Способы решения проблем металлизации

Проблему покрытия ступенек на поверхности пластины мож­но решить несколькими способами. Во-первых, повышение тем­пературы подложки во время осажденця пленки (~300°С) приводит к большей поверхностной подвижности молекул осаж­даемого материала, за счет чего уменьшаются размеры разры­вов, образующихся в углах ступенек. Другим способом являет­ся оптимизация ориентации подложек относительно источника. Проведение оптимизации особенно важно из-за появ­ления участков геометрической тени в процессе осаждения при использовании точечных источников, таких, как применяемые при электронно-лучевом или индукционном нагреве расплава. С помощью машинного моделирования может быть модернизи­рована планетарная система подложкодержателя.

Поскольку в большинстве планетарных систем не использу­ются вращения отдельных подложек вокруг собственных осей, ориентация подложки является значительным фактором при решении проблемы создания покрытия на ступеньках. Края ступенек, параллельные радиальному направлению планетарной системы, покрываются пленкой симметрично. Ступеньки с края­ми, перпендикулярными радиальному направлению, имеют тен­денцию к асимметричному покрытию, при этом в поверхностном покрытии появляются трещины (рис. 14).

Механизм покрытия контактных окон небольшого размера может отличаться от приведенного выше. Выравнивание поверх­ности пластин СБИС можно выполнить осаждением межуровневого слоя диэлектрика ионным распылением с приложением смещения или с использованием процесса планаризации. Планаризация является низкотемпературным процессом, при котором сглаживается рельеф поверхности пла­стины. На диэлектрик наносят толстый слой резиста, и структу­ру подвергают процессу плазменного травления, характеризу­ющемуся одинаковой скоростью стравливания диэлектрика и резиста. Для обеспечения процесса планаризации необходим промежуточный слой диэлектрика с толщиной, большей обыч­ной (примерно в два раза). Чтобы вызвать вязкое течение ди­электрика, должна быть проведена более интенсивная, чем обычно, термообработка, уменьшающая резкость контуров сту­пеней. Однако такая термообработка недопустима для СБИС, в которых имплантированные примеси не должны диффундиро­вать на большие расстояния. Воспроизведение рельефа кон­тактных окон остается проблемой даже для планарных поверх­ностей вследствие того, что при обширном коническом растрав­ливании окон требуется дополнительная площадь.

Использование источников большей по сравнению с точечны­ми источниками площади, например, магнетрона, устраняет мно­гие проблемы воспроизведения ступенчатого рельефа. Если под­ложки расположены относительно далеко от источника (20— 30 см), как при размещении подложек на планетарном держа­теле, то правления распыления становится более слабой. Ослабление зависимости происходит вследствие того, что при давлении ~0,5 Па значение длины свободного пробега атомов Аr равно ~ 1 см. Следовательно, плотность молекулярного пучка метал­ла, попадающего на подложку, размещенную на планетарном подложкодержателе, во время магнетронного распыления мень­ше зависит от направления, чем при испарении, однако пар яв­ляется менее нагретым, поскольку он передает энергию аргону. Низкая величина энергии осаждаемых частиц приводит к мень­шему перемещению их по поверхности подложки. Уменьшение движения частиц может ограничить рост грани и упорядочение структуры (волокнистая текстура).

Подложки могут быть неподвижно закреплены относительно близко к источнику или медленно перемещаться перед магнет­роном, имеющим большую поверхность распыления. Эта бли­зость к источнику позволяет достичь высокой скорости роста пленок материала, перенос которого через аргон на порядок величины меньше. При этом может быть достигнут значитель­но больший нагрев подложек, что также приводит к улучшению качества воспроизведения ступенчатого рельефа поверхности. Получено отношение толщины пленки на боковых поверхностях ступеньки к толщине пленки на ее поверхности в диапазоне 50—100%. Для контактных окон это отношение зависит от гео­метрического фактора (отношения глубина/ширина).

Пленки сплавов могут быть осаждены испарением из одного или нескольких источников. Электронно-лучевое испарение из источника с составом сплава Аl—2% Си, например, приводит к осаждению пленки состава Аl—0,5% Си. Обычно в состав пленки вводят кремний путем совместного испарения, следова­тельно, необходимо управление испарением более чем одного источника. Точность соблюдения состава сплава является кри­тическим параметром процесса осаждения, поскольку при обыч­но выполняемом после металлизации отжиге пленок сплавов А1 при температуре 450°С может происходить растворение крем­ния из подложки, если он содержится в сплаве в недостаточном количестве (рис. 15 и 16). Осаждение растворенного в А1 кремния происходит при охлаждении на границе с Si в окнах, если Si содержится в твердом растворе на основе А1 в избытке. При магнетронном распылении существует возможность исполь­зования источников в виде сложных сплавов для осаждения пленок. В некоторых ранних исследованиях было найдено, что все компоненты сплавов металлов, из которых изготовлены ми­шени, содержатся приблизительно в тех же концентрациях в осажденных пленках. Выбор состава сплава может быть непосредственно направлен на обеспечение условий получения зер­кальной, свободной от бугорков поверхности пленки.

