Массо- и теплоперенос при осаждении металлических пленок в установке СВЧ-ЭЦР разряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ПОЛУЭКТОВ НИКОЛАИ ПАВЛОВИЧ

МАССО-И ТЕПЛОПЕРЕНОС ПРИ ОСАЖДЕНИИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК В ПЛАЗМЕ СВЧ - ЭЦР - РАЗРЯДА

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -

2004

Работа выполнена на кафедре университета леса.

Научный консультант: Официальные оппоненты:

физики Московского государственного

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Харченко В.Н.

доктор физико-математических наук Любченко Ф.Н.

доктор физико-математических наук, профессор Суржиков С.Т

доктор технических наук Кулеш В.П.

Ведущая организация: ИВТ РАН РФ

Защита состоится " 17 " декабря 2004 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.146.05 Московского государственного университета леса по адресу: 141005, Мытищи-5, Московской области, 1-я Институтская ул., д.1, МГУЛ, ауд. 313.

Отзыв на автореферат В ДВУХ ЭКЗЕМПЛЯРАХ, ЗАВЕРЕННЫЙ ПЕЧАТЬЮ УЧРЕЖДЕНИЯ, просим направить по указанному адресу

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ.

Автореферат разослан " . . ".........2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

Ю. С. Галкин

2005-± 2.092.9

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

злоб И

Актуальность проблемы. Одним из перспективных направлений развития электронной компонентной базы является создание сверхбольших интегральных схем (СБИС) с многослойной топологией кристалла (концепция «вертикальной интеграции»). За рубежом уже освоены промышленностью многослойные (3-5 слоев) интегральные микросхемы с минимальными поперечными размерами элементов 0.13 мкм и менее. Производство таких микросхем основано на использовании так называемой "дамасской" технологии. В этой технологии в межслойном диэлектрике сначала методом травления создаются канавки (тренчи) и сквозные отверстия контактных окон, глубина которых в 4-7 (ас-пектное отношение) раз больше поперечных размеров, которые затем заполняются металлом [1]. В настоящее время основным процессом создания металлизации СБИС является ионный (физический) метод распыления, когда в результате бомбардировки катода-мишени положительными ионами инертного газа происходит выбивание атомов металла. При уменьшении технологических размеров тренчей и контактных/переходных окон менее 0.5 мкм с аспектным отношением более 2 использование для металлизации хорошо отработанного электронной промышленностью магнетронного разряда встречает принципиальные трудности. Поток распыленного металла состоит почти на 100% из атомов, их угловое распределение близко к косинусному (по отношению к нормали). Изотропное распределение частиц приводит к тому, что на верхней части субмикронной структуры образуется навес, а внутри - полость. Чтобы провести анизотропную металлизацию узкого отверстия, необходим поток частиц, приходящий на поверхность подложки вдоль нормали.

Одним из возможных способов фильтрации распыленных под большими углами атомов является применение коллиматоров - пластин с отверстиями определенной высоты и диаметра, устанавливаемых между мишенью и подложкой. Недостатком коллиматоров является резкое уменьшение скорости напыле-

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

ния и изменения её в процессе эксплуатации вследствие осаждения металла и уменьшения диаметра отверстий. Кроме того, качество металлизации в таком методе, ухудшается для структур с поперечными размерами менее 0.25 мкм и аспектным отношением более 3.

Более перспективным методом решения данной проблемы является ионизации распыляемого металла, так как на ионы можно воздействовать электрическим полем слоя перед подложкой. С этой целью изучаются различные виды разрядов с плазмой высокой плотности (более 10"см'3) - совмещение магне-тронного разряда с индуктивным для дополнительной ионизации металла, сверхвысокочастотный разряд в условиях электронно-циклотронного резонанса (СВЧ-ЭЦР) и другие. Так как плазма в этих разрядах создается в большом объеме, на пути от мишени к подложке (10-20 см) атомы металла могут ионизоваться. Для повышения степени ионизации распыленных атомов металла разряд в установках с совмещенным магнетронным и индуктивным разрядами производится при давлении 30-50 мТор (Па). При таких давлениях возрастает время нахождения атомов металла в области разряда, и как следствие, вероятность ионизации. Однако довольно большое давление увеличивает количество рассеиваемых атомов и существенно снижает скорость осаждения пленки. По расчетам на подложку, находящуюся на расстоянии 15 см от мишени, приходит только не более 1% распыленных с мишени атомов. Поэтому проводятся исследования по достижению высокой степени ионизации атомов металла при меньших давлениях [2].

Свойства получаемых металлических пленок зависят от температуры подложки и потока частиц. Такими частицами в установках с распылением могут быть ионы и атомы металла и плазмообразующего газа (Аг, Кг, Xe, N2 и т.д.). Положительные ионы с энергией 20-30 эВ приходят на изолированную подложку вследствие ускорения в пограничном слое с разностью потенциалов, образующимся около нее. Эту энергию можно увеличить, прикладывая электрическое напряжение к подложке. Поток атомов с энергией сотни эВ возникает,

когда ион плазмообразующего газа при ударении в мишень превращается в атом и отражается от нее.

Плазма при низких давлениях характеризуется сильной неравновесностью: температура электронов 2-10 эВ (1 эВ = 11600 К), в то время как температура атомов и ионов на два порядка меньше. Образование пленок при воздействии больших потоков ионов и атомов не может быть описано равновесной термодинамикой и, как следствие, часто наблюдается образование метастабильных фаз. Способность синтезировать материалы при существенно более низких температурах по сравнению с равновесными - важное свойство разрядов при низких давлениях в установках плотной плазмы.

Морфология пленок, получаемых методом распыления мишени, была описана Торнтоном [3]. Согласно этой теории наиболее качественные пленки образуются при температуре подложки О.ЗТвддо <Т< 0.5Тшавл (зона Т) и значительных потоках ионов. Получаемая при этих условиях пленка имеет волокнистую структуру, в которой кристаллы растут перпендикулярно поверхности подложки с плотной упаковкой (пустоты 5%). Поток энергетичных частиц перераспыляет атомы металла со слабой адгезией, стимулирует поверхностную миграцию атомов металла и, в конечном счете, приводит к образованию пленок с высокими физическими и электрическими параметрами и различной кристаллической структурой.

Таким образом, для получения металлических пленок в глубоких канавках субмикронных размеров с высокими физическими и электрическими свойствами необходимо изучить массо-и теплоперенос атомов и ионов металла и плазмообразующего газа на подложку.

Анизотропная металлизация глубоких субмикронных канавок и отверстий зависит от отношения потока ионов металла (вдоль нормали) к полному потоку металла (атомы + ионы), энергии приходящих на подложку ионов (разность плазменного и плавающего потенциалов плазмы + напряжение смещения) и температуры подложки. Для выяснения процесса ионизации атомов металла

необходимо измерить следующие величины: концентрацию и функции распределения электронов, атомов и ионов металла по энергиям на разных расстояниях от мишени. Эти измерения достаточно сложны, требуют использования автоматизированных систем диагностики и трудоемки, на что указывает малое число отечественных и зарубежных публикаций.

Актуальность задачи металлизации субмикронных структур СБИС подтверждается включением ее в отдельный раздел "Исследование проблем многоуровневых соединений глубокосубмикронных СБИС" Перечня научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы".

Цель работы: Исследование процессов переноса массы и энергии атомов и ионов в плазме СВЧ-ЭЦР разряда, используемого для металлизации глубоких субмикронных структур СБИС. В задачи работы входило:

1. На основе теоретического анализа проблемы разработать и создать экспериментальную технологическую установку СВЧ-ЭЦР разряда, включающую разрядную камеру, систему вакуумирования и подачи газа, СВЧ- систему, магнитную систему.

2. Разработать и создать автоматизированный комплекс диагностики.

3. На основе зондовых, спектральных и калориметрических методов диагностики, провести измерения пространственных распределений основных теплофи-зических параметров плазмы, а также тепловых потоков на подложку при различных уровнях СВЧ-мощности, давлениях и конфигурациях магнитного поля.

4. Исследовать процессы ионизации распыленных атомов металла при давлениях разряда порядка 1 мТор и провести металлизации глубоких микроструктур

5. Провести расчет толщины пленок, получаемых методом распыления цилиндрической мишени и сравнить с результатами эксперимента.

Методика исследования. Для решения поставленных задач был создан автоматизированный комплекс диагностики, собранный на базе компьютера IBM и аппаратуры КАМАК. Для определения параметров плазмы и подложки использовались методики зондовых, оптических, спектральных и термопарных измерений. Толщины осажденных на различных поверхностях субмикронных канавок определялись с помощью электронного микроскопа. Новизна исследований и научных результатов.

На основе теоретического анализа литературы была разработана и изготовлена защищенная патентом РФ установка СВЧ-ЭЦР разряда, отличительной особенностью которой является магнитная система, позволяющая получить поле перестраиваемой конфигурации. Разработан и создан автоматизированный комплекс диагностики, позволяющий производить зондовые и спектральные измерения теплофизических параметров плазмы СВЧ- ЭЦР- разряда в течении экспериментов или технологических процессов.

При вкладываемой СВЧ - мощности W = (200-1000) Вт в диапазоне давлений р = (0,3-3) мТор проведены исследования плазмы СВЧ - ЭЦР- разряда, создаваемой в экспериментальном источнике диаметром 150 и длиной 250 мм и перестраиваемой конфигурацией магнитного поля.

Для различных конфигураций магнитного поля: соленоидальной, касповой и гибридной получены пространственные распределения основных теплофизи-ческих параметров плазмы: температуры электронов и функции их распределения по энергиям; концентрации и плотности потока ионов; потенциала плазмы и плавающего потенциала.

Определены режимы СВЧ - ЭЦР- разряда по давлению и геометрии магнитного поля, при которых реализуются:

- высокая радиальная однородность концентрации ионов в плазменном потоке, достаточная для обработки подложек диаметром 150 мм;

- высокая (~20 мА/см2) плотность ионного тока в пучке;

Проведены исследования процесса ионизации распыленных атомов металла. На расстоянии 15 см от мишени и давлении газа менее 1 мТор получены следующие значения степени ионизации потока распыленных атомов: алюминия и титана - 70%, меди - 45%.

Измерения тепловых потоков на подложку, находящуюся под плавающим потенциалом в плазме, показали, что основной вклад в нагрев вносят потоки ионов инертного газа. Без принудительного охлаждения тепловые потоки порядка 0.85 Вт/см2 вызывают нагрев подложки до 300° С.

