуточных продуктов на поверхности с образованием слоя материала и побочных конечных продуктов в виде газов;

• десорбция газообразных конечных продуктов и непрореагировавших реагентов с поверхности;

• отвод продуктов реакций из зоны осаждения.

Скорость гетерогенных многостадийных процессов определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии. Следовательно, для нахождения закономерностей и технологических характеристик процесса химического осаждения из газовой фазы материала необходимо выявить из его механизма лимитирующую стадию и определить, как влияют на нее операционные параметры и параметры уровня. При этом следует учитывать возможные зависимости вероятностей и скоростей отдельных стадий от состояния поверхности подложки (степени и вида легирования, загрязнения, ориентации и т.д.). В общем виде лимитирующими стадиями химических реакций процессов химического осаждения из газовой фазы могут быть гетерогенная стадия и гомогенная реакция образования промежуточного продукта.

Процессы химического осаждения из газовой фазы классифицируются по виду активации химической реакции на:

• процессы химического осаждения из газовой фазы с термической активацией (thermal CVD processes);

• термические процессы химического осаждения из газовой фазы с дополнительной плазменной активацией (plasma enhanced CVD – PE CVD);

• термические процессы химического осаждения из газовой фазы с дополнительной активацией озоном (ozone CVD processes);

по давлению газовой фазы они классифицируются на:

• процессы химического осаждения из газовой фазы при атмосферном давлении (atmospheric pressure CVD – AP CVD);

• процессы химического осаждения из газовой фазы при субатмосфериом (50‑700 Торр) давлении (sub - atmospheric СVD);

процессы химического осаждения из газовой фазы при пониженном (1‑20 Торр) давлении (low pressure CVD – LP CVD);

• процессы химического осаждения из газовой фазы из силана (sylane CVD);

• процессы химического осаждения из газовой фазы из металлоорганических соединений (metal organic CVD);

• процессы химического осаждения из газовой фазы из тетраэтоксисилана (tetraethyloxysylane (TEOS CVD);

по виду осаждаемого материала на:

• процессы химического осаждения из газовой фазы металлов (metal CVD);

• процессы химического осаждения из газовой фазы полупроводников (semiconductor CVD);

• процессы химического осаждения из газовой фазы диэлектриков (dielectric CVD).

Разработанная в последние годы и реализуемая одновременно в одной камере комбинация процессов химического осаждения из газовой фазы при пониженном давлении и ионного распыления в плазме аргона получила название химического осаждения из газовой фазы в плазме высокой плотности (high density plasma CVD). Схема установки CVD показана на рис.19.