Курсова робота
Технологія формування та вимірювання параметрів силіцидних плівок для
структур ВІС
Зміст
Вступ………………………………………………………….
………….4
Розділ 1. Властивості, застосування силіцидів і методи утворення тонких
плівок………………………….6
1.1Фізико-хімічні властивості силіцидів…………………6
Розділ 2. Основні методи формування силіцидних і поліцидних
плівок…………………………………………………13
2.1Термоіонне осадження силіцидних плівок………_
Плазмохімічне травлення силіцидних і поліцидних міжз’єднань……………………………._
2.3 Формування плівок металу на кремнію…………._
2.4 Одночасне нанесення компонентів кремнію………_
2.5 Напилення дисиліцидної мішені……………………….._
2.6 Магнетронне напилення……………………………………._
2.7 Метод випаровування……………………………………….._
2.8 Нанесення силіциду із газової фази……………………._
2.9 Термічна обробка для утворення силіциду……….._
2.10 Нанесення кремнію при іонній імплантації………._
Розділ 3. Контроль електрофізичних параметрів і технологічних режимів
нанесення плівок при формуванні структур
ВІС………………………………………._
3.1 Вимірювання товщини плівок……………………………_
3.2 Вимірювання електричного опору плівок і його залежність від
температури……………………………………._
3.3 Вимірювання адгезії, конфомності осаджування силіцидних
плівок………………………………………………….._
3.4 Вимірювання швидкості нанесення плівок…………_
3.5 Вимірювання напружень, термічного коефіцієнта
розширення……………………………………………………..
…….._
3.6 Вимірювання швидкості окислення і травлення силіцидних
плівок………………………………………………….._
Розділ 4. Тестовий контроль для параметричної оптимізації
структур………………………………………………._
4.1 Тестова структура Ван-дер-Пау…………………………_
4.2 Комбінована тестова структура…………………………._
4.3 Тестова структура для оцінки зсуву між двома провідними
топологічними шарами…………………………_
4.4 Спектрометрія силіцидних та поліцидних тонких плівок структур
ВІС………………………………………………._
4.5 Електрофізичне діагностування надійності ВІС субмікронної
технології………………………………………….._
Розділ 5. Економічна частина ……………………………….._
Розділ 6. Охорона праці і техніка безпеки……………….._
Висновки……………………………………………………….
………_
Список використаної літератури…………………………._
Вступ
Можливість застосування силіцидів при виготовленні напівпровідникових
приладів і мікросхем визначається не тільки необхідністю забезпечити
потрібну якість затворів і контактних з’єднань, але і для співпадання
зрештою технологічних сценаріїв. Базовими процесами інтеграції елементів
транзисторних інтегральних схем є створення міжз‘єднань і отримання
малюнка за допомогою плазмохімічного травлення нанесених шарів.
Традиційна транзисторна мікроелектроніка підійшла до фізичних і
технологічних меж. Виникла проблема створення наноелементів, необхідно
зменшити витрати енергії на нагрівання елементів.
Для досягнення цієї мети необхідно вводити нові методи виготовлення і
технологій. Важливу роль відіграє і матеріал з якого виготовляють МДН
ВІС: вони мають бути дешеві і витрати енергії на їх обробку теж мають
бути мінімальними.
Економічність—елемент який визначає кінцевий вибір того чи іншого
рішення.
Для досягнення цієї мети було досліджено велику кількість хімічних
елементів і їх сполук (W, Si, P, Ge та ін.) (розділ 1.1). У даній роботі
описано властивості елементів в нанотехнології. Подано властивості
силіцидів та їх основні параметри, а також методи їх дослідження і
технологічного контролю. Розроблено велику кількість установок для
очищення цих елементів і установки для їх подальшого використання
(розділ 1.3). Але кожен з описаних методів має свої переваги і недоліки.
Саме кремній є найкращим матеріалом для створення напівпровідникових
схем. У розділі 2 розглянемо основні методи вимірювання електрофізичних
параметрів силіцидних плівок. Розглянемо методи контролю за формуванням
силіцидних плівок для субмікронної технології ВІС (розділ 3).
Наявність домішок утрудняють утворення стійкої фази—дисиліциду, а також
перешкоджають зростанню зерен, що веде до підвищення температури його
гомогенного утворення, а, отже, до підвищення питомого опору і
погіршенню механічних властивостей. Крім того, наявність кисню в об’ємі
силіциду порушує процес утворення в поверхні силіциду двоокису кремнію
при нагріві в окислювальній атмосфері. Проте, якщо вдається значно
понизити домішки кисню, то можна одержати, наприклад, методом розпилення
з дисиліцидної мішені, властивості не гірші, ніж методом одночасного
розпилення.
Утворення „полішару”— попередній і вимушений шлях застосування силіцидів
тугоплавких металів в технології ВІС, тому що виключення підшару кремнію
значно спрощує технологію. Тому можливість нанесення силіциду прямо на
оксид — важлива умова при порівнянні методів утворення силіцидів. По
цьому критерію безперечно відпадають методи нанесення металу на кремній
і газофазний. Непридатними виявляються також силіциди молібдену і
вольфраму при будь-якому методі утворення плівки, оскільки створення на
поверхні таких плівок шару двоокису кремнію неможливе без підшару
кремнію зважаючи на утворення нестійких оксидів вольфраму і молібдену.
Розділ 1. Фізико-хімічні властивості силіцидів
Силіцид, як матеріал для електродів МОН-транзисторних з’єднань і
контактів, повинен мати наступні властивості:
низький питомий опір;
зручність виготовлення;
зручність травлення для утворення структури;
можливість окислення;
механічна стабільність, тобто хороша адгезія і низькі внутрішні
напруження;
чистота поверхні;
стабільність при виготовленні приладу, включаючи високотемпературний
відпал, сухе і вологе окислення, нанесення фосфорно-силікатного скла,
пасивацію, металізацію і т. д.;
відсутність реакції з металом, що забезпечує остаточну металізацію,
зокрема, з алюмінієм;
відсутність можливості забруднення приладів, пластин, апаратури;
хороші характеристики приладів, необхідний час відновлення;
для контактних вікон — низький контактний опір, максимальне проникнення.
Щоб задовольнити всім перерахованим вимогам були досліджені практично
всі існуючі силіциди. У результаті було встановлено, що тільки силіциди
тугоплавких металів і, в першу чергу, силіциди вольфраму, молібдену,
танталу і титану можуть бути рекомендовані для подальших досліджень,
оскільки інші не задовольняють з перерахованим вимогам. За вказаний час
майже не було робіт, присвячених вибору якнайкращого з чотирьох
матеріалів, хоча по кожному з них була показана практична можливість
застосування в технології. Дослідження властивостей названих силіцидів
триває до теперішнього часу.
Питомий опір силіцидів
Силіциди тугоплавких металів застосовуються у вигляді тонких плівок
(товщиною менше 0,5 мкм), властивості яких відрізняються від
властивостей тих же матеріалів у вигляді злитка, наприклад, питомий опір
плівки завжди вище за питомий опір злитка того ж матеріалу. Пояснюється
це тим, що, якщо товщина плівки і зерна її полікристалічної структури
одного порядку, то розміри зерен, а також порушення структури істотно
міняють властивості плівки в порівнянні з властивостями злитка, в якому
товщина трохи більше розміру зерен. Нижче розглянуті тільки властивості
тонких плівок як силіцидів, так і металів, утворюючих силіцид. Для
утворення плівки силіциду, різними способами наносять його компоненти —
метал і кремній у вигляді послідовних шарів або суміші– які потім
піддають відпалу. Властивості плівки силіциду істотно залежать від
способу її освіти. У міру збільшення температури відпалу після нанесення
компонентів силіциду утворюються різні полікристалічні фази останнього,
що мають розмір зерна Д (Рис. 1. 1) тим більший, чим вища температура
утворення даного силіциду.
Питомий опір плівки ? знижується із зростанням розміру зерна (рис. 1.
2).
Для кожного силіциду при певній температурі утворюється стійка фаза,
склад якої, розмір зерна Д, а, отже, і ? не змінюється при подальшому
підвищенні часу відпалу Т. Склад стійкої фази для всіх даних силіцидів
однаковий — дисиліцид, але температура його утворення різна (Рис. 1. 3).