Экспериментально показано, что данная технология позволяет успешно проводить анизотропную металлизацию канавок с поперечным размером 0.7 -1 мкм и глубиной в 1.2 - 4.5 мкм при давлении менее 1 мТор и СВЧ- мощности 750-1000 Вт при температурах подложки менее 200°С. Скорость осаждения пленки при данных параметрах разряда достигает 50 -100 нм/мин. Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечивается: применением современных измерительной аппаратуры и вычислительных средств; корректным использованием методов расчета теплофизических параметров, не противоречащих основным положениям теории плазмы; хорошей повторяемостью результатов при многократных измерениях (некоторые характеристики измерялись несколько десятков раз), определением важнейших параметров различными методами, хорошим совпадением экспериментальных и расчетных данных (в тех случаях, когда такое сравнение возможно), совпадением результатов измерений, проведенных другими авторами в аналогичных условиях. Практическая значимость работы. Проведенные в работе исследования подтвердили перспективность применения СВЧ - ЭЦР разряда как инструмента современных плазменных технологий микроэлектроники. Полученные результаты могут быть использованы при выработке инженерно-физических решений в процессе проектирования оптимальных промышленных устройств с СВЧ- ЭЦР-источниками плазмы.

Личный вклад автора заключается в выборе цели и задач работы, создании установки, методов диагностики, системы автоматизации, проведении исследований, обработке и анализе результатов экспериментов.

На защиту выносится:

1. Разработка плазменной технологии металлизации глубоких субмикронных структур СБИС при давлениях порядка 1 мТор. на установке СВЧ - ЭЦР разряда.

2. Создание экспериментальной технологической установки СВЧ-ЭЦР разряда с изменяемой геометрией магнитного поля.

3. Создание автоматизированного комплекса диагностики зондовых, оптических, спектральных, лазерных и технологических измерений.

4. Результаты экспериментальных исследований теплофизических, энергетических и спектральных характеристик потоков атомов и ионов инертного газа и распыленного металла в различных областях разряда.

5. Определение оптимальных условий разряда для достижения качественной металлизации глубоких субмикронных структур, используемых при производстве СБИС и других изделий микроэлектроники.

Апробация работы.

Работа поддерживалась программами:

• "Создание автоматизированного комплекса диагностики плазмы в плазмохи-мическом реакторе". Хоздоговор с ИАЭ им.Курчатова И.В. 1989 -1991 г.

• "Применение низкотемпературной плазмы в новых технологиях - для производства СБИС и разделения изотопов". Программа Минобразования РФ "Технические Университеты России" 1995 - 1996 гг.

• "Разработка источника плазмы на основе СВЧ-ЭЦР разряда для плазменной технологии изделий микроэлектроники нового поколения". Межвузовская НТП 403 " Критические технологии, основанные на распространении и воздействии потоков энергии". 1998-1999 гг.

• "Исследование процессов в СВЧ-ЭЦР разряде для разработки плазменной технологии создания датчиков локального мониторинга лесных и природных ресурсов" Программа Минобразования РФ. 1998-2001 гг.

• "Экспериментальная отработка технологии использования плазменного разряда при изготовлении ИС". Хоздоговор с НИИ космических систем. 19992001 гг.

• "Исследование и разработка технологии создания верхних слоев металлизации многоуровневых СБИС на установке СВЧ-ЭЦР разряда." Программа: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» 2001-2002 гг.

• "Разработка технологии металлизации субмикронных структур изделий микроэлектроники на установке СВЧ-ЭЦР разряда с использованием ионизации распыленных атомов металла". Программа сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства обороны Российской Федерации "Научно-инновационное сотрудничество". 2004 г.

Результаты работы докладывались на научных конференциях МГУЛ в 1995 - 2004 годах, на Международных конференциях: 10th Intern. Heat Transfer Conf. (Англия, 1994), 11th international conference on Gas discharges and their Application (Япония, 1995), Всероссийская конференция Микро-и нано-электроника -98 (Москва, 1999), 5th - World Conf. Exper. Fluid МеА. Heat Transfer and Thermodynamics. (Греция, 2001), Intern.Conf. Mathem. Phys. Methods in Ecology & Envirom. Monitoring (Москва, 2001), Всероссийская НТК "Электроника" (Зеленоград, 2001), Международная НТК "Электроника и информатика-2002" (Зеленоград, 2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, получен патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и списка используемой литературы. Общий объем диссертации -

183 страниц, включающий 88 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 88 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы проблемы, возникающие при металлизации структур СБИС - сквозных отверстий и канавок, с субмикронными поперечными размерами и глубиной в 4 -7 раз больше. Исходя из этого, сформулирована цель работы.

В первой главе дается анализ современного состояния плазмохимических технологий для осаждения и травления тонких пленок, используемых при создании изделий микроэлектроники. Наряду с традиционными установками на основе магнетронного и емкостного высокочастотного разрядами рассмотрены современные установки высокоплотной плазмы на основе индуктивного и СВЧ-ЭЦР разрядов.

Во второй главе приводится краткая теория сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда, создаваемого в магнитном поле в условиях электрон - циклотронного резонанса (ЭЦР). На основе анализа теоретических и экспериментальных работ многих авторов рассмотрены принципы генерации СВЧ - ЭЦР- плазмы, а именно: баланс мощностей в разряде; распространение и поглощение СВЧ- волны в магнитоактивной плазме (области прозрачности, отсечки и резонансы); трансформация волн различных поляризаций при резонансах [4-7]. Показано, что важнейшие параметры ЭЦР - плазмы, которые в целом определяют технологические характеристики установок данного класса, существенным образом зависят от пространственной конфигурации магнитного поля.

В третьей главе описывается экспериментальная установка с СВЧ- ЭЦР- источником плазмы, представленная вместе со схемой комплекса диагностики на Рис. 1. Разрядная камера состоит из источника СВЧ - ЭЦР плазмы диаметром 150 мм и длиной 250 мм и плазмохимического реактора диаметром 350 мм

ИФП МОНОХРСМАТОР КАМАК

Рис. 1. Схема установки СВЧ-ЭЦР плазмы кафедры физики МГУЛ.

и длиной 650 мм для проведения технологических процессов. СВЧ- волна от генератора поступает в источник через кварцевое стекло. Особенностью экспериментальной установки является магнитная система, позволяющая получить поле перестраиваемой конфигурации. Магнитная система состоит из трех подвижных соленоидальных электромагнитов Ml- M3 и двенадцати размещенных на боковой поверхности источника постоянных Sm-Co магнитов, создающих остроугольное (касповое) поле. Перестройка поля осуществляется: а) коммутацией и передвижением электромагнитов; б) регулировкой тока питания электромагнитов; в) установкой или удалением постоянных магнитов. Магнитная система спроектирована на основе данных численного моделирования, результаты которого приводятся. Магнитное поле оптимизировалось по трем параметрам: малая радиальная неоднородность индукции (4 % на диаметре 150 мм) и плоская форма эквимагнитной поверхности 875 Гс в области источника, малые продольные градиенты (менее 30 Гс/см). Приводится также описание СВЧ тракта и вакуумной системы.

В четвертой главе дается описание автоматизированной системы диагностики, посредством которой осуществлялись все измерения (Рис.1). Она собрана на базе IBM - совместимого компьютера и аппаратуры КАМАК.

Основные параметры плазмы, такие, как концентрация электронов и ионов,

ионный ток насыщения, потенциал плазмы, плавающий потенциал, температура и функция распределения электронов по энергиям, определяются из зондо-вых измерений методом ВАХ электростатических зондов Ленгмюра.

Спектр оптического излучения плазмы регистрировался при помощи мо-нохроматора МДР-12. По спектрам излучения плазмы контролировались: наличие вредных примесей, а также относительная концентрация распыляемого металла в разряде.

Температура и скорость атомов и ионов измерялась оптическим методом, соответственно, по доплеровскому уширению и смещению профиля спектральной линии с помощью сканируемого давлением интерферометра Фабри-Перо, скрещенного с монохроматором.

Для измерения концентрации распыленных атомов металла была использована методика диагностики по поглощению резонансных спектральных линий, излучаемых лампой с полым катодом. Для определения потоков атомов и ионов металла на подложку и скорости осаждения металлической пленки на оптически прозрачную подложку был разработан метод диагностики по поглощения излучения He-Ne - лазера. Для каждой методики даны значения точности измерений. В среднем ошибки измерений не превышают 10%.

Система автоматизации измерений теплофизических параметров плазмы в различных областях разряда позволяла получать с высокой точностью и обрабатывать большие массивы информации, и, таким образом, достоверно анализировать процессы, происходящие в плазме. Созданная автоматизированная система показала высокую эффективность за счет комплексного использования различных методов диагностик и сокращения времени обработки экспериментальных данных.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований зависимости теплофизических параметров плазмы от конфигурации магнитного поля и анализируются полученные результаты. Приводятся радиальные и аксиальные распределения основных теплофизических параметров плазмы, полу-

ченные при различных давлениях, вкладываемых мощностях и конфигурациях магнитного поля: соленоидальной расходящейся (без МЗ), соленоидальной пробочной (с МЗ), касповой и гибридной. На Рис.2,3 для соленоидального пробочного поля показаны, соответственно, зависимость потока ионов и плотности ионного тока насыщения плазмы от магнитного поля и их радиальные распределения при тех же условиях. При увеличении поля от 850 до 900 Гс наблюдается резкое повышение плотности ионного тока, что указывает на возникновение режима электрон - циклотронного резонанса. Максимальное значение плотности ионного тока - 18 мА/см2 для СВЧ- мощности '№'=700 Вт достигается при значениях индукции магнитного поля Это соответствует концентрации на порядок превышающей критическую (N„=7,4 Ю10 см-3). При этом наблюдается большая неоднородность разряда по радиусу (керн диаметром около 10 см) (Рис.3). Дальнейшее увеличение магнитного поля приводит к уменьшению неоднородности при практически неизменной концентрации в центре. Минимальная радиальная неоднородность ионного тока- ± 3 % на диаметре 160 мм наблюдалась при В«т=1080 Гс (Рис.3).

