Поляков В.И., Стародубцев Э.В. - Проектирование тонкопленочных ГИС (1051262), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Пассивные компоненты интегральных схем формируютсяизбирательным осаждением тонких пленок на подложках. Тонкиепленки широко используются в полупроводниковых, гибридных исовмещенных интегральных микросхемах для создания проводниковыхсоединений, резисторов, конденсаторов и изоляция между элементамии проводниками. Помимо необходимых электрофизических параметровот них требуется хорошая адгезия (прочность связи) к материалу, накоторый наносится пленка. Некоторые материалы имеют плохуюадгезию с подложками, например, золото с кремнием.
Тогда наподложку сначала наносят тонкий подслой с хорошей адгезией, а нанего – основной материал, имеющий хорошую адгезию с подслоем. Дляпредотвращения повреждений пленок при колебаниях температурыжелательно, чтобы тепловой коэффициент расширения (ТКР) пленок иподложек как можно меньше отличались друг от друга.2. 1. Методы получения тонких пленокВ настоящее время существует довольно много методовполучения тонких пленок, основанных на различных физическихпроцессах. Основными из них являются следующие:1. термическое вакуумное испарение;2. распыление ионной бомбардировкой (катодное распыление);3.
химическое осаждение из газовой фазы;4. химическое осаждение из водных растворов.1. Термическое вакуумное испарениеПо этому методу тонкие пленки получаются в результате нагрева,испарения и осаждения вещества на подложку в замкнутой камере присниженном давлении газа в ней.Основными элементами установки вакуумного напыления,упрощенная схема которой представлена на рис. 1.3, являются:1 - вакуумный колпак из нержавеющей стали;2 - заслонка;3 - трубопровод для водяного нагрева или охлаждения колпака;4 - игольчатый натекатель для подачи атмосферного воздуха в камеру;5 - нагреватель подложки;6 - подложкодержатель с подложкой, на которой может быть размещентрафарет;7 - герметизирующая прокладка;88 - испаритель с размещённым в нём веществом и нагревателем.Рис.
1.3. Упрощенная схема рабочейкамеры термовакуумного напыленияПроцесс проведения операциивакуумного напыления включает всебявыполнениеследующихдействий. В верхнем положенииколпакасподложкодержателяснимают обработанные подложки иустанавливаютновые.Колпакопускают и включают системувакуумных насосов (вначале дляпредварительного разрежения, затем высоковакуумный). Дляускорения десорбции (удаления) воздуха с внутренних поверхностей исокращения времени откачки в трубопровод подают горячуюпроточную воду. По достижении давления внутри камеры порядка 10-4Па (контроль по манометру) включают нагреватели испарителя иподложек.
По достижении рабочих температур (контроль с помощьютермопар) заслонку отводят в сторону и пары вещества достигаютподложки, где происходит их конденсация и рост плёнки. Системаавтоматического контроля за ростом плёнки фиксирует либо толщинуплёнки (для диэлектрика плёночных конденсаторов), либоповерхностное сопротивление (для резисторов), либо время напыления(проводники и контакты, защитные покрытия). Вырабатываемый приэтом сигнал об окончании напыления после усиления воздействует насоленоид заслонки, перекрывая ею поток пара.
Далее отключаютнагреватели испарителя и подложек, выключают систему откачки, а втрубопровод подают холодную проточную воду. После остыванияподколпачных устройств через натекатель плавно впускаютатмосферный воздух. Выравнивание давлений внутри и вне колпакадаёт возможность поднять его и начать следующий цикл обработки.Основными достоинствами метода являются:1. Возможность получения резистивных пленок с широкимдиапазоном изменения удельного поверхностного сопротивления.2.Относительнаяпростотатехнологическогоконтроля,обеспечивающая хорошую воспроизводимость номиналов резистора.3. Совместимость технологических процессов получениярезистивных, проводящих и диэлектрических пленок.4.
