Переход на магнетронный способ напыления алюминия на МДП структуры, технические и технологические решения

  • Докладчик: Хандогий Н.В., Соколова Е.В.
  •  Тема: Переход на магнетронный способ напыления алюминия на МДП структуры, технические и технологические решения.
  • Организация: АО «НПП «Элар»

Вакуумное напыление тонких пленок алюминия является одним из основных технологических процессов изготовления различных типов полупроводниковых приборов и ИС. До настоящего времени основным методом вакуумного напыления пленок алюминия при производстве фоточувствительных приборов с зарядовой связью в АО «НПП «ЭЛАР» являлся термического (резистивного) испарения в вакууме. При относительно неплохой воспроизводимости данного процесса на технологическом оборудовании предприятия, имеется ряд проблем, которые препятствуют дальнейшему совершенствованию технологии.

Исходя из литературных данных и опыта практической работы предприятия, к материалу металлизации для п/п приборов и ИС предъявляется обширный набор требований [1].

К сожалению, в природе не существует металла, который бы идеально удовлетворял всему набору требований, но наиболее полно им отвечает высокочистый алюминий (чистотой не хуже 5N8 (99,9998%)), а также алюминий с небольшими добавками Si и/или Cu.

Вследствие своей высокой пластичности алюминий выдерживает возникающие из-за разности ТКР А1 и Si (которые равны, соответственно, 23,6∙10-6 и 3,3∙10-6 K-1) значительные внутренние напряжения [1].

В текущем производстве АО «НПП «ЭЛАР» напыление пленок алюминия осуществляется методом термического вакуумного напыления (резистивным способом). Данный способ обладает рядом технологических недостатков, которые неоднократно обсуждались в различных литературных источниках. В частности, этот процесс относительно сложно поддается автоматизации и требует высокого мастерства оператора напылительной установки.

Напылительный узел и планетарный механизм вращения подложек установки Alcatel EVA-600 показаны на рис. 1.

Рис. 1. а) Напылительный узел, б) планетарный механизм вращения подложек
Рис. 1. а) Напылительный узел, б) планетарный механизм вращения подложек

Говоря об основных недостатках термического (резистивного) способа напыления металлических покрытий, их можно разделить на технические и технологические. К техническим недостаткам можно отнести:

  1. Низкую технологичность и высокую трудоемкость изготовления спиралей, с учетом хрупкости используемого материала (вольфрама). Для изготовления спиралей требуется специальная оснастка, отдельное рабочее место и разработка отдельного технологического процесса.
  2. К чистоте вольфрама предъявляются довольно высокие требования. Так, наличие примесей щелочных металлов в концентрации более 0,001% может привести к увеличению темновых генерационных токов в приборных структурах и появлению нестабильности электрофизических характеристик.

На рис.2 показаны чистая (новая) спираль и аналогичная спираль после 6-ти процессов напыления, после чего их меняют.

Рис. 2. а) чистая (новая) спираль, б) спираль после 6-ти напылений
Рис. 2. а) чистая (новая) спираль, б) спираль после 6-ти напылений

К технологическим недостаткам можно отнести:

  1. Возможность «скатывания» расплавленного алюминия к краям спирали, или падения капель алюминия из витков спирали, что приводит к увеличению времени распыления навески в первом случае и к уменьшению итоговой толщины пленки алюминия во втором случае.
  2. Из-за высокой скорости испарения алюминия пленка растет с высокой скоростью (пленка толщиной 0,5 микрометра формируется в течение 8-10 минут при распылении 4-х навесок из 2-х спиралей). Cложно обеспечить управление микрокристаллической структурой (степенью зернистости) алюминиевой пленки.
  3. У Al и Si давления насыщенных паров при температуре испарения алюминия, по литературным данным, имеют разницу в 3-4 порядка величины, что делает невозможным применение навесок алюминия с добавлением Si.
Рис. 3. а) в верхнем ряду справа – магнетрон с алюминиевой мишенью, б) планарное расположение мишени относительно магнетрона, расстояние подложка-мишень может регулироваться в пределах 20-30 см.
Рис. 3. а) в верхнем ряду справа – магнетрон с алюминиевой мишенью, б) планарное расположение мишени относительно магнетрона, расстояние подложка-мишень может регулироваться в пределах 20-30 см.

Для решения вышеперечисленных проблем предпринята разработка технологии напыления алюминиевых покрытий магнетронным способом. В процессе работы проведена модернизация технологической установки, вакуумная система откачки напылительной камеры заменена на безмасляную. Установлены магнетроны, рис. 3 а., способные работать как в ВЧ режиме (RF), так и в режиме постоянного тока (DC). В процессе работы опробованы алюминиевые мишени 2-х типов: чистый алюминий степени чистоты 6N и алюминий чистоты 5N8 с примесью 1%Si.

Магнетронный способ напыления предоставляет более широкий спектр возможностей управления технологическим процессом.