Якщо після відпалу провести термообробку при більш високій температурі,
то відбувається рекристалізація і зміна складу плівки, що визначає
значення питомого опору і його залежність від температури відпалу для
утворення силіциду. В табл. 1 приведені сталі значення питомого опору
силіцидів тугоплавких металів, що відповідають двом основним способам їх
утворення: нанесення плівки металу на кремній і одночасному нанесення
компонентів силіциду (одночасне розпилення).
Рис. 1. 1. Розмір зерна в плівці дисиліцид молібдену.
Рис. 1. 2. Залежність питомого опору плівки дисиліцид молібдену.
В першому випадку температура утворення дисиліциду вище, а питомий опір
нижче, що пояснюється наявністю на границі кремнію і металів домішок
оксидів, а у разі легування кремнію — залишків фосфорно-силікатного
скла. При розгляді способів утворення силіцидів необхідно зупинимося на
тих випадках, коли питомий опір відрізняється від приведеного (див.
табл. 1).
Рис. 1. 3. Шаровий опір (1) і вміст дисиліцид танталу в плівці (2),
одержаній одночасним розпиленням танталу і кремнію в співвідношенні 1:2.
По значенню питомого опору дані дисиліциди відрізняються приблизно в
чотири рази. Найменший опір має дисиліцид танталу, найбільший —
дисиліцид молібдену. При температурі відпалу силіциду вольфраму рівної
1100 °С одержано ?=42 мкОм*см, а при такому ж відпалі розрахункове ?
дисиліцид молібдену складає 18 мкОм*см.
Найбільшою стабільністю опору володіє дисиліцид танталу. Температура
утворення дисиліцид танталу і титану нижче, ніж молібдену і вольфраму.
Механічна стабільність
Якщо плівка металу (Ме) нанесена на кремній і піддана відпалу в
результаті якого утворений дисиліцид MeSi2, то об’єм атомів металу в
плівці силіциду стає менше ніж сума об’ємів атомів в плівці металу і в
плівці кремнію. Ця зміна об’єму може бути джерелом внутрішніх напруг,
причому значення його для даних силіцидів достатньо велике (23—27%) і
майже однакове. Воно істотно зменшується, якщо дисиліцид одержують
методом одночасного нанесення його компонентів в співвідношенні 1:2.
Інша причина появи внутрішніх напруг — різниця коефіцієнта термічного
розширення (КТР) дисиліцидів і кремнію, який для останнього складає
3*10-6 1/град, а для силіцидів — (7—10) •10-6 1/град, причому для різних
дисиліцидів КТР близький по величині. Тому і значення внутрішніх напруг
різних силіцидів не сильно відрізняються, складаючи (1-3)* 10-11 Н/м2.
Проте хороша адгезія плівки має місце при отриманні силіцидів танталу і
титану і вимагає спеціальних зусиль для силіцидів молібдену і вольфраму.
Внутрішні напруження менше в тонких плівках і коли плівка дисиліцид
близька по товщині до плівки кремнію, що знаходиться під нею.
Таблиця 1. Значення питомого опору силіцидів
Силіцид Спосіб утворення Температура утворення, 0С Питомий опір, мкОм*см
TiSi2
TaSi2
WSi2
MoSi2 Метал на кремнії. Одночасне розпилення
Метал на кремнії. Одночасне напилення
Метал на кремнії. Одночасне напилення
Метал на кремнії. Одночасне напилення 700
>600
700
600
>1100
1000
1100
1050 13-16
25
35-45
50-55
100
70
90
100
Окислення силіцидів
Термін «окислення» для плівок силіцидів, що використовуються у
виробництві напівпровідникових приладів, розуміють достатньо обмежено.
Він означає процес, при якому на поверхні силіциду після нагрівання в
окислювальній атмосфері утворюється стійка плівка двоокису кремнію при
незмінному складі силіциду. Можливість такого окислення для всіх
силіцидів тугоплавких металів в даний час не викликає сумнівів оскільки
дифузія кремнію в них відбувається значно швидше, ніж металів входять в
їх склад.
Таблиця 2 Температурна залежність зміни об‘єму
Компоненти силіцидів Теплота утворення SiO2 і оксидів металів, Дж
Наявність летучих оксидів Температура плавлення, 0С Розчинність кисню в
металі Зміна об’єму при окисленні %
Мо
W
Ta
Ti
Si 60
70
90
110
75 +
+
—
—
— 800
1500
2000
2000
— 1
0,1
3
6
— 3,3
3,4
2,5
1,7
2,2
Тому, якщо шар силіциду розташований на кремнії, то атоми останнього при
відповідній температурі, дифундують крізь силіцид, утворюючи на його
поверхні стійкий шар двоокису кремнію за наявності окислювальної
атмосфери. Встановлено також, що оскільки теплота утворення оксидів
титану і танталу більше, а молібдену і вольфраму менше ніж двоокису
кремнію (табл. 2), то виникнення на поверхні силіцидного шару двоокису
кремнію більш вірогідне для силіциду танталу і титану. Проте, навіть
коли термодинамічне окислення металу вигідніше, ніж кремнію, що росте на
поверхні силіцид оксиді відсутні метали, що пояснюється недоліком
вільного кисню, який швидко реагує з кремнієм.
Утворення двоокису кремнію на поверхні силіциду також відбувається
завдяки здатності силіцидів тугоплавких металів розчиняти кисень в
певних кількостях без утворення оксидів; у танталу і титану вона істотно
вище, а у молібдену і вольфраму нижче (див. табл. 2).
Якщо під силіцидом знаходиться шар двоокису кремнію, картина окислення
істотно ускладнюється, оскільки в ньому починають брати участь атоми
металу, а також атоми кремнію з двоокису, що порушує якість останньої.
Висока стабільність процесу окислення силіцидів спостерігається за
відсутності у металів летючих оксидів, більш високій температурі
плавлення металів і меншій зміні об’єму при утворенні оксидів металів.
По цих ознаках тантал і титан більш придатні для окислення, ніж вольфрам
і молібден (див. табл. 2). Зокрема, на плівках силіцидів вольфраму і
молібдену, нанесеного на двоокис кремнію, ні за яких умов не можна
утворити шар двоокису кремнію без порушення складу силіциду, тоді як на
силіцидах танталу і титану такі умови вдається одержати, наприклад,
створивши надлишок атомів кремнію в силіциді . На процес окислення
силіциду може так само впливати тонкий шар природного оксиду між
силіцидом і кремнієм, що знаходиться під ним. В плівці кремнію можуть
утворюватися розриви, що обумовлене локальною дифузією кремнію в
силіциді через дефекти природного оксиду. Проте при цьому однорідність
оксиду на поверхні силіциду зберігається, що можна пояснити більш
швидкою дифузією кремнію в шарі силіциду, ніж окислення на поверхні
розділу оксид-силіциду.
Розділ 2. МЕТОДИ ФОРМУВАННЯ ПЛІВОК СИЛІЦИДІВ
§ 2.1 Термоіонне осадження силіцидних плівок
Велика кількість робіт посвячено розробці приладів і дослідженню
властивостей однокомпонентних плівок, одержаних в умовах термоіонного
осадження. У всіх цих роботах використовувався випарник з направленим
потоком випаруваного матеріалу.
Загальним для всіх цих пристроїв є випаровування матеріалу, його
часткова іонізація дуговим або високочастотним розрядом і прискорення
іонів у напрямі підкладки прикладеним до неї електричним потенціалом.
Для термоіонного осадження наношарів при одночасному випаровуванні
компонент розроблено пристрій, макет якого представлений на Рис. 2. 1.
Як вакуумний пост застосовується серійна апаратура з промасленим
насосом. Пристрій складається з двох одночасно працюючих
електронно-променевих випарників, описаних в роботі, один з яких
застосовувався для осадження кремнію, інший, забезпечений розрядовим
пристроєм — для термоіонного осадження титану. Нагрів підкладок
здійснюється двома лампами розжарювання КГ-1000, режим роботи яких
задавався регулятором напруження живлення. Напуск реактивних газів і їх
кількість встановлювалося за допомогою голчатого напускача, вмонтованого
у вакуумну камеру. Як підкладкотримач використовувалась кругла,
електрино ізольована пластина з нержавіючої сталі. Через обертове
контактне з’єднання на неї подавалася регульована напруга зсуву від
окремого джерела постійного струму.
Описаний макет пристрою термоіонного осадження наношарів легко
реалізований в установці УВН-ЭИП 17/4-001, оскільки вона оснащена
електронно-променевим випарником (ЕПВ) з іонізатором потоку пари
випаровуваного матеріалу. Розташоване додаткового, ЕПВ, працюючого
одночасно з тим, що вже є, дозволив одержувати силіцидні наношари
заданої стехіометрії з бомбардуванням конденсату іонами титану.