Применение гибридного магнитного поля (суперпозиция соленоидального и каспового поля постоянных магнитов) позволило повысить в 1,8 раз по сравнению с соленоидальным полем средней по сечению концентрации ионов за счет создания дополнительного ЭЦР - слоя. Радиальные распределения концентрации плазмы на выходе источника для гибридного поля приведены на Рис.4. Видно, что при давлении 1 мТор и мощности 900 Вт, концентрация плазмы достигает значения

На Рис.5 показаны радиальные распределения концентрации на расстоянии 35 см от выхода источника в условиях каспового поля. Здесь ЭЦР - слой создавался постоянными магнитами, а слабое (<670 Гс) соленоидальное поле пробочной конфигурации осуществляло коллимацию плазменного потока на больших расстояниях от источника. Ионный поток в этом случае имеет низкую

Рис 2 Зависимость потока ионов Г, и плотности ионного тока ./, от магнитного поля для различных значений г-координаты на расстоянии х = 62 см от СВЧ-окна Аг, р=0 5 мТор, только электромагниты М1-МЗ, '«'=(700+30) Вт

Рис 3 Радиальное распределение потока ионов и плотности ионного тока . для различных значений магнитного поля на расстоянии х = 62 см от СВЧ- окна Аг, р=0 5 мТор, только электромагниты М1-МЗ, '=700 Вт

Рис 4 Радиальное распределение концентрации ионов на выходе источника (х = 32 см от СВЧ-окна) для различных давлений Кг, гибридное магнитное поле, В«г=945 Гс, \У=900 Вт

ТРис 5 Радиальное распределение концентрации плазмы на расстоянии 35 см от источника Касповое поле Кг, р=0 5 мТор, \¥=760 Вт

*-Рис 6 Ъ- распределение плавающего потенциала VI, потенциала плазмы температуры электронов Те и плотности ионного тока I, при 1=0 Аг, р=0 5 мТор, В\г=Ю35 Гс, поле магнитов М1 и М2, W=500 Вт

Рис 7 Распределение по радиусу пла- Рис 8 Функции распределения электронов

вающего потенциала Уг, потенциала по энергиям на выходе источника для раз-

плазмы V,, температуры электронов ных расстояний от центра разряда Буквен-

Те на выходе источника Кг, р=0 5 ные обозначения соответствуют точкам на

мТор, Вш=945 Гс, \У=500 Вт, гибрид- Рис 7. Кг, р=0 5 мТор, В*=945 Гс, \У=500 Вт,

ное поле. гибридное поле

концентрацию, но чрезвычайно малую неоднородность (±3% на диаметре 200 мм).

Распределения по оси Ъ основных параметров плазмы в условиях расходящегося поля (включены только электромагниты - М1 и М2) представлены на Рис.6. Видно, что в данном поле величина плотности ионного тока на расстоянии 35 см от СВЧ-окна уменьшается в 5 раз по отношению к величине на выходе источника (2=25 см). Температура электронов, достигающая 10 эВ в источнике - вблизи ЭЦР- слоя (12,5 см), с увеличением расстояния уменьшается до 2 эВ (65 см- область подложки). Разность потенциалов плазмы между выходом источника и областью подложки составляет 6 В. Отметим, что в условиях слабо расходящегося поля, созданного тремя электромагнитами, она не превышает 23 В. При отдалении от центра разряда она уменьшается до 1 - 1,5 эВ. Плавающий потенциал достигает минимума- -10 В в резонансной области, так как здесь высока концентрация электронов высоких энергий. С увеличением расстояния плавающий потенциал увеличивается и в объеме плазмохимического реактора становится положительным.

На Рис.7 изображены радиальные распределения параметров плазмы на выходе источника (2= 32 см) в гибридном поле. Видно, что разряд в этой области имеет форму керна. В центре разряда температура электронов максимальна и равна 4 эВ. При см (за границей основного потока плазмы) она уменьшается до 1.5 эВ. Потенциал плазмы слабо меняется по радиусу. Плавающий потенциал в центре разряда принимает отрицательные значения, а разность максимальна и составляет 20 В. На периферии керна плавающий потенциал положителен, а разность составляет 5-6 В. Столь большая радиальная неоднородность плавающего потенциала объясняется тем, что по мере приближения от периферии к центру разряда, существенно увеличивается концентрация высокоэнергетичных электронов (Рис.8). Популяция горячих электронов особенно отчетливо проявляется на кривой А (центр разряда) по двугорбому виду функции распределения. "Горб" в спектре энергий от 5 до 8 эВ обусловлен нагревом электронов при резонансном взаимодействии их с СВЧ- волной.

В шестой главе приведены результаты исследования процесса ионизации распыленных атомов алюминиевой, медной и титановой мишеней в источнике плазмы с гибридным магнитным полем. Мишени (полые цилиндры - внутренний диаметр 16 см, длина 8 см), устанавливались на расстоянии 15 см от источника (40 см от кварцевого окна, через который осуществляется ввод СВЧ волны). Мощность, подаваемая на мишень, изменялась в диапазоне 300-1000 Вт.

Концентрация ионов металла определялась из разности ионных токов плоского зонда без и с распылением мишени. При распылении на зонд приходят также ионы металла и, используя формулу Бома для скорости ионов, ионный ток плоского зонда можно записать в виде:

(1),

где п ., п . и М\1, Мс - концентрации и массы ионов инертного газа (Аг, Кг,

Рис.9. Зависимость тока мишени и ионного тока насыщения плоского зонда от проходящей СВЧ мощности Аг, р= 0 5 мТор, расход 10 см3/мин, и«иш = 400 В, Wcвч= 850 Вт, Wмиш=760 Вт.

Хе) и металла, соответственно, е - заряд электрона, кд - постоянная Больц-мана. Измерения показали, что температура электронов и интенсивность излучения ионов инертных газов уменьшаются в пределах нескольких процентов при подаче напряжения на мишень. Тогда принимая допущение, что концентрация ионов инертного газа при этом не изменяется, разность ионных токов в разряде с включенным и выключенным напряжением на мише-

ни равна току ионов металла, из которого затем определялась концентрация ионов металла. На Рис.9 приведены зондовые характеристики плоского зонда без и с распылением А1 мишени, снятые на оси камеры на расстоянии 15 см за мишенью.

Влияние давления аргона на параметры разряда на расстоянии 15 см за мишенью показано на Рис. 10 а, б. Концентрация ионов Аг достигает максимума при давлении 0.5 мТор, затем начинает уменьшаться. Максимальные значения концентрации ионов Аг достигаются при несколько больших давлениях: р = 0.70.9 мТор. Это объясняется тем, что концентрация ионов Аг в данном месте в значительной мере определяется не локальной ионизацией, а потоком плазмы из источника. В свою очередь, концентрация ионов Аг зависит от локальной ионизации. Длина пути ионизации определяется по формуле:

XI = УА/<сг,Уе>пе (2),

Рис.10. Зависимость от давления: а)-концентрации ионов аргона и алюминия; б) - плазменного У, и плавающего ^потенциалов и температуры электронов Т^. 15 см за мишенью, 800 Вт,

И5ииш-б20 Вт.

Рис.11. Аксиальные распределения за мишенью: а) концентрации ионов аргона и алюминия ; б) -плазменного и плавающего потенциалов плазмы, температуры электронов Г,. р= 1 мТор, 15 см3/мин, Ц'свч - 920 Вт, И'л/ящ =680 Вт.

где скорость распыленных атомов сечение и

энергия ионизации При увеличении давления вероятность ионизации распыленных атомов алюминия растет, так как вследствие столкновений с атомами аргона, их скорость уменьшается и увеличивается время пролета атома алюминия от мишени к подложке. Кроме того, при повышении давления вероятность ионизации увеличивается за счет нерезонансной перезарядки. При увеличении давления выше 1 мТор вероятность ионизации падает вследствие-умепышения температуры и концентрации электронов. Потенциал плазмы и модуль плавающего потенциала (Рис. 106) уменьшаются с повышением давления вследствие падения числа высокоэнергетичных электронов, также, как потенциал плазмы и температура электронов (Рис.116).

На Рис.12 построены функции вероятности энергий электронов в разряде на ксеноне, полученные из функций распределения электронов по энергии делением на Эта функция удобна

тем, что ее логарифм при максвеллов-ском распределении зависит от энергии электронов линейно и тангенс угла наклона обратно пропорционален температуре электронов. Для сравнения на этом рисунке приведена подобная функция для случая максвелловского распределения электронов по энергиям. В области энергий больше 10 эВ количество электронов в разряде уменьшается по сравнению с максвелловким распределением, что обусловлено неупругими столкновениями с атомами и ионами. Кроме того, хвост функции распределения спадает сильнее при подаче напряжения на мишень. Это связано с появлением в разряде атомов металла. Энергии

ВДЕуЕ1"), ога.ед.

О 5 10 15 20 25 30

Рис.12. Функция вероятности энергии электронов. 15 за мишенью, Хе, р=2.4 мТор, 30 см'/мин, Жсвч ~ 730 Вт, 360 Вт.

возбуждения ~3 эВ и ионизации 5.98 эВ атомов алюминия меньше, чем для инертных газов (-10-12 эВ и 12.13 -15.7 эВ соответственно), а сечения электронных столкновений возбуждения и ионизации для атомов алюминия больше, что и приводит к уменьшению электронов высоких энергий.

На Рис.13 показан спектр излучения плазмы аргона на расстоянии 15 см за мишенью. Отношение интен-сивностей линий АГ 390.1 нм и А1 396.1 нм изменяется от 0.1 до 0.3 при увеличении расстояния от мишени от 5 до 17 см. При этом интенсивность линий атомов алюминия уменьшается из-за увеличения расстояния от мишени, а интенсивность линии иона алюминия не меняется. Таким образом, ионизация возрастает по мере удаления от мишени как вниз, так и вверх по потоку плазмы. На Рис.14 приведены профили линии А1 3961 А, измеренные вдоль и поперек потока. Линия, измеренная вдоль потока с торцевого окна установки, сдвинута к коротким длинам волн вследствие макроскопического движения распыленных атомов алюминия. Величина этого сдвига 0.01 А, что соответствует направленной скорости 760 м/с и энергии 0.08 эВ соответственно. Измеренный сдвиг и рассчитанная скорость дают заниженные значения, вследствие того, что вдоль линии наблюдения попадают атомы алюминия, скорость которых направлена вверх по потоку (распыление вперед мишени). Чтобы получить правильное распределение продольной скорости распыленных атомов алюминия, необходимо привлекать методы томографии [9].

Рис. 13. Спектр плазмы Аг. 15 см отмишени. р = 0.6 мТор, расход газа 15 ем"3/мин, 1эишг. — 215 А, Шиши = 900 Вт.

Функция распределения распыленных атомов металла при энергиях ионов 400 - 800 В хорошо описывается формулой Томпсона [10]. Это распределение возрастает линейно и достигает максимума при энергии сублимации металла, а затем уменьшается как Е"2. Для алюминия наиболее вероятная энергия атомов, покидающих поверхность металла 1.5 эВ, но вследствие хвоста высокоэнерге-тичных атомов, средняя энергия порядка 9 эВ. В результате столкновений с

Рис.14. Профили линии Л/3961, измерен- Рис 15. Температура распыленных ато-

ные вдоль и поперек потока. Аг, р - 1.4 мов алюминия, измеренная поперек по-

мТор, 18 см'3/мин, 1Усвч ~ 650 Вт, Жшш = тока в зависимости от давления. 15 см за

300 Вт. мишенью, ИЬв650 Вт, Шшт = 300 Вт.

атомами нейтрального газа атомы алюминия теряют свою энергию (термоли-зуются), их скорость уменьшается, а вероятность ионизации увеличивается. На расстоянии 15 см от среза мишени при давлении более 1 мТор профиль линии А1 хорошо аппроксимируется гауссовой функцией (Рис.14).