Высокая производительность при напылении тонкопленочныхэлементов.9Термическое вакуумное напыление имеет ряд недостатков иограничений, главные из которых следующие:1. напыление плёнок из тугоплавких материалов (W, Mo, SiO2,Al2O3 и др.) требует высоких температур на испарителе, при которыхнеизбежно "загрязнение" потока материалом испарителя;2. при напылении сплавов различие в скорости испаренияотдельных компонентов приводит к изменению состава плёнки посравнению с исходным составом материала, помещённого виспаритель;3. инерционность процесса, требующая введения в рабочуюкамеру заслонки с электромагнитным приводом;4. неравномерность толщины плёнки, вынуждающая применятьустройства перемещения подложек и корректирующие диафрагмы.Первые три недостатка обусловлены необходимостьювысокотемпературного нагрева вещества, а последний - высокимвакуумом в рабочей камере.Из-за недостатков данного способа термическое вакуумноеиспарение применяется, в основном, только для чистых металлов.2.
Распыление ионной бомбардировкой (катодное распыление)Ионно-плазменное напыление происходит в тлеющем разряде исостоит в распылении материала отрицательно заряженного электрода мишени под действием ударяющихся об него ионизированных атомовгаза и осаждении распыленных атомов на подложку.На рис. 1.4 представлена схема рабочей камеры установкикатодного распыления. Основными элементами камеры являются:1 - анод с размещенными на нём подложками;2 - игольчатый натекатель, обеспечивающий непрерывную подачуаргона;3 - катод - мишень из материала, подлежащего распылению;4 - вакуумный колпак из нержавеющей стали;5 - экран, охватывающий катод с небольшим зазором ипредотвращающий паразитные разряды на стенки камеры;6 - постоянный электромагнит, удерживающий электроны в пределахразрядного столба;7 - герметизирующая прокладка.Из рис.
1.4 также видно, что питание осуществляетсяпостоянным напряжением, и что нижний электрод с подложкамизаземлён и находится под более высоким потенциалом, чем катодмишень. Переменная нагрузка служит для регулирования тока разряда.10РРис. 1.4. Упрощенная схема рабочейкамеры катодного распыленияПринцип катодного распылениязаключается в следующем. Вподколпачном устройстве придавлении 10-1-10-3 мм ртутногостолба между двумя электродами,удаленными друг от друга нанесколькосантиметров,прианодном напряжении более 103 Ввозбуждается тлеющий разряд.Положительные ионы остаточного газа, как правило, аргона,ускоряются в темновом пространстве и бомбардируют катод, выбиваяатомы катодного материала из кристаллической решетки.
Эти атомы сотносительно высокой энергией осаждаются на поверхность подложки.При этом образуется равномерная тонкая планка. Из-за сильногорассеяния распыляемых атомов в атмосфере остаточного газа тонкиемаски, плотно лежащие на подложке, не лают четких контуров.Поэтому для формирования топологии дополнительно используютфотолитографию. Тонко дозированное добавление таких газов, каккислород и азот, позволяет в широких пределах влиять намеханические и электрические свойства пленок. Газы, подверженныеионизации в тлеющем разряде, являются химически наиболееактивными, что позволяет получать оксидные и нитридные пленкисамым простым способом.
Такое распыление, связанное с химическойреакций, называется реактивным распылением.При распылении диэлектриков необходимо учесть, чтопопадающие на катод положительные ноны не могут большенейтрализоваться электронами, поступающими от источника питания.При этом катод быстро заряжается положительно и отталкивает всепоследующие ноны. Так как не эмиттируются электроны дляионизации новых молекул газа, то тлеющий разряд гаснет.