Конструкція такого внутрішньо камерного пристрою схематично зображена на
Рис. 2. 2.
Рис. 2. 1. Схема макету приладу термоіонного осадження плівок силіцид
титану:
1—підкладкотримач; 2—нагрівник; 3—підкладка; 4—заслінка потоку пари;
5—електронно-променевий випарник; 6—молекули випаровуваних
матеріалів; 7—розрядний електрод; 8—іони титану; 9—„масові”
супутники.
Елементний склад силіцидних плівок задавався швидкостями випаровування
кожної з компонент.
Спектр і парціальний тиск залишкових газів аналізувався за допомогою
монопольного мас-спектрометра МХ-7304, датчик якого вмонтований
безпосередньо у вакуумну камеру.
Розглянемо більш детально параметри термоіонного осадження.
Швидкість конденсації плівки UK розраховується по товщині плівки ?0 і
часу конденсації t. Товщина плівки за областю дії іонного пучка ?0
визначається за допомогою «масових» супутників, а в області дій іонного
пучка методом багато променевої інтерферометрії.
Визначити потік нейтральних атомів (na), випаровуваних матеріалів на
підкладку можна, використовуючи вираз:
na= nTi+ nSi , (1)
де: nTi– потік атомів титану;
nSi — потік атомів кремнію.
Рис. 2. 2. Схема внутрікамерного оснащення УВН ЭИП 17/4 — 001 з двома
електронно-променевими випарниками:
1 — робоча камера; 2 — диск з підкладками; З — привід обертання; 4 —
блок узгодження, 5,6— ЕПВ, 7,8 — індикатор, 9— заслінка.
Визначимо кожну із складових рівняння (1)
, (2)
Sn—площа підкладки;
а і с—параметри кристалічної ґратки титану;
?Ті—товщина титану.
, (3)
Uam—об’єм атома кремнію;
?Si—товщина плівки кремнію;
Мам—масове число кремнію;
?Si—густина кремнію.
Підставляючи значення з (2) і (3) в (1) отримаємо:
, (4)
Потік іонів (nU) виражається через величину іонного струму ІU на
підкладку:
, (5)
е—заряд електрона.
Знаючи потік нейтральних і іонізованої компонент на підкладку, можна
визначити інтенсивність іонного бомбардування:
, (6)
При постійній швидкості конденсації UK, яка задається потужностями
електронно-променевих випарників, інтенсивність іонного бомбардування
можна збільшити двома способами: збільшенням напруження зсуву підкладки
Uсм, яка задає енергію іонів при постійній потужності розряду, або
збільшенням потужності розряду при U=const. При цьому збільшується струм
розряду на пологій ділянці вольт-амперної характеристики, що і приводить
до збільшення ступеня іонізації плазми.
Наявність плазми усередині камери сприяє десорбції атомів і молекул
залишкових газів із стінок усередині камерного оснащення і, відповідно,
збільшує тиск в камері (Рис. 2. 3, а). Крім того, відбувається
перерозподіл величин парціальних тисків газів залишкової атмосфери. Так,
в результаті часткової іонізації молекул води спостерігаємо збільшення
піку атомарного кисню і збільшення піків вуглеводневих сполук. (див.
Рис. дод. 1).
Бомбардування плівки, що росте, в процесі конденсації іонами титану
приводить до часткової її розпиленості. По цьому введено поняття про
ефективного потоку частинок на підкладку, який представлений виразом:
nеф=nU[1-S(EU)*na], (7)
Рис. 2. 3. Діаграма тиску залишкових газів (а) і спектра мас (б) у
камері напилення на різних етапах роботи установки: 1—відкачка камери
до високого вакууму; 2—включення 2 ЕПВ і обезгажування злитків;
3—включення розряду і конденсація. Цифри означають масові числа.
STi+Si визначаємо з формули:
, (8)
де С—процентний вміст титану в плівці;
— густина плівки Ti+Si;
МТі і МSi—масові числа титану і кремнію.
Залежність S(Еа) від енергії іонів представлена на Рис. 2. 4 а.
Інтенсивність іонного бомбардування залежить від величини прискорюючої
напруги іонів. Це ускладнює визначення кожного з операційних параметрів
окремо. Тому у ряді випадків для трактування результатів вводиться
параметр, званий питомою енергією іонного бомбардування, або фактором
енергетичної активації:
ФЕ=ЕU*nU/na, (9)
Він характеризує середню енергію, що припадає на один конденсуючий атом.
В деяких випадках при проведенні технологічних процесів проводиться
напуск реактивних газів в камеру під час осадження плівок. Для
порівняння результатів, одержаних з напуском кисню і азоту, зручно
використовувати параметри UK/PO2 і UK/PN2 азоту. Ці параметри
пропорційні кількості конденсованих на підкладку частинок випаровуваного
матеріалу і реактивних газів.
Температура конденсованих плівок вимірювалася за допомогою
хром-алюмінієвої термопари, притиснутої до зворотної сторони кремнієвої
пластини і електрично ізольованого потенціометра. На Рис. 2. 4 б
представлена залежність температури підкладки від питомої енергії
іонного бомбардування.
Рис. 2. 4. Залежність коефіцієнта самонапилення плівок Тi+5i від енергії
іонів титану (а) і температури підкладки від питомої енергії іонного
бомбардування (б).
Для ряду хлорфторвуглеводневих сполук з різною молекулярною масою
досліджений вплив складу плазми на величину швидкості травлення двоокису
кремнію і кремнію в широкому діапазоні робочих тисків і питомої
потужності розряду. Для нанотехнологій практично важливо вибрати
оптимальні режими селективного травлення SiО2 i Si з урахуванням
залежності швидкостей травлення силіцидів від концентрації компонентів
робочого газу, тиск газової суміші, питомої потужності розряду,
кількості матеріалу, який травиться.
Оптимальні режими реактивного іонного травлення вибираються на основі
порівняльного аналізу процесів реактивного іонного травлення плівок
алюмінію в тетрахлорметані і тетрахлориді кремнію при індивідуальній
обробці пластин. Розроблені технологічні процеси сухого травлення
полікремнія, нітриду і двоокису кремнію, силіцидів тугоплавких металів і
алюмінію забезпечують селективність не гірше 15 — 20 при величині
бічного підтравлення не більше 100 нм.
§ 2.2 Плазмохімічне травлення силіцидних і поліцидних міжз’єднань.
Базовими процесами інтеграції елементів транзисторних інтегральних схем
є створення міжз‘єднань і отримання малюнка за допомогою плазмохімічного
травлення нанесених шарів. Розглянемо більш детально плазмове травлення
плівок двокомпонентних систем—силіцидів титану. вольфраму, молібдену і
шару полікремнія для вибору оптимальних режимів травлення двошарових
(поліцидної) структур міжз‘єднань МДП НВІС.
Силіцидні і поліцидні плівки титану і молібдену створюються на окислених
підкладках кремнію. Плазмове травлення силіцидів проводяться у
високочастотній (13, 56 МГд) діодній системі з ємнісною активацією
розряду при густині високочастотної потужності 0,3 — 0,35 Вт/см2. Зразки
розташовуються на потенційному електроді. У якості плазмостворюючої
суміш використовується гексафторид сірки, розбавлений киснем, широко
вживаний для травлення кремнію і полікремнія.
На Рис. 2. 5 а приведена залежність швидкостей травлення плівок від
тиску плазмостворюючої суміші (гексафторид сірки— 10% кисню): силіцидів
титану С=3,8 (2), С=2.2 (3); силіцидів молібдену С=1,1 (6), С=2,3 (5),
С=4,5 (4); полікристалічного кремнію (1) і двоокису кремнію (7).
Як видно з Рис. 2. 5 а, швидкість травлення плівок силіцидів титану і
молібдену підвищується із зростанням вмісту в них кремнію (збільшення
значення константи С). Плівки з більш низьким вмістом кремнію (С=1,1;
2,2; 2,3) мають максимальну швидкість травлення при Рсм=4*10-2 мм. рт.
ст. При цьому ж тиску досягається оптимальна селективність травлення
плівок по відношенню до двоокису кремнію.
Як приклад розглянемо травлення наношарів силіцидів титану і молібдену
складу С=2,0. Бічне підтравлення (відносно маски травлення) силіцидних
плівок і молібдену товщиною 400-470 нм складає 150-200 нм на сторону.