На Рис.15 показана зависимость от давления температуры атомов алюминия, измеренная поперек потока в плазме аргона и криптона. Эта температура уменьшается с 0.8 до 0.28 эВ, когда давление криптона возрастает от 0.4 до 4 мТор. Для разряда в аргоне эта температура изменяется от 0.5 до 0.18 эВ для

тех же условий. Средняя энергия, теряемая атомом алюминия при столкнове-

2Ма1М!

нии с атомом нейтрального газа равна

- масса алю-

миния и -массы соответственно. Эта величина равна

поэтому атом алюминия теряет больше энергии при столкновении с атомом аргона. Распыленные атомы алюминия испытывают при

давлении 2 мТор порядка 5 столкновений на пути в 15 см.. Измеренная энергия много меньше, чем средняя энергия распыленных атомов 10 эВ , но больше, чем температура нейтрального газа <0.1 эВ. Последняя определялась из полуширины линий &4319 А и Лг7501 А. Температура ионов нейтрального газа за мишенью равнялась 0.25 эВ при давлении 0.8 мТор и уменьшалась при больших давлениях. Из результатов экспериментов по поглощению интенсивности излучения резонансных линий лампы с полым катодом следует, что в условиях экспериментов концентрация атомов А1 вблизи подложки лежит в диапазоне Для меди концентрация Эти величины хорошо согласуются с результатами по скорости осаждения пленки. Измерения концентрации распыленных атомов металла показали, что при постоянном давлении, увеличении мощности разряда и тока мишени концентрация атомов металла уменьшается, хотя количество распыленных с мишени атомов в этом случае увеличивается. Это на первый взгляд противоречие можно

объяснить тем, что при увеличении мощности растет концентрация электронов и на пути от мишени к подложке большее число атомов металла ионизуется. В результате концентрация атомов металла уменьшается. В седьмой главе приводятся результаты экспериментальных исследований тепловых потоков из плазмы на подложку. В качестве подложки использовался диск из стали диаметром 25 мм толщиной 0.2 мм и массой т = (0.6825 ± 0.0001) г. Диск устанавливался внутри охлаждаемой водой алюминиевой подложки, расположенной по центру разряда, на расстоянии 62 см от СВЧ- окна (Рис.16). К задней поверхности диска была приварена хромель-копелевая термопара, изготовленная из проволок диаметром 0.1 мм, на которой

ВОДА

Рис.16. Схема датчика для измерений тепловых потоков частиц плазмы.

удерживалась пластинка. Диск находился под плавающим потенциалом. Кривые нагрева и охлаждения тп(0 показаны на Рис. 17. Нагрев только ионами и атомами аргона происходит до 204 секунды, далее включается напряжение на медной мишени и происходит дополнительный нагрев ионами и атомами металла, в момент времени 275 сек напряжение выключается, температура падает до прежнего уровня, на 394 секунде плазма выключается. Уравнение теплового баланса при остывании подложки имеет вид:

(3)

Здесь Т„, с(Т„), т, 5, е(Т„), - соответственно, температура, удельная теплоемкость, масса, площадь поверхности и степень черноты пластинки; Тк -температура стенок камеры; О"-постоянная Стефана-Больцмана. В этом уравнении пренебрегается членами, учитывающими мощность потерь тепла за счет теплопроводности по проводам термопары и молекул газа. Их вклад по оценкам не превышает, соответственно, 10% и 3% от потерь за счет излучения. Естественной и вынужденной (за счет натекания и откачки) конвекциями при столь низких давлениях также пренебрегается.

Тепловые потоки из плазмы определены из уравнения теплового баланса при нагреве:

Здесь правая часть - описывает мощность, которая поступает из плазмы. Предполагается, что эта мощность обусловлена взаимодействием с подложкой -

-50 О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Рис.17. Кривые нагрева и охлаждения стального диска. Аг, р= 0.5 мТор, В\у-990 Гс, \Усвч=850 Вт, иМиш=400 В, 1миш=!,9 А.

электронов, ионов, нейтральных атомов и излучения плазмы. Подставляя в (4) выражение для второго члена из (3), получаем:

По экспериментальным кривым нагрева и охлаждения можно определить величины (еИЩ, в т.А и (с!Т/Л)0 в т.В при одной температуре, как показано на-Рис.17, а затем из (5) определить поток. В таблице 1 указаны полученные значения теплового потока для различных давлений аргона при СВЧ - мощности 850 Вт. Удельный тепловой поток из плазмы на пластинку, находящуюся под плавающим потенциалом, равен [8]:

Первый член в скобках определяет среднюю энергию электронов, приходящих на пластинку. Второй, равный энергии ионизации атома, выделяется при рекомбинации иона металла. Третий и четвертый члены выражают кинетическую энергию ионов аргона вблизи подложки. Около подложки ионы ускоряются разностью потенциалов в предслое, а затем в слое плавающим потен-

циалом, который для аргона равен

При давлениях, рассматриваемых здесь (< 10 мТор), длина свободного пробега атома газа , больше размеров теплового датчика d. Для этих условий теплообмен происходит в молекулярном режиме. Тогда тепловой поток пропорционален разнице температур (а не градиенту температур, как в случае атомов газа и поверхности датчика Плотность теплового потока в молекулярном режиме определяется формулой [11]:

Здесь а = (Тл-Тг)/(Т,-Тг) = 0Я6 - коэффициент аккомодации для Ат,Х~коэффициент теплопроводности газа, ра — давление газа. Оценки потоков энергий ионов, электронов, атомов и излучения при давлениях 0,2 - 5 мТор показывают,

Таблица 1

Р, мТор <\¥Р1>, Вт <№р1>, Вт/см2

0.3 0.9810.07 0.2 ±0.02

0.5 1.34 ±0.07 0.85 ± 0.04

0. 85 0.6510.1 0.1310.02

1.6 0.2510.05 0.05 ± 0.01

что потоки тепла электронов, атомов не превышают, соответственно, 25 % и 1,5 %, поток излучения не более 10%, а основной вклад вносят ионы инертного газа, в котором производится разряд.

При подаче напряжения на мишень происходит дополнительный нагрев ионами и атомами металла, в результате чего температура подложки увеличивалась (Рис. 17). Так как концентрации атомов и ионов распыленного металла на порядок меньше, чем инертного газа, дополнительное повышение температуры

было незначительным (0.5-4%), В восьмой главе приведен расчет толщины пленок, получаемых методом распыления цилиндрической мишени. Расчет распределения распыленного металла по поверхности подложки был проведен при следующих предположениях:

1. Распыленные частицы состоят из

Рис.18. Схема расчета распыления цилиндрической мишени.

нейтральных атомов металла.

2. Угловое распределение потока распыленных частиц подчиняется закону косинуса.

3. Атомы распыляемого материала незначительно рассеиваются в результате столкновений с атомами газа.

4. Атом металла осаждается в месте соударения с подложкой.

Цель подобных вычислений - получить распределение толщины получаемых металлических пленок в идеализированном случае. Сравнение данных расчетов толщины пленки с полученными в эксперименте позволяет определить вклад ионов металла в полный поток металла на подложку. В экспериментах применялись две А1 мишени, вторая радиусом 4 см. На Рис 18 представлена схема расчета. Цилиндрическая мишень внутренним радиусом и длиной находится на расстоянии Ь от края мишени до подложки радиусом /?„. В результате рассмотрения геометрии расположения мишени и подложки получается, что скорость роста толщины металлической пленки в различных областях подложки, определяется интегралом:

г; (¿+/х»й (8)

скорость ионного распыления, где плотность ионного тока коэффициент распыления алюми-

ния для ионов Аг и Кг с энергией 450 - 600 В, А =27 - атомная масса алюминия г/моль,

р=2.7 г/см3, =6-¡О23 ат./моль - число Авогадро, -переменный радиус (Рис.18). Вычисление интеграла (8) производилось численным методом. На

120

Рис.19. Радиальное распределение тол- Рис.20. Изменение скорости роста и одно-

щины металлической пленки при родности пленки как функция расстояния

изменении радиуса мишени Яь Расстоя- мишень-подложка Ь. Радиус мишени Кь = 4

ние мишень-подложка Ь= 15 см. Радиус см. Черные значки - расчет, белые - экспери-

мишени Яь = 8 см. Светлые квадратики - мент. Аг, р = 0.5 мТор, 1Усвчж 830 Вт, Шшш-

эксперимент. Аг, р = 0.5 мТор, \Vcb4 = 550 Вт. 870 Вт, Нити = 750 Вт.

Рис.19 представлен расчет радиального распределения толщины алюминиевой пленки при изменении радиуса мишени. Расстояние мишень - подложка 15 см, длина мишени 1т = 8 см, радиус подложки 5 см. Из Рис.19-20 видно, что без учета столкновений скорость роста пленки уменьшается с расстоянием, но однородность толщины увеличивается с 30 до 80% при увеличении расстояния между подложкой и мишенью с 5 до 20 см. На Рис.19 для сравнения приведены экспериментальные данные по скорости роста и однородности алюминиевой пленки, полученных распылением мишени с подобными размерами в разряде аргона при давлении 0.5 мТор. Из сравнения данных расчетов толщины металлических пленок, полученными в эксперименте можно сделать вывод, что предложенная модель при давлениях менее 1 мТор достаточно правильно описывает процесс переноса распыленных атомов металла от мишени к подложке. Модель не учитывает вклад ионов металла в процесс осаждения пленки и столкновения атомов металла с атомами распыляемого газа, что вызывает различие в однородности толщины пленки, следующих из расчетов и полученных в эксперименте. Полученная в эксперименте толщина пленки на малых радиусах меньше расчетных вследствие столкновений, а на больших радиусах растет, что приводит к увеличению однородности на 5-15% в зависимости от давления и расстояния мишень - подложка.

В девятой главе приводятся результаты экспериментов по заполнению металлом канавок (тренчей) глубиной 0.8 - 4.7 мкм и различной ширины - от 12 до 0.7 мкм, так что отношение глубины к ширине канавки (аспектное отношение) изменялось от 0.4 до 4.5. Тренчи были протравлены в окиси кремния, нанесенной на кремниевой подложке. Осаждение пленок металлов выполнялось при различных давлениях и мощности разряда. Подложка находилась под плавающим потенциалом, энергия ионов, приходящих на подложку находилась в диапазоне 15-25 эВ. Подложка была закреплена на водоохлаждаемом алюминиевом диске. Регулируя расход воды, можно было проводить осаждение пленок при различных температурах подложки. При температурах более 200°С по-

верхность пленок металла матовая, что объясняется большой (порядка 1 мкм) зернистостью пленок.