Частицы загрязнений, попадающие на поверхность пластин во время процесса металлизации, могут привести к образова­нию дефектов ИС. При откачке камеры, в которую помещают подложки, поток газа может иметь турбулентный характер, в результате чего могут происходить пылеобразование из частиц загрязнений и осаждение их на подложку. Это явление может быть сведено к минимуму путем уменьшения скорости удаления газа во время откачки. При напуске атмосферных га­зов в рабочую камеру при разгрузке подложек также должны быть исключены турбулентные потоки. Другим источником пылеобразования могут быть отслоения с подвижных элементов конструкции камеры, на которых содержатся осажденные плен­ки. Существенным фактором снижения загрязнений являются очистка системы и сведение к минимуму осаждения пленки на вращающихся и скользящих поверхностях конструкции уста­новки.

В технологии СБИС необходимо использование процесса анизотропного травления. Методы плазменного и реактивного ионного травления разработаны в достаточной степени, чтобы использовать их в промышленном масштабе. Другим подходом при использовании сплавов нетрадиционного состава является метод «взрывной» металлизации. В методе «взрывной» металлизации на пластине в процессе литографии формируют обратный топологический рисунок и осаждают слой металла на маскированную фоторезистом подложку. Затем истинный топо­логический рисунок вскрывается путем снятия литографической маски и ненужных областей металлической пленки (рис. 17). Снятие выполняется с использованием растворов, которые рас­творов, которые растворяют литографическую маску, поднимая таким образом ме­таллическое покрытие. Когда металл осаждается через отвер­стия литографической маски, он попадает непосредственно на подложку и остается там после удаления остальной металли­ческой пленки. Если маскирующий слой образован термически нестабильными металлами, то накладываются ограничения на температуру подложки во время осаждения пленки, которые снижают полезные свойства слоя металла. Маскирующий слой должен также противостоять операции очистки перед осажде­нием.

Величина рабочего давления и скорость осаждения влияют на микроструктуру и чистоту осажденной в вакуумной камере пленки в такой же степени, как и чистота материала источника. Если в камере создано давление 10^-2 Па, то остаточный газ (при условии отсутствия натекания воздуха) состоит в основном из паров воды. Пленки Аl обычно содержат менее 50% кислорода, следовательно, вероятность передачи молеку­лами Н₂0 атомов О металлической пленке значительно мень­ше 1. Тем не менее, низкая величина давления остаточного га­за перед началом осаждения приводит к минимальному внед­рению кислорода в пленку.

Подобно этому перед процессом распыления рабочее давле­ние должно быть низким. Увеличение содержания Аг вместе с содержавшимися в нем примесями в среде ионного распыления повышает содержание примесей в пленках. Выбор типа насоса, используемого для откачки камеры, и ловушек является важ­ным фактором снижения загрязнений пленки. Загрязнения па­рами масла из механического и диффузионного насосов могут быть сведены к минимуму управлением процессом откачки и использованием криогенных ловушек. В установках испарения и распыления часто применяются криогенные гелиевые насосы замкнутого цикла откачки и турбомолекулярные насосы. Ис­пользование таких насосов позволяет избежать главным обра­зом загрязнений парами масла, а также уменьшить стоимость процесса откачки за счет исключения постоянного использова­ния жидкого азота в ловушках.

Естественно, кремниевые подложки должны быть подвергну­ты очистке перед помещением в камеру металлизации. Наибо­лее общие методы очистки включают использование буферных растворов HF или растворов чистой HF. Эти растворы удаляют с поверхности кремниевой подложки или слоев поликристал­лического кремния тонкие остаточные пленки окисла и некото­рые окислы с поверхности диэлектрика. Поверхностные загряз­нения, содержащие натрий, удаляются вместе с поверхностны­ми окислами. После химической очистки для удаления фтори­дов проводится отмывка в деионизованной воде. Подложки пос­ле сушки сразу же загружаются в камеру для того, чтобы из­бежать повторного загрязнения. Тонкая пленка Si0₂ (≤ 2 нм), образованная при отмывке в деионизованной воде и сушке на воздухе, не является значительным препятствием для осажде­ния металлической пленки Аl, если отжиг производится при температуре 300°С и выше. Это происходит вследствие того, что Аl₂0з имеет относительно высокую энергию образования (400 ккал/М) по сравнению с Si0₂ (205 ккал/М). Соотно­шение этих энергий приводит к восстановлению тонкого слоя Si0₂ контактирующим Аl.

Качество осаждаемых на установке металлических пленок должно периодически проверяться путем измерения С—V-ха­рактеристик подзатворного окисла Si0₂ (который получен в установке для изготовления чистых окислов). Эти измерения должны проводиться после чистки системы, установки нового источника, при сомнительных результатах испытания системы или после проведения процесса с использованием подложек из нетрадиционного материала.

Дата добавления: 2015-08-05