Причому, на відміну від полікремнія, величина бічного відходу розміру
плівки силіциду практично не збільшується при перетравлюванні в часі,
що, ймовірно, пов’язано з осадженням на стінках травлення силіцид
полімерного шару, екрануючого травлення. Нахил стінок в профілі
травлення зразків силіцидів титану і молібдену складає 60-70 градусів до
поверхні підкладки. Форма профілю травлення контролюється за допомогою
растрового електронного мікроскопа.
В профілі травлення поліцидних плівок на границі розділу шарів силіциду
і полікремнія утворюється виступ шару силіциду. Очевидно, це викликано
тим, що швидкість травлення полікремнія (див. Рис. 2. 5 а) значно вище,
ніж силіцид титану (3) і молібдену (5), внаслідок чого відбувається
підтравлення полікремнію під шар силіциду.
Зменшення швидкості травлення полікремнію можна досягнути збільшенням
змісту кисню в плазмостворюючій суміші.
На Рис. 2. 5 б показана залежність швидкостей травлення полікремнію (1),
силіцидів титану (2), молібдену (3) і величини виступу ?Х в профілі
травлення поліциду товщиною 800 нм (4) від процентного вмісту кисню в
плазмостворюючій суміші.
Величину виступу вимірювали з допомогою електронного мікроскопа при
збільшенні 20000. Вимірювання показують, що виступ величиною близько 150
нм в профілі травлення поліциду зникає при вмісті кисню в
плазмостворюючої суміші 60—65% тобто коли швидкості травлення
полікремнію і силіциду рівні або достатньо близькі по величині (див.
Рис. 2.5 б). З підвищенням вмісту кисню до 75% в плазмостворюючої суміші
швидкість травлення молібдену збільшується (3), а швидкості травлення
полікремнія (1) і силіцид титану (2), залишаючись близькими по величині,
зменшуються.
Рис. 2. 5. 3алежність швидкості травлення плівок силіцидів титану і
молібдену від тиску плазмостворюючої суміші (а) і процентного вмісту
кисню (б).
При цьому в профілі травлення поліцид молібдену створюється перегин у
зв’язку розтравлення плівки силіциду (крива 4, Рис. 2. 5 а), а в профілі
травлення поліцид титану змін не відбувається. Звідси витікає, що
оптимальний вміст кисню в плазмостворюючій суміші гексафторид сірки —
кисень, при якому виключається утворення виступів і перегинів на стінках
травлення поліцидів титану і молібдену, складає 60—65%. Нахил стінок
травлення до поверхні підкладки складає при цьому 60-70 градусів.
В розглянутих умовах плазмового травлення плівок на основі силіцидів
титану і молібдену формуються електроди затворів МДН-транзисторів з
довжиною каналу 1,0— 1,5 мкм і точністю 150 нм.
§ 2.3 Метал на кремнії або полікремній
Одним з перших способів утворення плівок силіцидів був вже відомий метод
нанесення плівки тугоплавкого металу шляхом катодної розпиленості або
випаровування у вакуумі. Якщо таке нанесення проводили на кремній, то
подальший нагрів приводив до утворення силіциду. І в даний час метод не
втратив актуальності. Полікремній завтовшки 500 нм наносили на окислену
пластину кремнію, потім легували з РОСl3 і на нього наносили шар титану
або танталу завтовшки 100 нм. При відпалі в без кисневій атмосфері з
t=9000С (титан) і з t=1000 0С (тантал) частина шару кремнію витрачалася
на утворення дисиліцид, який разом з полікремнієм, що залишився,
утворював «полішар» з однаковою товщиною полікремнія і силіциду по 250
нм. Плівки молібдену (53 нм) або вольфраму (44 нм) наносили методом
електронного випаровування на кремній {111} p-типу. Поверх плівки металу
тим же методом наносили шар кремнію завтовшки 20 нм для виключення
віддзеркалення при подальшому лазерному відпалі, в результаті якого
відзначали утворення плівок, що складаються з однієї фази — дисиліцид
вольфраму або молібдену — завтовшки 120 і 145 нм, відповідно. При інших
температурах відпалу і різній кількості домішок мала місце утворення,
окрім дисиліцид, інших фаз силіциду молібдену, що є менш стійкими, ніж
дисиліцид. Між шарами відбувалася сегрегація домішок, чим пояснюється
великі внутрішні напруження в плівці і її погану адгезію.
Рис. 2. 4. Концентрація кисню в дисиліцид молібдену після відпалу.
Для отримання плівки МоSi2 плівку молібдену наносили методом
електронного випаровування у вакуумі на монокристалічний кремній р-типу
(5—200 Ом*см). Після відпалу стехіометричний склад плівки був різний
залежно від кількості домішок кисню в ній: при змісті його не більше
декількох відсотків після відпалу вище t=600 0C плівка складалася тільки
з дисиліцид молібдену, причому мала місце сегрегація кисню на границі
дисиліцид-кремній (Рис. 2. 4); при змісті більш 10% після відпалу при
t=1050 °C в течії 10 мін з’являлися дві фази МоSi2 і MоSi3, розташовані
послідовними шарами, на границі яких також відбувалася сегрегація кисню
(рис. 2. 5). В процесі нанесення плівки молібдену на кремній також
відзначали, що велике значення має домішку кисню. При його концентрації
менш 1-2% і tвідп.= 545-600 0С формується тільки фаза тетрагонального
дисиліцид молібдену; з великим вмістом кисню силіцид утворюється тільки
при tвiдп.>800 0C коли з’являються три фази: тетрагон, гексагональна
Мо2Si5 і дисиліцид тетрагональний, який розташований на внутрішній
границі, тоді як Мо2Si5 виходить на поверхню.
На міжфазових границях і на границі з кремнієм збираються атоми кисню у
вигляді SiOX (х?2). При нанесенні плівки танталу на кремній на утворення
дисиліцид танталу впливають домішки азоту і кисню, що уповільнюють
утворення силіциду.
Рис. 2. 6. Концентрація кисню в дисиліцид молібдені після відпалу.
Нанесення на двоокис кремнію шару кремнію і поверх нього шару молібдену
з подальшим відпалом в атмосфері водню при t=900 і 1000°С протягом 10 і
З0 с, відповідно, також приводило до утворенню плівки, склад якої
близький до дисиліциду. В процесі відпалу відбувається самоочищення
матеріалу: вміст кисню в об’ємі дисиліцид складає 0,3 %, а вуглецю 1%,
тоді як початковий напилений шар молібдену містить 7% кисню і 3%
вуглецю. Можливо, таке самоочищення—прояв сегрегації кисню на фазових
границях.
При утворенні силіциду шляхом нанесення на кремній плівки металу
основними є процеси, що відбуваються на границі кремній-метал.
Наприклад, при нанесенні титану на плівку аморфного кремнію відбувалося
утворення силіциду, причому плівка його була більш рівномірна по
товщині, ніж при нанесенні на монокристалічний кремній, одержаний в
іншому процесі. Причина цього — наявність забруднень (кисень, вуглець)
на поверхні монокристалічного кремнію в більшій мірі, ніж аморфного,
оскільки останній наносили в тій же камері, що і титан, без контакту з
навколишнім середовищем між цими процесами. Мінімальна температура, при
якій плівка складається з однієї фази — рівномірно розподіленого по
всьому об’єму дисиліцид титану —також істотно нижче для а кремнію і
складає 500 0С.
При напиленні танталу за допомогою електронного променя в плівці
містилося 3% кисню і 0,3% вуглецю, а на границі тантал—кремній — 1-3%
вуглецю. Після відпалу кисень був присутній у вигляді оксиду танталу на
границі тантал—кремній.