На Рис.21 а-б показаны фотографии с электронного микроскопа заполнения канавок с поперечными размерами 0.8 -1.2 мкм и глубиной 4.7 мкм алюминием и медью в течение 5-8 минут. Толщина алюминиевой пленки (Рис.21а) на дне, вершине и боковых поверхностях указывает на то, что направленный вдоль нормали к поверхности поток металла вносит основной вклад в образование пленки. Отношение толщины пленки на боковой поверхности к

1(эл)=212 А, 1Дчиш)=410 В, 1(миш)=1.9 А, 15 см за мишенью.

1(эл)=215 А, и(миш)-398 В, 1(миш)=1 9 А, 15 см за мишенью

толщине на верхней плоскости порядка 0.28, что также указывает на анизотропный характер заполнения металлом канавки. Наличие скоса на верней грани указывает на эффекты отражения и распыления. Скорость образования пленки в этом эксперименте равна 55 нм/мин.

На Рис.216 дана фотография заполнения канавок медью. В этом случае скорость осаждения увеличивается, но толщина пленки на дне канавки существенно меньше, чем наверху, что указывает на меньшую степень ионизации распыленных атомов меди по сравнению с алюминием. Эти результаты можно объяснить следующими причинами. В первых, коэффициент распыления меди больше, чем алюминия. Во вторых, масса атома меди (64 а.ед.) больше, чем у атома аргона (40), поэтому при столкновении он передает меньше энергии, т.е.

хуже термолизуется. Кроме того, потенциал ионизации атома меди (7.72 эВ) больше по сравнению с алюминием (5.98 эВ). Эти факторы уменьшают степень ионизации потока меди по сравнению с алюминием.

Распыление скоса приводит к локальному нежелательному увеличению толщины пленки на боковой поверхности, затенению дна тренча, образованию навеса и полости внутри. На скосах также увеличивается вероятность отражения падающих ионов металла и их последующее отложение в других точках внутренней поверхности канавки или отверстия.

На Рис. 22 приведен снимок поперечного разреза канавки полностью заполненной алюминием. Профиль канавки имеет форму трапеции глубиной 12 мкм, шириной на входе 0.8 мкм и 0.5 мкм на дне. И в этом случае навес в верхней части канавки, вызываемый изотропным потоком атомов металла, отсутствует.

Полученные в эксперименте результаты указывают на анизотропный характер заполнения металлом канавки, который определяется потоком ионов металла.

Используя экспериментально полученные значения толщины пленки на верхней поверхности и дне канавки, можно рассчитать степень ионизации потока:

Ги>/(Гм+ + Гм)-

Толщина пленки на верхней плоскости вблизи канавки зависит от потоков ионов и атомов металла

"-(Г¡».+Гд,>/А (9)

где время напыления, плотность

металла. Толщина пленки на дне канавки зависит от потоков атомов и ионов металла: Ь = {Р*Л.+РиГи)11ра (10)

Рис.22. .Заполнение тренча алюминием . Ксенон, р = 1 мТор,

и«нШ=540 В, 1ииш=650мА,

расстояние мишень-подложка 13 см, время осаждения 20 мин

где вероятности иона и

атома достичь дна. Величины а и Ь известны из эксперимента. Чтобы вычислить степень ионизации потока, нужно определить величины и Ри-

Схема геометрии канавки (тренча) приведена на Рис.23. Ось г направлена вдоль нормали к верхней поверхности тренча (вдоль боковой поверхности), ось х поперек и ось у вдоль канавки соответственно. Глубина канавки Ь, ширина 2Я. Сначала оценим вероятность иона металла достичь дна. Вблизи поверхности подложки вследствие большей подвижности электронов в плазме образуется слой, в котором нарушается равенство положительных и отрицательных зарядов и происходит ускорение положительных ионов. Толщина этого слоя в условиях нашего разряда порядка нескольких дебаевских слоев и составляет порядка мм. В свою очередь длина свободного пробега ионов несколько см, т.е. можно считать, что в слое никаких столкновений ионов не происходит. Вычисление осложняется тем фактом, что распределение ионов по скоростям вблизи подложки неизотропно. Детальное распределение ионов по скоростям неизвестно, так что можно предположить, что в центре плазмы его можно аппроксимировать максвелловским. Около подложки ионы ускоряются разностью потенциалов в пределов, а

затем в слое плавающим потенциалом для алюминия. Тогда распре-

деление ионов по скоростям можно аппроксимировать смещенным максвел-ловским распределением, имеющим направленную к подложке энергию и скорость Для ионов алюминия

Функцию для смещенного максвелловского распределения можно выразить следующей формулой (принимаем, что поперечная и продольная температуры

Рис.23. Схема тренча, используемого для металлических соединений транзисторов в интегральных схемах.

ионов равны Т,л = Т,ц - 7) ). Для упрощения считаем, что ионы из плазмы входят в слой с изотропным максвелловским распределением по скоростям:

где скорости ионов на входе в слой,

В слое с разностью потенциалов ионы ускоряются и распределение ионов по скоростям можно аппроксимировать смещенным максвеллов-ским распределением, имеющим направленную к подложке энергию и скорость

■ скорости ИОНОВ 1

поверхности подложки. Между v¡o И V¡ имеется связь, следующая из закона сохранения энергии:

— eV.

03)

2 2

Тогда поток ионов на поверхность подложки (верхнюю поверхность тренча) с

.»-V^/M, »»

Г°=f Í =

2к TY^Í2

(14)

где в = - arctg(vx/vt.) - угол падения ионов на поверхность,

V/r

■Ir»

_ exp(R)

=~7Г

( J~

■Jñ sec0exp(-.Rsec2 в) + —ет/ф/Л secfl)

где отношение энергии ионов полу-

ченной в слое, к тепловой энергии ионов. Поток в (14) можно представить, как

где с константой В для нормализации интеграла

Угловое распределение ионов, приходящих на подложку

зависит от величины Н = еУ,/квТ,. На Рис.24 приведены угловые распределения ионов для различных Я.

Поток ионов в точку, находящуюся на середине дна тренча определяется формулой.

Здесь вм - угол между вертикалью, проведенной из т.А, находящейся посередине дна канавки, и линией до верхнего угла канавки т.В (Рис.23), и вероятность достигнуть дна тренча:

]Ъ}(в)совШ (19)

' -о»

В условиях нашего разряда Это соответствует угловому распределению ионов Дб « ±6° — ±10°. Для тренча с аспектным отношением эта вероятность составляет

Подобные вычисления можно провести также для атомов металла. Вероятность нейтральной частицы достичь дна тренча не превышает 10 %.

Используя данные расчеты для различных металлов, определены степени ионизации потока для алюминия 75%, титана 67%, меди 46%, которые в преде-

РОС. НАЦИОНАЛЬНА Л БИБЛИОТЕКА

< ОЭ 30« «вг 1

Рис.24. Угловые распределения ионов для различных Я.

лах погрешностей согласуются с результатами, полученными из зондовых и оптических измерений. На рис.25 показана в логарифмическом масштабе зависимость от времени интенсивности лазерного луча, проходящего через кварцевую пластинку, при осаждении на нее меди. Перед пластинкой установлена стальная сетка с размерами ячеек 100 мкм. Если на сетку не подавать напряжение, то на подложку будут приходить как атомы, так и ионы металла. Подавая на сетку положительный потенциал в порядка 20-30 В, можно отсечь поток ионов металла.

Тангенс угла наклона пропорционален потоку частиц металла. Полученное значение степени ионизации потока меди - 43%. Предложенный метод позволяет просто и с высокой точностью определить одну из важнейших характеристик металлической плазмы - соотношение между потоками ионов и атомов металла.

Важно отметить, что металлизация структур на данной установ-

Рис.25. Интенсивность Не-№ лазера при осаждении медной пленки. В момент времени 1=140 с на сетку подается задерживающее ионы напряжение 11с - +28 В. 13 см за мишенью тангенсы углов наклона кривых.

ке проводилась при давлении менее 1 мТор. Подобные результаты для установок совмещенного магнетронного и индуктивного разрядов достигаются при давлениях 30-50 мТор. Согласно расчетам [13], на дно тренча шириной и глу-

биной 0.5 мкм на подложке, расположенной на расстоянии 15 см от мишени, попадает один ион из 500 атомов металла, распыленных с мишени. В нашей установке высокие значения степени ионизации потока можно объяснить несколькими причинами:

1. Наличие магнитного поля, которое удерживает ионы металла по радиусу. Как указывалось ранее в главе 2 магнитное поле сильно уменьшает радиальное движение электронов, так что они движутся вдоль линий поля. Однако в силу условия квазинейтральности плазмы, раздельная диффузия электронов и ионов невозможна. Возникающее в результате небольшого разделения зарядов электрическое поле приводит к выравниванию потоков заряженных частиц. В результате, движение ионов оказывается "привязанным" к движению электронов и также определяется магнитным полем. Таким образом, потоки ионов металла на подложку существенно возрастают.

2. Увеличение расстояния мишень подложка и продольных размеров плазмы. В экспериментах по осаждению пленок подложка находилась на расстоянии 15 см от заднего среза цилиндрической мишени. При длине мишени 8 см середина мишени находится на расстоянии 19 см от подложки. Кроме того, как показали оптические и зондовые измерения ионы и атомы металла имеются также и вверх по потоку, т.е. ионизация атомов металла происходит не только в области позади, но и перед мишенью в источнике плазмы, где концентрация и температура электронов плазмообразующего газа значительно выше, чем в реакторе. Образованные в этой области ионы металла ускоряются затем вниз по потоку на подложку. Отсутствие значительного запыления входного окна, через которое вводится СВЧ волна, также свидетельствует в пользу этого.

При давлении менее 1 мТор число столкновений уменьшается в десятки раз, большее число распыленных атомов попадает на подложку, а не на стенки камеры, что приводит к увеличению скорости осаждения пленки. Степень ионизации металла зависит от произведения давления на расстояние мишень подложка. Располагая подложку на большем расстоянии при уменьшении давле-

ния, можно получить анизотропное заполнение канавки металлом, но при этом скорость образования пленки снижается. Поэтому приходится выбирать оптимальное соотношение между давлением и расстоянием мишень - подложка, чтобы обеспечить приемлемую скорость осаждения пленки и качество металлизации. В данной установке, имеющей мощность до 1000 Вт, оптимальными условиями являются: давление 0.7 -1.2 мТор, расстояние мишень-подложка 12-15 см, скорость осаждения 40-120 нм/мин.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведены исследования физических процессов для разработки плазменной технологии металлизации глубоких субмикронных структур СБИС на установке СВЧ - ЭЦР разряда. Полученные результаты могут быть применимы как к установкам СВЧ-ЭЦР разряда других конструкций, так и другим типам установок с плазмой высокой плотности на основе индуктивного и геликонного разрядов.