Одним изметодов получения недостающих электронов является использованиеособого источника, например термо-эмиссиоиного катода (триоднаясистема распыления).Работа на переменном напряжении также уменьшаетнеустойчивость тлеющего разряда. При этом положительный заряд,накапливающийся на катоде в течение одной полуволны,нейтрализуется электронами следующей полуволны.11Важнейшими параметрами для контроля свойств пленок прикатодном распылении являются:•давление рабочего газа;•чистота рабочего газа;•напряжение распылении (I—5 кВ);•плотность тока (0,1—20 мА/см2) в зависимости от давления инапряжения;•температура подложки.Свойства пленок при катодном распылении в большей степенизависят от геометрии деталей применяемого оборудования, чем притермовакуумном испарении.По сравнению с термическим вакуумным испарением данныйпроцесс позволяет получать пленки тугоплавких металлов, наноситьдиэлектрические пленки, соединения и сплавы, точно выдерживая ихсостав, обеспечивать равномерность и точное воспроизведениетолщины пленок на подложках большей площади, а также малуюинерционность процесса.Достоинством метода также является отсутствие в техпроцессевысоких температур.Недостатком метода является его длительность - скорость ростаплёнки (единицы нм/с) из-за значительного рассеивания распыляемыхатомов материала в объёме рабочей камеры.3.
Химическое осаждение из газовой фазыХимическое осаждение из газовой фазы - получение твердыхвеществ реакциями с участием газообразных соединений. Помеханизму реакций подразделяется на 4 вида:1. термическое разложение или диспропорционированиегазообразных соединений, например, SiH4 →Si, ZrI4 →Zr, Ni(CO)4 →Ni, AlF → Al, MRn → M, где M - металл.
R - органический радикал.Диспропорционирование это химическая реакция, в которой один и тотже элемент выступает и в качестве окислителя, и в качествевосстановителя, причём в результате реакции образуются соединения,которые содержат один и тот же элемент в разных степенях окисления.Скорость осаждения путем реакции диспропорционированиясоставляет 2–4 мкм/час;2. взаимодействие двух или более газообразных веществ,например, WF6 + Н2 → W, SiCl4 + NH3 → Si3N4, UF6 + Н2 + O2 → UO2;3. пиролиз (разложение органических соединений поддействием высокой температуры) газообразных углеводородов(отличается многостадийностью и разветвленностью);4. взаимодействие газообразных веществ с твердыми(контактное осаждение), например: WF6 + Si → W.12Наиболее многочисленны реакции второго вида. Реакциипоглощения газообразных оксидов или галогенидов твердымивеществами (типа СаО + СО2 → СаСО3, NaF + HF → NaHF2) не относятк химическому осаждению из газовой фазы.Процессы химического осаждения из газовой фазы проводят приобычном или пониженном давлении.
Для активирования используютодин из трех основных методов: термический, фотохимический(включая лазерный) и плазменный.Как правило, химическое осаждение из газовой фазы проводятна неподвижной подложке. Однако известны конструкции аппаратовдля химического осаждения из газовой фазы, в которых подложкиперемещаются вдоль реакционной зоны, качаются или вращаются вней, а также находятся во взвешенном состоянии, Это позволяетполучать плоские, цилиндрические и сферические покрытия, ленты,конусы, нити, стержни и тела произвольной формы, а в сочетании сфотолитографией - сложные микроструктуры. Химическое осаждениеиз газовой фазы может протекать в объеме и использоваться дляполучения порошков (подложками служат зародыши твердыхпродуктов).С помощью химического осаждения из газовой фазы получаютоколо 200 веществ, среди которых простые вещества и неорганическиесоединения, а также несколько органических соединений (например,разновидности полиэтилена), сплавы металлов, аморфные "сплавы" Si сН, F, C1 и др.Основные области применения химического осаждения изгазовой фазы: нанесение функциональных, слоев проводников,полупроводников и диэлектриков (W, Si, SiO2, Si3N4 и др.) припроизводстве электронных приборов и схем; нанесение разнообразныхзащитных и декоративных покрытий на детали машин и аппаратов, наинструменты, нанесение защитных и отражающих оптическихпокрытий; изготовление деталей и изделий из тугоплавких веществ,например сопел из графита или W для ракетных двигателей;выращивание заготовок для кварцевых оптических волокон, в томчисле с переменным по диаметру показателем преломления;производствоядерноготоплива;производствообъемныхмонокристаллов и "усов" для композиционных материалов;производство высокопористых ультрадисперсных порошков (например,компонентов керамики.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