§ 2.4 Одночасне нанесення компонентів силіциду
Один з істотних недоліків методу утворення силіциду при взаємодії шарів
металу і кремнію полягає в наявності початкової границі між ними, яка є
джерелом домішок і дефектів структури. Крім того, в цьому випадку
утворення силіциду відбувається через дифузію кремнію в метал у
міжвузлях кристалічних ґраток, внаслідок чого силіцид утворюється
неоднорідно і нерівномірно за об’ємом. Внаслідок цього поверхня виходить
нерівною. Для технології, в якій розміри елементів транзисторних
структур складають одиниці мікронів, нерівності поверхні вносять істотні
недоліки. Тому велике поширення набули способи утворення силіцидних
плівок, засновані на одночасному нанесенні металу і кремнію і утворення
їх суміші, в співвідношенні 1:2, відповідному складу дисиліцид, т. е
найстійкішій фазі. Чим точніше і рівномірніше виконано це співвідношення
при нанесенні компонентів силіциду, тим менше переміщення атомів при
подальшому відпалі для утворення силіциду, менше неоднорідність за
об’ємом, зміни об’єму і залежні від цього внутрішні напруження і
електричний опір. При відхиленні складу нанесених компонентів від
вказаного співвідношення при використанні «полішару» у будь-якому
випадку утворюється дисиліцид, оскільки недолік кремнію компенсується з
підшару кремнію, а його надлишок або залишається в міжвузлях, або
дифундує до границі. Проте відхилення небажані, оскільки для деяких
силіцидів вони ведуть до зростання внутрішніх напруг і питомого опору
(не дуже різко і для різних силіцидів по-різному). При нанесенні
компонентів силіциду на оксид і при недоліку кремнію утворюється фаза,
відповідна нанесеному складу, навіть, якщо температура відпалу
відповідає утворенню дисиліцид. При надлишку кремнію, як і у разі
використовування полішару утворюється тільки дисиліцид, а надлишок
кремнію залишається в міжвузлях або дифундує до границь. При цьому в
обох випадках питомий опір зростає. На Рис. 2. 6 приведена температурна
залежність питомого опору дисиліцид танталу, нанесеного на окислений
кремній, при швидкості зміни температури 4 град/хв при різному
співвідношенні компонентів силіциду.
Рис. 2. 7. Залежність питомого опору плівки дисиліцид танталу від його
складу при різній температурі.
Раніше інших в технології утворення силіцидів був застосований
найпростіший з відомих методів утворення плівки з декількох матеріалів в
певному співвідношенні — метод напилення мішені, до складу якої входять
необхідні матеріали. Силіцидну мішень для цієї мети одержували або
шляхом холодного пресування відповідних порошків, або шляхом її
виготовлення частково з одного, частково з іншого матеріалу. Пізніше
з’явилися методи утворення силіцидів шляхом незалежної одночасної
розпиленості кремнію і металу (одночасне розпилення) або їх
випаровування (одночасне випаровування).
§ 2.5 Напилення дисиліцидної мішені.
Методом напилення дисиліцидної мішені були одержані силіциди всіх вище
даних металів. Катодне напилення мішені дисиліцид танталу проводили i
кремнієву пластину. Діаметр мішені рівний 75 см; товщина —6 мм;
початковий тиск— 4*10-6 робочий тиск аргону — 7*10-1; відстань між
анодом і катодом — 4 см. У більшості випадків потенціал катода складав 3
кВ, струм — 135 мА, зразок по відношенню до катода мав потенціал (-25В),
а відповідний струм був 15 мА. Швидкість росту плівки 0,8 нм/с. Після
нанесення плівки завтовшки 0,6 мкм зразок відпалювали в атмосфері гелію
при t=900 0С одну годину. Аналіз присутності домішок в плівці показав
вміст в ній до 1% алюмінію, заліза, нікелю і інших металів, а також до
1% вуглецю і кисню. При збільшенні зсуву, що подається на зразок по
відношенню до катода, зменшувався вміст домішок в плівці. Вказані вище
кількості домішки відповідали оптимальному потенціалу, наявністю яких
можна пояснити той факт, що до найвищих температур відпалу в силіциді
окрім основної, стійкої фази дисиліцид, присутня фаза Ta2Si5. Це
обумовлює наявність достатньо високого питомого опору 100 мкОм*см при
t=900°С. Внутрішні напруження після такого відпалу складають 2*10-11
Н/м. При збільшенні температури відпалу до 1000 0С питомий опір
знижується удвічі, але збільшується нерівність поверхні.
Напилення мішені з термопресованого сплаву дисиліцид титану проводили
при робочому тиску рівному 1,0 Па при швидкості напилення 0,2 нм/с.
Плівку наносили на заздалегідь термічно окислену пластину кремнію р-типу
з питомим опором 8*10ХХХ Ом*см (товщина оксиду 25 нм), на яку потім був
нанесений легований полікремній завтовшки 250 нм. Питомий опір силіциду
після відпалу при t=1000 °С в інертній атмосфері склало 70 мкОм*см,
тобто більш ніж в табл. 1. Не дивлячись на те, що внутрішні напруження
після відпалу достатньо велике (2*10-11 Н/м2), порушень адгезії не
спостерігалося.
Напилення дисиліцид титану з силіцидної мішені діаметром 75 см проводили
поверх шару полікремнія завтовшки 350 нм, вирощеного на окисленій
кремнієвій пластині (оксиду 40 нм), легованого миш’яком методом іонної
імплантації при дозі 1016 атм/см2, 70 кеВ і ототожненого одна година при
t=950 0С в атмосфері азоту, після чого полікремній мав шаровий опір 80
Ом/?. В нанесеній плівці силіциду співвідношення кремній-титан складало
від 1,8 до 1,9. Відпал проводили при температурі 500—900 0С одна година
у вакуумі. При tвiдп.>800 0С плівка є дисиліцид титаном з питомим опором
20 мкОм*см, що відповідає результатам представленим в табл. 1.
Напилення дисиліцид молібдену проводили за допомогою постійного струму з
силіцидної мішені, одержаної методом гарячого пресування чистотою 99,9%.
Попередній тиск в системі складав 7*10-5 Па; робочий тиск аргону —0,67
Па; потужність 7 Вт/см при площі мішені 300 см2 обертання підкладки —
10 об/хв; швидкість нанесення —0,6 нм/с. Плівку завтовшки 250 нм
наносили на кремній завтовшки 500 нм, термічно окислений (100 нм) і
покритий нітридом кремнію. Потім проводили відпал при t=1000 °С в
атмосфері азоту або аргону. У ряді випадків відзначали відшаровування
плівки, а коли його не було, той питомий опір плівки після відпалу був
100 мкОм*см.
Була також застосована для напилення мішень з дисиліцид молібдену,
одержана гарячим пресуванням порошку. Після нанесення плівки. проводили
відпал при t=1500 0С у вакуумі. Відношення кремнію до молібдену в
одержаній плівці лежало в межах 1,6—1,8; густина плівки була 5,7±0,1
г/см3, наявність домішок кисню і вуглецю в кращих зразках плівки була
нижче чутливості Оже-спектроскопії. При нанесенні плівки на окислений
кремній р-типу з шаром полікремнія поверх оксиду її склад є дисиліцид.
Електричні властивості такої плівки аналогічні властивостям силіциду
молібдену на кремнії. При утворенні плівки на діелектричних на границях
дисиліциду утворюється ще одна фаза: Мо5Si3.
Отримання плівки дисиліцид молібдену було проведено з найчистішої для
даного методу мішені (99, 99%) в планарній магнетронній системі, в якій
пластини були укріплені вертикально на відстані 2см від мішені. Після
завантаження систему відкачували до тиску рівного 13Па, потім утримувачі
переміщали в головну камеру з Р=6*10-5 Па. Робоча потужність — З кВт;
робочий тиск — 4 Па. Нанесення проводили з швидкістю ~1,7 нм/с на
окислені і не окислені кремнієві пластини. Електричні і механічні
властивості, а також структура плівки не відрізнялися від плівки,
одержаної методом одночасного напилення. Питомий опір після відпалу в
аргоні при t=1000 °С складало 100мкОм*см. Є також дані і іонно-плазмовій
напилення мішені з дисиліцид вольфраму.
Варіантом методу напилення дисиліцидної мішені є метод одночасного
напилення пластин кремнію і металу, що використовується як одна мішень.
Конструкція такої мішені, що дозволяє точно контролювати і варіювати
співвідношення молібдену і кремнію при магнетронному розпиленні, є
пластиною молібдену з прямокутними поперечними канавками для закладки в
них пластин-мішеней з кремнію. Дно канавок має деякий нахил до поверхні
для надійного закріплення пластин кремнію. Ширина канавки і зазор між
ними регулюють відношення площ розпиляних матеріалів і, отже, склад
одержуваних силіцидів з урахуванням коефіцієнтів напилення вживаних
матеріалів.
При співвідношенні площ молібден-кремній 1:2 одержували дисиліцид. При
напилення тиск аргону складав 0,6 Па, напруга — 400 В, відстань
мішень-підкладка — 5 см.
Рис. 2. 8. Конструкція мішені для одночасної напилення молібдену і
кремнію.