2. Разработана защищенная патентом РФ экспериментальная технологическая установка СВЧ-ЭЦР разряда, предназначенная для отработки различных технологических процессов, таких как ионная очистка и подготовка поверхности подложки, получение тонких пленок методами ионного распыления мишени и осаждения из газовой фазы и травление полупроводниковых материалов

3. Разработана и создана автоматизированная система диагностики, осуществляющая зондовые, спектральные и технологические измерения, которая позволяет производить мониторинг теплофизических параметров плазмы и подложки на экспериментальной установке СВЧ - ЭЦР- разряда.

4. Проведены исследования основных теплофизических параметров плазмы СВЧ- ЭЦР- разряда и процесса ионизации распыленных атомов алюминиевой, медной и титановой мишеней в области мишень-подложка. Определены оптимальные режимы для получения высокой однородности или высокой концен-

трации плазмы. По результатам зондовых и спектральных измерений были определены степени ионизации потоков алюминия 70%, титана 70%, меди 45%. Данные величины были подтверждены по измерениям толщины пленок, осажденных на различных поверхностях субмикронных канавок.

5. В результате экспериментальных исследований тепловых потоков из плазмы на подложку определено, что основной вклад в нагрев подложки вносит поток ионов инертного газа. Без активного охлаждения поток ионов 0.85 Вт/см2 приводит к нагреву подложки до 300° С.

6. Проведен расчет толщины пленок, получаемых методом распыления цилиндрической мишени при условиях пренебрежения столкновений с атомами инертного газа. Сравнение данных расчетов с экспериментальными показывает, что предложенная модель при давлениях менее 1 мТор качественно правильно описывает процесс переноса распыленных атомов металла от мишени к подложке.

7. Проведены экспериментальные исследования по металлизации канавок с поперечными размерами 0.7 -2 мкм и глубиной в 1-4.5 раза больше с использованием ионизации атомов алюминия, меди и титана. Данные структуры используются при создании многоуровневых СБИС нового поколения. Профили слоев на различных поверхностях канавки указывают на анизотропный характер заполнения канавок и свидетельствуют о наличии значительного потока ионов металла, приходящего на подложку вдоль нормали. Эксперименты показали, что данная технология позволяет успешно проводить качественную металлизацию глубоких канавок субмикронных поперечных размеров при давлении менее 1 мТор и температурах подложки менее 200°С.

Основные публикации по теме диссертации

1. Полуэктов Н.П., Царьгородцев ЮЛ. Экспериментальная технологическая установка с СВЧ. - ЭЦР плазмой. Приборы и техника эксперимента, 1996, № 4, с.150-155.

2. Н.П.Полуэктов, Ю.П.Царьгородцев, И.Г.Усатов. Влияние геометрии магнитного поля на параметры СВЧ-ЭЦР плазмы. Физика плазмы 1999, т.25, №11, ее. 905-911.

3. Н.П.Полуэктов, Д.М.Биденко. Зондовая система диагностики плазмы на установке СВЧ-ЭЦР разряда. Лесной вестник 2000, №2, сс.78-82.

4. Н.П.Полуэктов, В.Н.Харченко, И.Г.Усатов. Ионизация распыленных атомов металла в СВЧ-ЭЦР источнике плазмы. Физика плазмы.2001, т.27, №7, с.с. 664672.

5. N.P.Poluektov, V.N.Kharchenko, I.A.Kamyschov. Thermalization of sputtered aluminium atoms in an ECR plasma source. Plasma Sources Sci.Technol. 2003, v.12, 449-453.

6. Н.П.Полуэктов, В.Н.Харченко, Царьгородцев Ю.П., Усатов И.Г., Камышов И.А. Исследование процессов ионизации алюминия в плазме СВЧ-ЭЦР разряда. Изв.вузов. ЭЛЕКТРОНИКА, 2003, № 3, ее. 6-15.

7. N.P.Efremov, N.P.Poluektov, V.N.Kharchenko. Tomography of ion and atom velocities in plasmas. J.Quant.Spectr.Radiat.Transfer.l995, v.53,N.6,p.723-728.

8. Н.П.Полуэктов, В.Ф. Давыдов, И.А.Камыщов , T.A. Харченко. Патент на изобретение №2229182 Способ напыления рельефных подложек. Зарегистрирован 20.05.04 г.

9. В.Н.Харченко, Н.П.Полуэктов, Ю.П.Царьгородцев, И.Г.Усатов, И.А.Камышов. Исследование ионизации распыленных атомов алюминия в СВЧ-ЭЦР разряде для металлизации субмикронных структур СБИС. Лесной вестник 2002 г., №1,сс.6-15.

10. N.P.Efremov, N.P.Poluektov. New tomographic approach for deconvolution of ion velocity and temperature profiles in a plasma centrifuge. J.Phys. D: Appl.Phys. 1998, V.31, pp. 988-995.

11. Ефремов Н.П., Полуэктов Н., Харченко В.Н. Томография скорости и температуры атомов и ионов в плазме. Сибирский физико-технический журнал. 1992, т.2, сс.35-39.

12. N.P.Poluektov, V.N.Kharchenko, V.N.Zverev. Peculiarities of Heat and Mass Transfer and Magnetohydrodynamic Processes under Pulse Ionized Gas Rotation. Exper.Thermal and Fluid Science. 1990, V3, pp.567-573.

13. N.P.Efremov, N.P.Poluektov, V.N.Kharchenko.'Tomography ofion and atom velocities in plasmas". J.Quant.Spectr.Radiat.Transfer.l995, v.53,N.6,p.723-728.

14. N.P.Poluektov, V.N.Kharchenko, Yu.P.Zargorodzev. ECR plasma source with high magnetic field uniformity. Proc. 11-th Intern. Conf on Gas Discharges and their Applications. 11-15 Sept.1995, Tokyo, Japan, V.3, pp 134-138.

15. N.P.Efremov, N.P.Poluektov. Tomography of ion and atom temperatures in plasmas. J.Quant.Spectr.Radiat.Transfer.l998, v.60, N.4, pp.523-529.

16. V.N.Kharchenko, N.P.Poluektov, Yu.P.Tsar'gorodsev, I.G.Usatov. Highly ionized aluminum flux produced by electron cyclotron resonance plasma sputtering. Proc. 5th - World Conf. Exper. Fluid Mech. Heat Transfer and Thermodynamics. 2001, V.4, pp. 835-838.

17. Полуэктов Н.П, Выморков Н.В., Харченко В.Н. СВЧ разряд в микроэлектронной технологии. Научн.тр.МГУЛ, Автоматизация и компьютеризация информационной техники и технологии. Вып.250,1992 г., с.140-147.

18. Выморков Н.В., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. Пучки ионов в процессах сухого травления. Науч.тр.МГУЛ. 1993, вып.254, ее. 125-130.

19. Н.П.Полуэктов, А.В.Авдеев, В.Н.Харченко. Получение пленок металла в СВЧ-ЭЦР источнике плазмы. Тр.конф. Микро-и нано-электроника 98. 1999, т.1, Р1-42.

20. N.P.Poluektov, N.P.Efremov, V.N.Kharchenko, Yu.P.Zargorodzev. Experimental study of plasma flow and mass separation in a pulsed plasma centrifuge. Proc. 10th Intern. Heat Transfer Conf 14-18 Aug. 1994, Brighton, UK, V.7, pp.367-371.

21. Полуэктов Н.П., Авдеев А.В, Царьгородцев Ю.П. Автоматизированная система спектральной диагностики. Нач.Тр.МГУЛ. Автоматизация и компьютеризация информационной техники и технологии. Вып.258,1993 г., сс.63-68.

22. Полуэктов Н.П., Царьгородцев Ю.П. Экспериментальное исследование СВЧ-ЭЦР-разряда. В сб. науч. тр. МЛТИ: Автоматизация и компьютеризация информационной техники и технологии. Вып.269. М.: МЛТИ, 1995, с.145-153.

23. Д.М.Биденко, Н.П.Полуэктов. Оптическая диагностика на экспериментальной технологической установке СВЧ-ЭЦР разряда. Науч.тр.МГУЛ. Экология, мониторинг и рациональное природопользование. 2000, вып.307(И), ее. 262-269.

24. V.N.Kharchenko, N.P.Poluektov, Yu.P.Tsar'gorodsev, I.G.Usatov. Gas sensor films produced by electron cyclotron resonance plasma sputtering. Proc. Intern.Conf. Mathem. Phys. Methods in Ecology & Envirom.Monitoring 2001, 23-25 October, Moscow, pp. 154-160.

25. В.Н.Харченко, Н.П.Полрктов, Ю.П.Царьгородцев, И.Г.Усатов, И.А.Камышов. Исследование процессов в плазме СВЧ-ЭЦР разряда, используемого для металлизации структур СБИС. Труды 4-ой Международной НТК "Электроника и инфор-матика-2002", с. 134, МИЭТ, 19-21 ноября, Зеленоград.

26. Выморков Н.В., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н. СВЧ разряд в микроэлектронной технологии. Научн.тр.МГУЛ, Автоматизация и компьютеризация информационной техники и технологии. Вып.250,1992 г., с. 140-147.

Литература

1. Rossnagel S.M. Directional and ionized physical vapor deposition for microelectronics application // J.Vac.Sci.Technol. - 1998, V.16B, №5, pp. 2585-2608.

2. Klawuhn E., D'Couto G.C., Ashtiani KA., Rymer P., Biberger MA., Levy K.B. Ionized physical-vapor deposition using a hollow-cathode magnetron source for advanced metallization//J.Vac.Sci.Technol. -2000. -A18(4). -P.1546-1549.

3. Thornton J.A. The microstracture of sputter-deposited coatings. // J.Vac.Sci.Technol. - 1986, V.4A, №6, pp. 3059 - 3065.

4. Asmussen J. ECR microwave discharges for etching and thin-film deposition.// J. Vac. Sci. Technol. 1989, V.A7, No.3, pp.883-893.

5. Шафранов В.Д. Электромагнитные волны в плазме. В сб."Вопросы теории плазмы"// Вып.З, М.: Госатомиздат, 1963.

6. Гинзбург В.Л. Рапространение электромагнитных волн в плазме//. М.: Наука, 1967.

7. O.A.Popov. J. Vac. Sci. Technol. 1991, V.A9, №3, p.711-716.

8. Lieberman MA, Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing:// - N.Y, Wiley, 1994, - 577p.

9. Ефремов Н.П., Полуэктов Н., Харченко В.Н. Томография скорости и температуры атомов и ионов в плазме. Сибирский физико-технический журнал. 1992, т.2, сс.35-39.

10. Thompson M.W. //Philos.Mag. 1968, V.I5, p.p. 1-9.

11. Л.Н.Розанов.// Вакуумная техника. М.: Высшая школа, 1982.

12. Данилин Б.С.// Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок.// М.Энергоиздат, 1989.