  1. Дополнительная очистка поверхности подложек в плазме разряда. Испарение алюминия с поверхности мишени более мелкими фракциями, нежели при резистивном испарении. Меньшая скорость осаждения металла положительно влияет на адгезию алюминия. Возможно использовать более низкие температуры нагрева подложек при предварительном обезгаживании и в процессе напыления алюминия на подложки, снижается термическое воздействие на обрабатываемые МДП структуры.
  2. Работа в относительно широком диапазоне рабочих давлений плазмообразующего газа, в совокупности с возможностью изменения мощности разряда в пределах 20-30% позволяет отработать стабильный, хорошо контролируемый технологический процесс, обеспечивающий управление зернистостью пленки алюминия и скоростью роста пленки.
  3. Магнетронный способ распыления рабочего материала мишени позволяет работать с алюминиевыми мишенями с добавлением различных материалов, в частности кремния, что позволяет исключить растворение кремния в слое пленки алюминия в области контактов, и как следствие, снизить образование «ямок травления».
  4. Возможность остановить и продолжить процесс напыления на любом этапе, использование «сухой» откачки, проведение непрерывного процесса напыления (без необходимости переключения между спиралями) позволяет исключить образование прочной, хотя и тонкой пленки Al2O3 между слоями алюминия.
  5. Использование планарного механизма вращения подложек, рис. 3б, вместо планетарного, показанного на рис. 1б, изменение расстояния от подложки до мишени в широких пределах (до 30 см), позволило добиться равномерности толщины пленки по диаметру подложки в пределах 3-4%. Время напыления пленки толщиной 0,5 мкм не превышает 35 минут.
  6. Изготовление мишеней требуемой конфигурации, степени чистоты металла и с необходимыми примесями, не представляет технической сложности.
  7. Замена мишеней производится только после полной выработки предыдущей мишени. Для контроля качества мишени достаточно произвести измерение вольт-фарадных характеристик тестовых МОП-структур с напыленными алюминиевыми электродами.
  8. Конструкция магнетронов позволяет работать при давлении в камере порядка (2÷6)·10-3 мбар (0.2÷0.6 Па).

Одним из основных требований при разработке процесса было получение электрофизических характеристик МДП-структур не хуже, чем получаются при «резистивном» способе испарения. Качество структур оценивалось по C-V характеристикам МДП-структур.

Из рис. 4 видно, что вольт-фарадные характеристики покрытий, полученных магнетронным способом, практически не отличаются от характеристик покрытий, полученных резистивным способом. Небольшой сдвиг C-V характеристики в сторону положительных напряжений для «магнетронной» структуры, свидетельствует о меньшей величине встроенного заряда, что может объясняться, в частности, отсутствием примесей щелочных металлов, наличествующих в вольфраме, из которого изготавливаются спирали. Анализ электрофизических параметров полученных покрытий в сравнении с резистивными пленками алюминия проводился по нескольким параметрам, в том числе и по времени жизни неосновных носителей, однако ограниченный объем настоящего доклада не позволяет привести все полученные данные.

Одним из требований, предъявляемых к пленкам алюминия является минимальная взаимная диффузия на границе раздела Al–Si. Растворимость Si в Al по массе достаточно велика: 0,25% при Т= 400K и 0,8% при 500K. В этом диапазоне температур коэффициент диффузии Si в тонкие пленки Al примерно в 40 раз выше, чем в объемный Al, что объясняется тем, что диффузия Si в тонких пленках Al идет главным образом вдоль границ зерен.

За счет растворения Si в Al в приповерхностной области кремния в контактных окнах возникают микропустоты, заполняемые за счет встречной диффузии атомов алюминия, причем возможно проникновение при термообработке Al внутрь контактных окон на глубину более 1 мкм. Если на участках контакта есть диффузионный переход с глубиной менее 1 мкм, может произойти замыкание перехода. Для исключения такого типа отказов переходов в Al добавляют в небольшой концентрации (обычно 0.5–1%) Si [2].

Сравнительные характеристики алюминия «магнетронного» и «резистивного»
Тест «МагАл-2»: Диэлектрик-окисел кремния
Магнетронный
1
Резистивный
2
Диэлектрик-окисел- нитрид кремния
Магнетронный
3
Резистивный
4

Рис. 4. Сравнение C-V характеристик магнетронного и резистивного способов напыления, 1,2 -–диэлектрик SiO2, 3,4 – диэлектрик Si3N4

1
2
3
4

Рис. 5. Фотографии размеров зерна на структурах, полученных в повторяющихся процессах резистивного напыления с интервалом в 10 процессов

Следующей важной характеристикой качества напыляемых пленок является их микрокристаллическая структура, характеризуемая размером зерна. Управление размером зерна пленок алюминия является одной из важных технологических задач в производстве МДП структур. Процесс резистивного напыления алюминия, несмотря на то, что он имеет в целом хорошую технологическую воспроизводимость, но степень контроля размера зерен достаточно ограничена. На рис. 5 показан разброс размеров зерна пленки алюминия при резистивном напылении (при одинаковой мощности источника питания и времени напыления). В противоположность этому, процесс магнетронного напыления позволяет, изменяя параметры разряда, такие как давление рабочего газа, расстояние от подложки до мишени, мощность разряда, в определенных пределах управлять размером зерна напыляемых пленок алюминия. Результаты представлены на рис. 6.

1
2

Рис. 6. Пленка алюминия 1напылена при мощности разряда на 20% меньше, чем пленка 2, остальные условия полностью совпадают.

Продолжается работа по совершенствованию процесса магнетронного напыления алюминия, направление дальнейших исследований сосредоточено на применении пленок алюминия с добавкой кремния (Al 5N8+1%Si) с целью уменьшения эрозии кремния (образования ямок травления) в сравнении с резистивным напылением.

            Выводы: на основе результатов проведенных исследований установлено, что переход с резистивного на магнетронный способ напыления алюминия позволяет решить ряд технологических проблем и обеспечить улучшение качества изготавливаемых приборов и повышение выхода годных.

Список литературы.

  1. О.Д. Парфенов. Технология микросхем //М., Высш. школа, 1986, стр. 82-83.
  2. Б.С. Данилин. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок //М., Энергоатомиздат, 1989, стр. 13.

На нашем сайте мы используем Сookies, которые помогают нам оптимизировать ваш пользовательский опыт. Продолжая работу на сайте, вы соглашаетесь с обработкой нами полученных данных. Подробнее… 

/** */