Інший варіант такої технології полягав у використовуванні мішені з
молібдену, на частину поверхні якої був нанесений полікремній при
необхідному співвідношенні між площами кремнію і молібдену (Рис. 7).
Напилення мішені діаметром 150 мм — магнетронне. Чистота молібдену —
99,95%; попередній вакуум в системі— 5,3*10-5 Па; тиск при напилення —
0,8 Па. Відмінність даного методу в тому, що в процесі напилення
силіциду відбувається його легування фосфором, для чого в систему окрім
аргону вводили РН3, парціальний тиск якого складав 0,15 Па.
Співвідношення молібдену і кремнію можна було змінювати, міняючи
співвідношення їх площ в мішені і тиск газів. Концентрація фосфору
залежить від співвідношення аргону і РН3. Потужність магнетрона–
160-220 Вт; швидкість напилення 1-1,5 нм/с. Плівку спочатку наносили або
на окислену, або на не окислену кремнієву підкладку потім відпалювали
при t=1000 0С, протягом 20 хв. В результаті в обох випадках утворювався
дисиліцид. Якщо силіцид наносили прямо на кремній, то надлишок
останнього в порівнянні з дисиліцидом кристалізувався на границях
силіцид-кремній, зсовуючи її у бік силіциду; надлишок молібдену в
порівнянні з дисиліцидом, відповідно, взаємодіючи з кремнієм підкладки,
зсовував цю границю у бік кремнію. Якщо ж силіцид наносили на оксид, то
при надлишку кремнію на ньому утворювався шар полікремнія, а при його
недоліку поблизу границі силіцид—оксид з’являлася фаза силіциду, що
містить менше кремнію ніж дисиліцид. Отже, мінімальний питомий опір
після відпалу мав місце при співвідношенні молібден-кремній рівному 1:2
і складав 75 Ом*см. Ця величина менше ніж при напилення силіцидної
мішені.
Вище відзначено, що даний метод має ще одну особливість, одержувана
плівка легована фосфором. Якщо її термічно окислити, то одночасно із
зростанням оксиду на поверхні відбувається дифузія фосфору в кремній під
силіцидом і відпадає необхідність в спеціальному легуванні останнього.
§ 2.6 Магнетронне розпилення
Один з найпоширеніших в даний час методів одночасного нанесення кремнію
і тугоплавкого металу— метод одночасного розпилення з двох незалежних
магнетронів, що знаходяться в одній камері. Він принципово застосовний
до будь-якого силіциду тугоплавкого металу, проте, переважно його
застосовують для отримання силіцидів танталу і титану, рідше— молібдену.
Силіцид титану або танталу методом одночасного розпилення наносили на
легований фосфором полікристалічний кремній завтовшки 470 нм, с=18—25
Ом/?, який був заздалегідь нанесений на термічно окислену пластину
монокристалічного кремнію. Камеру, в якій проводили розпилення,
заздалегідь відкачували до тиску не більше 10-5 Па. Розпилення вели з
двох незалежних магнетронів. Як одна мішень застосовували титан чистоти
99,97 % або тантал, а другий — кремній чистоти 99,999%. Розпилення вели
в аргоні. Для отримання рівномірної по товщині плівки кремнієвій
підкладці перешкодили на пристрій, що обертається. Таким чином розпиляли
титан і кремній у вигляді шарів, товщина яких порівнянна з міжатомними
відстанями, практично є сумішшю вказаних компонент силіциду. Кількісне
співвідношення метал-кремній можна легко регулювати шляхом підбору
режиму роботи кожного магнетрона окремо. Температура кремнієвої
підкладки в процесі розпилення не перевищує 60 0С. Одержану плівку
відпалювали в неокислювальній атмосфері при t=900 °С (титан) і 900-1000
0С (тантал). Після такого відпалу і співвідношенні при нанесенні
метал-кремній 1:2 досягається мінімальний питомий опір (25 мкОм*см для
титану і 50—55 мкОм*см для танталу). При цьому практично зміни об’єму в
результаті утворення силіциду не відбувається, внутрішні напруження не
перевершують 1,5*10-11 Н/м2 відшаровування плівки не спостерігали.
Шар силіциду танталу (200 нм) і кремнію (З00 нм) наносили методом
магнетронного одночасного розпилення на полікремній товщиною 500 нм
р+-типу.
Силіцид танталу при його нанесенні методом одночасного розпилення на
полікремній був досліджений в діапазоні товщини 0,1 —0,3 мкм. Підкладка
в цьому випадку була кремнієвими пластинами марки КЕФ-4,5, термічно
окислені при t=1050 °С до товщини 0,12 мкм, після чого методом
розкладання моносилану при зниженому тиску наносили шар полікремнія
завтовшки 0,2—0,4 мкм. Перед початком тиск в установці для розпилення
танталу і кремнію складав 5*10-4 Па, робочий тиск аргону ~8*10-2 Па.
Швидкість одночасної розпилення 0,3 мкм/год. В деяких випадках плівки
кремнію перед нанесенням силіциду піддавали легуванню фосфором методом
іонної імплантації (доза 3000 мкК/см-2, U=40 кеВ, tвідп=950 0C) або
методом дифузії (900 0С, 10 хв.). Температура відпалу нанесених
компонентів силіциду складала 900°С, час– 40 мін, при цьому с=40-100
мкОм*см. Збільшення до 1000 °С. І зменшує питомий опір на 10 % і навпаки
зменшення до tвідп=800 0С збільшує питомий опір на 10-20%. Після відпалу
колір плівки сірий, вона дзеркальна, відшаровування немає.
§ 2.7 Випаровування компонент силіциду
Широко застосовується для одночасного нанесення компонентів силіциду
відомий метод випаровування матеріалів у вакуумі за допомогою
електронно-променевого розігрівання. Виключаючи або значно ослабляючи
розігрівання стінок тигля, цей метод забезпечує максимальну чистоту
процесу, що для даних тугоплавких матеріалів ним першорядне значення.
Як і при розпилення, обидва джерела знаходяться в одній камері і
працюють одночасно. Найширше застосування вказаний метод знайшов для
утворення силіциду вольфраму і молібдену.
Випаровування кремнію і вольфраму у вакуумній камері, обладнаній двома
електронними гарматами, проводили при тиску (4—8)*10-4 Па і кімнатній
температурі підкладки. Швидкість нанесення кремнію складала 0,5 нм/с,
вольфраму — 0,2 нм/с. Як і при розпиленні з незалежних джерел, швидкість
випаровування визначали при роботі кожного джерела окремо. Однорідність
по товщині плівки була рівна ±4% по складу ±5%. Компоненти силіциду
наносили на легований полікристалічний кремній, перетворений на двоокис
кремнію, термічно утворений на початковій кремнієвій пластині. Поверх
компонентів силіциду методом хімічного осадження з пари наносили двоокис
кремнію завтовшки 40 нм для запобігання дифузії фосфору з полікремнія
через дисиліцид в атмосферу. Потім проводив і відпал рекристалізації при
t=600-7000С і гомогеніозаційний— при t=1000 °С. Після другого відпалу
товщини силіциду і полікремнія повинні бути близькі по величині, що
забезпечує оптимальну адгезію. Загальна товщина силіциду вольфраму після
відпалу складає 75 — 80 % від товщини напилених компонент, тому для
отримання силіциду з h=150нм наносили шар вольфраму (57 нм) і шар
кремнію (143 нм). Якщо відпал кристалізації проводять не відразу після
нанесення плівки, то адгезія останньої істотно гірше і залежать від
чистоти атмосфери, в якій проводять відпал. Питомий опір в результаті
відпалу гомогенізації стає рівним 40 мкОм*см, тобто нижче вказаного
(див. табл. 1).
Титан і кремній наносили одночасним випаровуванням у вакуумі на пластини
кремнію р-типу, {100} діаметром 76 мм і ?=8-10 Ом*см, окислені термічно
(25 нм). Поверх оксиду наносили шар легованого полікремнія (300 нм).
Товщина шару силіциду складала 200—300 нм, швидкість випаровування
титану — 0,3 і кремнію — 0,6 нм/с; залишковий тиск в камері — 5*10-3 Па.
Після відпалу протягом більше 10 мін при t=700-1000 0С в атмосфері
аргону питомий опір встановлювалося на рівні 25 мкОм*см.