13. Allain М.С., Hayden D.B., Juliano D.R., Ruzic D.N. Characterization ofmagne-tron-sputtered partially ionized deposition as a function of metal and gas species. J.Vac.Sci.Technol.-2000, V.18A, pp.797-801.

Отпечатано с готового оригинала

Лицензия ПД № 00326 от 14.02.2000 г.

Издательство Московского государственного университета леса. 141005. Мытищи-5, Московская обл., 1-я Институтская, 1, МГУЛ. Телефоны: (095) 588-57-62, 588-5348,588-54-15. Факс: 588-51-09. E-mail, izdat@ragul.ac.ru

$22 043

РЫБ Русский фонд

2005-4 20929

Обозначения

Введение

Глава 1. Анализ современного состояния плазмохимических установок для осаждения и травления тонких пленок

1.1. Магнетронные распылительные системы

1.2. Установки с высокочастотным емкостным разрядом

1.3. Установки с индуктивным разрядом

1.4. Геликоны

1.5. Установки на основе СВЧ-ЭЦР разряда

Глава 2. Краткая теория ЭЦР - разряда и его применение

2.1. Баланс мощностей в СВЧ- разрядах

2.2. Распространение СВЧ- волн в магнитоактивной плазме

2.3. Конфигурации магнитного поля в установках с СВЧ -ЭЦР - плазмой

2.4. Получение тонких пленок в СВЧ-ЭЦР установках

Глава 3. Установка СВЧ - ЭЦР разряда

3.1. Назначение, общая характеристика и особенности установки

3.2. Разрядная камера, система вакуумирования и подачи газа

3.3. СВЧ- система

3.4. Магнитная система

3.4.1. Соленоидальные электромагниты

3.4.2. Постоянные магниты

Глава 4. Автоматизированная система диагностики

4.1. Зондовые измерения

4.2. Оптические измерения

Глава 5. Влияние геометрии магнитного поля на параметры СВЧ-ЭЦР плазмы

5.1.1. Разряд в соленоидальном поле.

5.1.2. Разряд в гибридном магнитном поле

5.1.3. Разряд в касповом магнитном поле.

Глава 6. Исследование процесса ионизации распыленных атомов металла

Глава 7. Измерение тепловых потоков на подложку

Глава 8. Расчет толщины пленок, получаемых методом распыления цилиндрической мишени. Сравнение с экспериментом.

Глава 9. Эксперименты по металлизации микроструктур с использованием ионизации атомов металла

Одним из принципиальных направлений развития электронной компонентной базы является создание сверхбольших интегральных схем (СБИС) с многослойной топологией кристалла (концепция «вертикальной интеграции»). За рубежом уже освоены промышленностью многослойные (3-5 слоев) интегральные микросхемы с минимальными поперечными размерами элементов 0.13 мкм и менее. Производство таких микросхем основано на использовании так называемой "дамасской" технологии (Рис.1). В этой технологии в межслойном диэлектрике сначала методом травления создаются канавки (тренчи) и сквозные отверстия контактных

SIN им мз

М2 иежурсвневый диэлвитрмк

М' .

МЗ

1 -2

М2 p-SI

КРЕМНИЕВАЯ ПОДЛОЖКА

Рис.!. Поперечное сечение интегральной микросхемы с 4-мя уровнями металлизации в области расположения МДП-трашистора. 1- шины многоуровневой металлизации, 2 - барьерный слой, 3 - адгезионный слой, 4 - межуровнев[,1Й диэлектрик. окон. Обеспечение соединения транзисторов осуществляется осаждением металла в таких канавках и контактных окнах с аспектным отношением (высота/ширина отверстия) 4 -1. При создании металлических соединений внутри окна сначала наносится контактирующий, адгезионный слой (как правило, пленки титана или тантала толщиной 10-30 нм), который обеспечивает электрический контакт и адгезию между металлическими шинами разных уровней, а также адгезию многослойной структуры к материалу межуровневого диэлектрика. Поверх него осаждается барьерный слой (пленки нитрида титана или тантала толщиной <50 нм) для предотвращения диффузии металла с межуровневым диэлектриком. Далее производится заполнение окна металлом (для верхних слоев используются алюминий и медь).

При уменьшении технологических размеров тренчей и контактных/переходных окон менее 0. 5 мкм с аспектным отношением более 2 использование для металлизации хорошо отработанного электронной промышленностью магнетронного разряда встречает принципиальные трудности. В настоящее время основным процессом создания металлизации СБИС является ионный (физический) метод распыления, когда в результате бомбардировки катода-мишени положительными ионами инертного газа происходит выбивание атомов металла. Поток распыленного металла состоит почти на 100% из атомов, их угловое распределение близко к косинусному (по отношению к нормали). Изотропное распределение частиц приводит к тому, что на верхней части субмикронной структуры образуется навес, а внутри -полость. Чтобы провести анизотропную металлизацию узкого отверстия, необходим поток частиц, приходящий на поверхность подложки вдоль нормали.

Одним из возможных способов фильтрации распыленных под большими углами атомов является применение коллиматоров - пластин с отверстиями определенной высоты и диаметра, устанавливаемых между мишенью и подложкой. Недостатком коллиматоров является резкое уменьшение скорости напыления и изменения её в процессе эксплуатации вследствие осаждения металла и уменьшения диаметра отверстий. Кроме того, качество металлизации в таком методе, ухудшается для структур с поперечными размерами менее 0.25 мкм и аспектным отношением >3.

Более привлекательным методом решения данной проблемы является ионизации распыляемого металла, так как на ионы можно воздействовать электрическим полем слоя перед подложкой. С этой целью изучаются различные виды разрядов с плазмой высокой плотности (более 10псм"3) -совмещение магнетронного разряда с индуктивным для дополнительной ионизации металла, сверхвысокочастотный разряд в условиях электронно-циклотронного резонанса (СВЧ-ЭЦР) и другие. Так как плазма в этих разрядах создается в большом объеме, на пути от мишени к подложке (1020 см) атомы металла могут ионизоваться. Для повышения степени ионизации распыленных атомов металла разряд в установках с совмещенным магнетронным и индуктивным разрядами производится при давлении 30-50 мТор. При таких давлениях возрастает время нахождения атомов металла в области разряда, и как следствие, вероятность ионизации. Однако довольно большое давление увеличивает количество рассеиваемых атомов и существенно снижает скорость осаждения пленки. По расчетам на подложку, находящуюся на расстоянии 15 см от мишени, приходит только не более 1% распыленных с мишени атомов. Поэтому проводятся исследования по достижению высокой степени ионизации атомов металла при давлениях порядка 1 мТор.

Свойства получаемых металлических пленок зависят от температуры подложки и потока частиц. Такими частицами в установках с распылением могут быть ионы и атомы металла и плазмообразующего газа (Аг, Кг, Хе, N2 и т.д.). Положительные ионы с энергией 20-30 эВ приходят на изолированную подложку вследствие ускорения в пограничном слое с разностью потенциалов, образующимся около нее. Эту энергию можно увеличить, прикладывая электрическое напряжение к подложке. Поток атомов с энергией сотни эВ возникает, когда ион плазмообразующего газа при ударении в мишень превращается в атом и отражается от нее.

Плазма при низких давлениях характеризуется сильной неравновесностью: температура электронов 2-10 эВ(1эВ = 11600 К), в то время как температура атомов и ионов на два порядка меньше. Образование пленок при воздействии больших потоков ионов и атомов не может быть описано равновесной термодинамикой и, как следствие, часто наблюдается образование метастабильных фаз. Способность синтезировать материалы при существенно более низких температурах по сравнению с равновесными - важное свойство разрядов при низких давлениях в установках плотной плазмы.

Морфология пленок, получаемых методом распыления мишени, была описана Торнтоном [1] и показана на Рис. 2.

Рис.2. Структура пленок, получаемых методом распыления мишени, При низких температурах поверхности (Т<0.3 TraaM) и малых потоках частиц (зона 1) пленка состоит из зерен в виде конусов и значительными зазорами между ними. Объем пустот может достигать 30%. При температуре подложки 0.3TraaBn <Т< 0.5TraaBn (зона Т) и значительных потоках ионов пленка имеет волокнистую структуру, в которой кристаллы растут перпендикулярно поверхности подложки с плотной упаковкой (пустоты 5%). Поток энергетичных частиц перераспыляет атомы' металла со слабой адгезией, стимулирует поверхностную миграцию атомов металла и, в конечном счете, приводит к образованию пленок с высокими физическими и электрическими параметрами. Кроме того, только под действием потока энергетических частиц можно получать пленки с различной кристаллической структурой. Такая морфология пленок желательна для многих приложений. Для 0.5TraaM <Т< 0.8Тплавл (зона 2) повышенная поверхностная диффузия приводит к образованию столбчатых зерен. При дальнейшем повышении температуры поверхности образуются хаотически расположенные кристалла и пленка принимает поликристаллические свойства.

Таким образом, для получения металлических пленок в глубоких канавках субмикронных размеров с высокими физическими и электрическими свойствами необходимо изучить массо- и теплоперенос атомов и ионов металла и плазмообразующего газа на подложку.

Анизотропная металлизация глубоких субмикронных канавок и отверстий зависит от отношения потока ионов металла (вдоль нормали) к полному потоку металла (атомы + ионы). Потоки ионов плазмообразующего газа с энергией более 20 эВ кроме упомянутых выше воздействий могут вызвать перераспыление уже осажденных атомов металла. Для выяснения процесса ионизации атомов металла необходимо измерить следующие величины: концентрацию и функции распределения электронов, атомов и ионов металла по энергиям на разных расстояниях от мишени. Эти измерения достаточно сложны, требуют использования автоматизированных систем диагностики и трудоемки, на что указывает малое число отечественных и зарубежных публикаций.

Целью данной работы является:

Исследование процессов переноса массы и энергии атомов и ионов в плазме СВЧ-ЭЦР разряда, используемого для металлизации глубоких субмикронных структур СБИС.

Как известно, электронная промышленность России только осваивает субмикронную технологию производства СБИС. Так как промышленных установок с плазмой высокой плотности в России нет, предлагаемые в настоящем проекте исследования с использованием плазмы СВЧ-ЭЦР разряда несомненно имеют важное значение.

Актуальность задачи металлизации субмикронных структур СБИС подтверждается включением ее в отдельный раздел "Исследование проблем многоуровневых соединений глубокосубмикронных СБИС" Перечня научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы".

В настоящей работе представлено описание экспериментального источника плазмы, создаваемой в магнитном поле в результате поглощения сверхвысокочастотной (СВЧ) волны в условиях с электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), и приведены результаты исследований плазмы, создаваемой источником при следующих условиях: уровень подводимой СВЧ-мощности W = (100-1000) Вт; плазмообразующие газы -аргон, криптон, ксенон; рабочее давление р = (0.2-10) мТор; индукция магнитного поля В < 1400 Гс. В задачи работы входило:

1. Проектирование и изготовление экспериментальной технологической установки СВЧ-ЭЦР разряда, включающей разрядную и технологическую камеры, систему вакуумирования и подачи газа, СВЧ- систему, магнитную систему.