Метод одночасного випаровування танталу і кремнію з різних джерел був
застосований при залишковому тиску в камері 2,7Па. Швидкість
випаровування кремнію була 2 нм/с, танталу—1 нм/с. Збільшення швидкості
випаровування приводило до меншого вмісту домішці і кращій якості
плівки. Товщина плівок кремнію і танталу складала 66 і 33 нм відповідно,
даючи загальну товщину плівки силіциду 100 нм. Плівку наносили при
кімнатній температурі на сапфір і термічно окислений кремній (товщина
оксиду 70 нм) для вимірювання опору і на не окислений кремній— для
електронно-мікроскопічних досліджень. Одержувана при одночасному
випаровуванні плівка була аморфна і мала високий питомий опір рівний 275
мкОм*см. Після нагрівання, починаючи з t=300 °С, питомий опір
зменшувався, складаючи після відпалу при 800 °С значення вище 50
мкОм*см. Було відзначено також, що властивості плівок, одержуваних
шляхом одночасного випаровування і одночасного розпилення, ідентичні.
§ 2.8 Нанесення силіциду з газової фази
Методи отримання силіциду осадженням металу і кремнію (разом або
порізно) з пари їх сполук. значно відрізняються за технологією від
описаних раніше. Перевага їх полягає в тому, що вони відносно дешеві,
крім того, у них відсутній направлений потік частинок, що осідають і,
отже, нанесення відбувається рівномірно, незалежно від конфігурації
поверхні, на яку наносили силіцид. Важливе, також, повне поєднання
основного варіанту цієї технології з технологією отримання
полікристалічного кремнію, оскільки метал, кремній, що входять до складу
силіциду, і полікремній, що утворює полішар, наносять в одній і тій же
установці. До недоліків методу слід віднести різнорідність технології
для кожного силіциду, трудність забезпечення чистоти початкових
продуктів і чистоти в процесі зростання плівки, оскільки підкладка і
робочий газ знаходяться при одній температурі.
Прикладом даного методу — є отримання плівки дисиліцид вольфраму на
плівці полікристалічного кремнію. Процес проводили при 600 0С в реакторі
з холодними стінками, використовуючи високочастотний нагрів, при
низькому тиску. При цьому спочатку наносили шар полікремнію шляхом
розкладання моносилану, а потім — шар вольфраму шляхом розкладання
гексахлорид вольфраму. Товщина полікремнія при цьому була рівна
необхідній товщині всього „полішару”, а товщина вольфраму складала 1/4
частину цієї величини. Вольфрам, що звільняється, утворював суміш з
кремнієм в поверхневому шарі, внаслідок чого плівка кремній-вольфрам
мала склад, відповідний температурі 600 0С, а під нею залишалася плівка
чистого кремнію. Подальший відпал при t=1000 0С приводив до утворення
„полішару”—дисиліцид вольфраму— кремній— тієї ж товщини, що і кремній
під ним.
Більш досконалим, ніж попередній, є спосіб отримання дисиліцид вольфраму
в подібному реакторі, але із застосуванням гексафторид вольфраму, що
дозволило знизити температуру реакції до З50—400 °С. Суміш силану,
гексафторид вольфраму і гелію при цій температурі і тиску 6—10 Па
утворює після відпалу при t=1000—1100°С шар дисиліцид вольфраму (250 нм)
на легованому фосфором полікремній (500 нм), який нанесений на окислений
(100 нм) монокристалічний кремній. Про більшу чистоту даного методу в
порівнянні з попереднім говорить досягнуте значення питомого опору, який
склав 35—60 мкОм*см, це нижче за міни значення, одержаного при
використовуванні інших методів (див. табл. 1).
Термічне розкладання галогеноводневих з’єднань, що містять атоми
тугоплавких металів і кремнію, було також застосовано для нанесення
шарів силіцидів танталу, молібдену і вольфраму завтовшки 200нм на шар
легованого полікремнія завтовшки 300 нм. Як реакційний газ була
використана суміш, що складається з галогенідів металу типу МеСlX, водню
і силану типу SiH(4-n) Clm (де n=1- 4) в співвідношенні 1:10:2. Тиск в
реакторі складав 50—1000 Па, температура підкладки 450- 900 0С. Даний
спосіб дозволяє також здійснювати селективне осадження силіциду, як
наявність галогеноводню при термічному розкладанні реакційного газу
пригнічує утворення зародків кристалів на всіх у підкладки за винятком
ділянок, що складаються з кремнію.
§ 2.9 Термообробка для утворення силіциду
Утворення плівок силіцидів в більшості розглянутих вище випадків
полягало в нанесенні металу і кремнію при низькій температурі (не вище
300 °С), тобто нижче температури утворення силіциду. В деяких випадках
температура нанесення була вище, але завжди для гомогенного утворення
силіциду по всьому об’єму плівки був необхідний більш
високотемпературний відпал.
Аргоновий лазер, що працює в багатолінійній формі, скануючи променем
діаметром 50 мкм мав швидкість 12 см/с і потужність 0,09 Вт/мкм.
Температуру рівну З50 °С, підтримували постійною. Відпалу піддавали
плівки молібдену (53 нм) і вольфраму (44 нм), нанесені випаровуванням у
вакуумі на кремній р-типу, {100} при тиску в системі порядку 10-6 Па.
Без витягання зразка з камери на нього напилювали 29 нм кремнію поверх
металу з метою створення анти-відбиваючого покриття. В результаті
застосування такого методу завжди виходив силіцид з чистою непорушеною
границею метал-кремній. Товщина освіченого таким чином однорідно
розподіленого дисиліцид вольфраму складала — 120 нм, а молібдену — 145
нм. По структурі плівка є полікристал розміром зерна 100 нм. Питомий
опір після такого відпалу складав для вольфраму 110 мкОм*см і для
молібдену 190 мкОм*см, що майже удвічі вище, ніж при звичайному відпалі
(див.табл.1).
Лазерний відпал був застосований також для силіцидів молібдену і титану.
Інші форми імпульсного нагріву плівки дисиліцид молібдену були здійснені
за допомогою графітового нагрівника дугових і галогенових ламп та ін.
Пластину з плівкою дисиліцид молібдену поміщали у вакуумі з тиском.
порядку 0,1 Па на графітний нагрівник, що забезпечує температуру рівну
800—1000 °С при часі витримки 12—90 с. Швидкість виходу на рівноважну
температуру складала 20 з при t=800°С, 18 з при t=900°С і 10 з при
t=1000°С. Всі пластини розміщені нанесеним шаром до нагрівника. Були
застосовано два методи нанесення плівки на кремнієву пластину {100}: в
першому– плівку молібдену завтовшки 100 нм наносили розпиленістю в
аргоні (0,4 Па); в другому — плівку завтовшки 250 нм одержували
одночасним розпиленням в аргоні молібдену і кремнію в співвідношенні
1:2.
Результати, які були до одержані тільки при одночасному розпиленню,
оскільки в першому випадку при швидкому нагріві мало місце
розтріскування і відшаровування плівки. Початковий шаровий опір R1,
аморфної плівки складало 55 Ом/? (Рис. 2. 8) і після відпалу більше 40 з
при t=1000 °С R знижувалося на порядок, що відповідає питомому опору 135
мкОм*см, тобто близьке до величини, одержуваної при тривалому відпалі.
Стрілки (див. рис. 2. 8) показують значення питомого опору до часу
встановлення даної температури, що відповідає кристалографічній
структурі плівки.
Рис. 2. 9. Шаровий опір плівки дисиліцид молібдену після імпульсного
відпалу.
При tвідп=800 0С, і Т=20 с (рис.9,а) кристали у момент встановлення
температури мають розмір 10—20 нм, тоді як при t=1000 °С, і Т=12 с їх
розмір стає більше 500 нм.
Див. Додаток 1.
Плівка дисиліцид молібдену після імпульсного відпалу при: t=900 °С, Т
—20 с (а); t= 1000 0С, Т=12 с (б).
Таким чином, процес рекристалізації при утворенні силіциду відбувається
достатньо швидко. Однорідність шарового опору по пластині діаметром 75
см склала ±2% після відпалу при 1000°С протягом 20 с і дещо краще при
більш низькій температурі.
Для швидкого відпалу силіцид титану було використано також електронне
опромінювання.
§ 2.10 Утворення силіцидів при іонній імплантації
n
p
i
JUe8
¤
&
gdAE\c
??????????’”\$o$?(TH*P/B4D4F4H4J4L4N4P4R4T4V4?4’5A5?5L6???cUeUeUeUeUeUeU
eUeUeUeUeUeE1/41/41/41/4
747?8@9A9::I:^????G„H`NbNfNONOeNXO&R^RxSeUnnnnnnnaeaeOeEnnE3/4aeOeaenOen
n
aRalaaaaaaaaaa
°
RaTa acaia?a
Висновки 1. Дослідження останніх років підтверджують те, що силіциди тугоплавких металів: молібдену, вольфраму, танталу і титану—по кількості властивостей, що задовольняють вимогам, представлені для використання їх в напівпровідниковій технології, в тому числі, для виготовлення транзисторів з мінімальними розмірами елементів менше 1 мкм. 2. Необхідно також, щоб плівки вказаних матеріалів після високотемпературного відпалу за складом були дисиліцидами, і мали стійку фазу інтерметалічного з'єднання кремнію з одним із металів. Питомий електричний опір таких плівок складає 25—100 мкОм, що істотно менше за питомий опір легованого полікристалічного кремнію, що складає 1000 мкОм*см. Механічні властивості плівок указаних силіцидів (внутрішні напруження, адгезія, гладкість поверхні, термостійкість) забезпечують можливість їх застосування. 3. Найважливіша особливість силіцидів тугоплавких металів полягає в тому, що, якщо в плівці або у контакті з нею є надлишок кремнію по відношенню до складу дисиліцида, то при відпалі в окислюючій атмосфері на її поверхні утворюється стійкий шар двоокису кремнію, для утворення якого надмірний кремній дифундує крізь силіцид, зберігаючи його склад і властивості. 4. Перераховані силіциди близькі по властивостях проте, титан і тантал володіють меншими питомими опорами, мають більш низьку температуру утворення силіциду і більш стійкі при окисленні. 5. Детальне порівняння описаних методів про утворення тонких плівок силіцидів (нанесення метал на кремній, розпилення дисиліцидної мішені, одночасне розпилення або випаровування металу і кремнію, нанесення їх з газової фази) показало, що хоча жоден з цих методів не можна рахувати абсолютно найкращим, але найбільш перспективний в даний час метод одночасного магнетронного розпилення металу і кремнію. Таким чином, від досконалості технологічних процесів нанесення тонких плівок у значній мірі залежать надійність і якість виробів мікроелектроніки, технічний рівень і економічні показники їхнього виробництва. При нанесенні тонких плівок дуже важливо строго дотримуватися електронно-вакуумної гігієни. Забруднення у виді домішкових хімічно активних газів, що попадають на поверхню оброблюваних підкладок, як при проведенні технологічних операцій, так і при між-операційному транспортуванні і збереженні, можуть істотно змінювати структуру і електрофізичні властивості шарів, що наносяться. Осідання дрібних частинок пилу може призвести до необоротного дефекту плівкових структур – обривів і замикань міжз’єднань. Тому устаткування для нанесення тонких плівок звичайно встановлюють у чистих кімнатах – гермозонах, а обслуговуючий його персонал повинен стежити за чистотою робочого місця і технологічної тари, а також обов'язково працювати у спецодязі. 6. Одержання високоякісних плівок із заздалегідь заданими і відтворюваними параметрами визначає необхідність строгого контролю при їхньому нанесенні. Особливості контролю параметрів тонкоплівкових елементів визначаються малими товщинами нанесених плівок (від декількох десятків до сотень нанометрів). Параметри плівок безпосередньо контролюють у процесі їхнього нанесення у вакуумній робочій камері і після нанесення, тобто поза камерою. Найбільш важливий контроль у камері, тому що в залежності від його результатів регулюються режими процесу росту плівки, що дозволяє усунути операції припасування її параметрів після нанесення. Товщину плівок вимірюють такими найбільш розповсюдженими методами, як мікро зважування і багато променева інтерферометрія. Метод багато променевої інтерферометрії, який застосовується для вимірювання товщини непрозорих плівок, полягає у спостереженні в мікроскоп інтерференційних смуг, що виникають при розгляді в монохроматичному світлі двох поверхонь, розташованих під кутом одна до одної. Електропровідність є однією з найважливіших характеристик силіцидів при оцінці якості матеріалу струмопроводячих систем ІС. Найбільш поширений метод вимірювання електропровідності—це чотирьохзондовий метод. У цьому випадку струм проходить між двома крайніми зондами. Також електричний опір плівок можна вимірювати резистивним датчиком із зовнішнім вимірювальним приладом. У основному цей метод використовується при контролі резисторів гібридних ІМС і він ґрунтується на тому, що в міру збільшення товщини плівки в процесі росту її опір зменшується. Зчеплення поверхонь різнорідних тіл називають адгезією. Адгезія плівки до підкладки залежить від матеріалу плівки і швидкості її осідання, а також від чистоти поверхні і температури підкладки. В даний час не існує доступних промислових методів високоточного вимірювання адгезії тонких плівок до підкладок. Тому виконують порівняльний контроль, при якому вимірюють зусилля відриву плівки від підкладки напаяним на її поверхню металевим циліндром. Найбільш розповсюджений контроль швидкості нанесення плівок методом кварцового датчика, що іноді називають резонансно-частотним. Як датчик при цьому методі використовують включений у контур генератора частоти кварцовий елемент. При формуванні тонких плівок слід враховувати таке явище, як напруження. Прогини підкладки можна визначати різними способами. Один із найпоширеніших—це за допомогою зафіксованого на оптичній осі лазерного променя вимірюється спричинене напруженням зміна радіуса кривизни. Цей не руйнуючий метод потребує підготовки зразка. Реакційна здатність по відношенню до кисню довгий час привертало увагу вчених-дослідників. Вважали, що дисиліциди високо стабільні в окислюючи середовищах, хоча їх реакційна здатність сильно залежить від густини підготовлених зразків. Встановлено, що порошки окисляються швидше. 7. Розробники і виробники ВІС у субмікронній технології ВІС низку задач контролю і досліджень процесів і структур вирішують за допомогою даних про електрофізичні та електричні параметри тестового контролю (ТК). Область застосування ТК поширюється на всі етапи проектування, топології ВІС, розробки її технології та виготовлення структур кристалів, тобто охоплює всі етапи створення фізичної структури ВІС на Si-пластині. Тестову структуру (ТС) визначають як певний мікроелектронний прилад (приладну структуру), яку використовують для вимірювання електрофізичних параметрів фізичної структури (ФС ВІС). Тестові структури згідно поділяються на: ТС для оцінки густини дефектів; ТС для визначення електрофізичних параметрів структури ВІС; ТС для оцінки фотолітографічних і плазмохімічних процесів; ТС для оцінки і прогнозування електричних параметрів структур ВІС. Тестові структури, як і їх елементи, мають конструктивні особливості залежно від функції схеми, технології формування її структури, проектних норм топології. Тестові структури дозволяють контролювати широкий спектр параметрів фізичної структури ВІС. При цьому не викликає проблеми при вимірюваннях параметрів самих приладних елементів (коефіцієнта підсилення, напруги пробою, опору резисторів, струмів втрат і т. д.), які вимірюються безпосередньо на самих елементах. Однак діапазон вимірюваних з допомогою ТС параметрів з метою їх використання при комп'ютерній обробці результатів вимірювань значно ширший. Тестовий контроль дозволяє не тільки накопичувати статистичні дані по електрофізичним і електричним параметрам фізичних структур ВІС але дозволяє вводити межі відбракування на ці параметри і оцінювати якість сформованих структур з використанням автоматизованих систем контролю на базі тестерів Т-4503 або АИК-TEST. 8. Для контролю виробництва ВІС використовується широкий арсенал аналітичних методів контролю в процесі формування структур кристалів. широке використання моніторингу фізико-хімічних методів, збільшення діапазону можливостей вимірювальних приладів, забезпечення високих і точних метрологічних характеристик, які проводяться з їх допомогою, все частіше приводять до того, що аналітичний прилад контролю стає частиною технологічного обладнання. Існує багато традиційних методів контролю складу поверхні, які ґрунтуються на використанні хімічного або електрохімічного травлення з наступним визначенням складу розчину. Однак основний арсенал сучасних методів контролю поверхні і технологічних шарів у субмікронній технології ВІС повинні складати методи спектрометрії. Всього на сьогоднішній день відомо до 60 методів. Для діагностування надійності структур ВІС розроблена низка електрофізичних методів діагностування по не лінійностям вольт-амперних і вольт-фарадних характеристик приладних структур: біполярних і польових транзисторів, МОН- і тонко плівкових конденсаторів. PAGE PAGE - 40 -
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