2. Проектирование и изготовление автоматизированного комплекса диагностики, предназначенного для систематических экспериментов на опытной установке с СВЧ-ЭЦР-источником плазмы в направлении плазменных технологий напыления и травления тонких пленок.

3. На основе зондовых и спектральных методов диагностики проведение измерений пространственных распределений основных теплофизических параметров плазмы, создаваемых СВЧ-ЭЦР-источником при различных уровнях СВЧ-мощности, давлениях и конфигурациях магнитного поля.

4. Исследование процесса ионизации распыленных атомов металла.

5. Проведение экспериментов по измерению тепловых потоков на обрабатываемую подложку при различных рабочих давлениях.

6. Расчет толщины пленок, получаемых методом распыления цилиндрической мишени и его сравнение с экспериментом.

7. Проведение экспериментов по металлизации микроструктур с использованием ионизации атомов металла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведены исследования физических процессов для разработки плазменной технологии металлизации глубоких субмикронных структур СБИС на установке СВЧ - ЭЦР разряда. Полученные результаты могут быть применимы как к установкам СВЧ-ЭЦР разряда других конструкций, так и другим типам установок с плазмой высокой плотности на основе индуктивного и геликонного разрядов.

2. Разработана защищенная патентом РФ экспериментальная технологическая установка СВЧ-ЭЦР разряда, предназначенная для отработки различных технологических процессов, таких как ионная очистка и подготовка поверхности подложки, получение тонких пленок методами ионного распыления мишени и осаждения из газовой фазы и травление полупроводниковых материалов

3. Разработана и создана автоматизированная система диагностики, осуществляющая зондовые, спектральные и технологические измерения, которая позволяет производить мониторинг теплофизических параметров плазмы и подложки на экспериментальной установке СВЧ - ЭЦР- разряда.

4. Проведены исследования основных теплофизических параметров плазмы СВЧ- ЭЦР- разряда и процесса ионизации распыленных атомов алюминиевой, медной и титановой мишеней в области мишень-подложка. Определены оптимальные режимы для получения высокой однородности или высокой концентрации плазмы. По результатам зондовых и спектральных измерений были определены степени ионизации потоков алюминия 70%, титана 70%, меди 45%. Данные величины были подтверждены по измерениям толщины пленок, осажденных на различных поверхностях субмикронных канавок.

5. В результате экспериментальных исследований тепловых потоков из плазмы на подложку определено, что основной вклад в нагрев подложки вносит поток ионов инертного газа. Без активного охлаждения поток ионов 0.85 Вт/см2 приводит к нагреву подложки до 300° С.

6. Проведен расчет толщины пленок, получаемых методом распыления цилиндрической мишени при условиях пренебрежения столкновений с атомами инертного газа. Сравнение данных расчетов с экспериментальными показывает, что предложенная модель при давлениях менее 1 мТор качественно правильно описывает процесс переноса распыленных атомов металла от мишени к подложке.

7. Проведены экспериментальные исследования по металлизации канавок с поперечными размерами 0.7-2 мкм и глубиной в 1-4.5 раза больше с использованием ионизации атомов алюминия, меди и титана. Данные структуры используются при создании многоуровневых СБИС нового поколения. Профили слоев на различных поверхностях канавки указывают на анизотропный характер заполнения канавок и свидетельствуют о наличии значительного потока ионов металла, приходящего на подложку вдоль нормали. Эксперименты показали, что данная технология позволяет успешно проводить качественную металлизацию глубоких канавок субмикронных поперечных размеров при давлении менее 1 мТор и температурах подложки менее 200°С.

1. Thornton J.A. The microstructure of sputter-deposited coatings. // J.Vac.Sci.Technol. - 1986, V.4A, №6, pp. 3059 - 3065.

2. Данилин Б.С. Применив низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М.Энергоиздат, 1989.

3. Лабутов В. А. Данилович Н.И. Современные магнетронные распылительные устройства. Зарубежная электронная техника. 1982. Вып. 10., сс.3-62.

4. Rossnagel S.M. Directional and preferential sputtering-based physical vapor deposition. Thin Solid Films 1995 V.263, pp.1-12.

5. Klawuhn E., D'Couto G.C., Ashtiani K.A., Rymer P., Biberger M.A., Levy K.B. Ionized physical-vapor deposition using a hollow-cathode magnetron source for advanced metallization. J.Vac.Sci.Technol. 2000. - A18(4). - pp. 15461549.

6. Плазменная технология в производстве СБИС. Пер. с англ. Ред. Айспрук Н, Браун Д., М. Мир 1987.

7. Keller J.H. Inductive plasmas for plasma processing. Plasma Sources Sci. Technol. 1996 V.5, pp.166-172.

8. Hershkowitz N. Role of Plasma-Aided Manufacturing in Semiconductor Fabrication. IEEE Trans. Plasma Sci. 1998, V.26, N6, pp. 1610-162.

9. Quick A.K. Electron beam neutralization of large aspect ratio features during plasma etching. Ph.D. dissertation, Univ. Wisconsin, Madison, 1998.

10. Collison W.Z., Ni T.Q., Barnes M. S. Studies of the low-pressure indutively-coupled plasma for a larger area wafer 1998, V.16 N.l pp.100 -107.

11. Hopwood J. Qian F. Mechanism for highly ionized magnetron sputtering. J.Appl. Phys. 1995. V.78. №2. pp.758-765.

12. Nickols C.A., Rossnagel S.M., Hamaguchi S. Ionized physical vapor deposition of Cu for high aspect ratio damascene trench fill applications. J.Vac.Sci.Technol.1996. V.14B. № 5. pp.3270-3275.

13. Rossnagel S.M. Directional and ionized physical vapor deposition for microelectronics application J.Vac.Sci.Technol. 1998. V. В 16(5). Sep/Oct. pp. 2585-2608.

14. Charles C., Boswell R.W. Effect of wall charging on an oxygen plasma created in a helicon diffusion reactor used for silica deposition J.Vac.Sci.Technol. 1995, V.13A, №4, pp.2067-2073.

15. Bell.F.H., Joubert O., Vallier L. Polisilicon gate etching in high density plasmas. Process optimization using chlorine-based chemistry. J.Vac.Sci.Technol. 1996, V.14B, №1, pp.96-101.

16. Chabert P., Boswell R.W., Davis C. Investigation of a SF6 helicon plasma. J.Vac.Sci.Technol. 1998, V.16A, №1, pp.78-86.

17. Shinohara S. Propagation wave characteristics for plasma production in plasma processing field. Jpn.J.Appl.Phys. 1997, V.36, Pt.l, № 7B, pp.46954703.

18. Ландау JI.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.:Физматгиз, 1959.

19. Шафранов В.Д. Электромагнитные волны в плазме. В сб."Вопросы теории плазмы" Вып.З, М.: Госатомиздат, 1963.

20. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967.

21. Dusek V., Musil J. Microwave plasmas in surface treatment technologies. Czech. J. Phys. 1990, V.40, pp.1185-1204.

22. Asmussen J. The design and application of ECR discharges IEEE. Trans.Plasma Sci. 1997, V.25, №6, pp.1196-1220.

23. Salbert G.T., Reinliard D.K., Asmussen J. Oxide growth on silicon using a microwave electron cyclotron resonance oxygen plasma J. Vac. Sci. Technol. 1990, V.A8, No.3, pp.2919-2923.

24. Dahimene M., Asmussen J. The performance of a microwave ion source immersed in a multicusp static magnetic field J. Vac. Sci. Technol. 1986, V.B4, No.l, pp.126-130.

25. Asmussen J., Lin H.H., Manring B, Fritz R. Single-mode or controlled multimode microwave cavity applicators for precision materials processing. Rev. Sci. Instrum. 1987, V.58, No.8.

26. Asmussen J., Hopwood J., Sze F.O.// A 915 MHz/2.45 GHz ECR plasma source for large area ion beam and plasma processing. Rev. Sci. Instrum. 1990, V.61, No.l, pp.250-252.

27. Ghanbari E., Trigor I., Nguen T. A broad-beam electron cyclotron resonance ion source for sputtering, etching and ' deposition of material. J. Vac. Sci. Technol. 1989, V.A7, No.3, pp.916-922.

28. Torii Y. et al. A high-current density and long lifetime ECR source for oxygen implanters. Rev. Sci. Instrum. 1990, V.61, No.l, pp.253-255.

29. Samukawa S., Ohtake H. Pulse-time-modulated ECR plasma discharge for highly selective, highly anisotropic, and charge-free etching J.Vac.Sci. Technol. 1996, V.14A, №6, pp.3049-3058.

30. M.Matsuoka, K.Ono. Crystal structures and optical properties of ZnO films prepared by sputtering-type electron cyclotron resonance microwave plasma. J. Vac. Sci. Technol. 1989, V.A7, No.5, pp.2975-2982.

31. S.Shingubara et al. Vertical and lateral hole aluminum filling characteristics employing electron cyclotron resonance plasma sputtering with high magnetic field. Appl. Phys. Lett. 1993, V.63,-No.6,9, pp.737-739.

32. Holberg W.M. et.al. J.Vac.Sci.Technol.1993, V.13A, pp.2903-2908.

33. Gorbatkin S.M., Rossnagel S.M. Cu metallization using a permanent magnet ECR microwave plasma/sputtering hybrid system. J.Vac.Sci.Technol. 1996, V.14B, №3, pp. 1853-1859.

34. Полуэктов Н.П., Харченко B.H., Усатов И.Г. Ионизация распыленных атомов металла в СВЧ-ЭЦР источнике плазмы. Физика плазмы. 2001. -т.27. №7. - С.664-672.

35. Schneider J.M., Rohde S., Sproul W.D., Matthews A Recent developments in plasma assisted physical vapor deposition. J.Phys.D:Appl.Phys. 2000. -Vol.33, pp. R173-R186.

36. J.Asmussen. ECR microwave discharges for etching and thin-film deposition. J. Vac. Sci. Technol. 1989, V.A7, No.3, pp.883-893.

37. В.Е.Голанд, А.П.Жилинскии, С.А.Сахаров. Основы физики плазмы. М.:Атомиздат, 1977.

38. М.Хилд, С.Уортон. Микроволновая диагностика плазмы. М.:Атомиздат, 1968.

39. М.Б.Виноградова, О.В.Руденко, А.П.Сухоруков. Теория волн. М.:Наука, 1979.

40. O.A.Popov. J. Vac. Sci. Technol. 1991, V.A9, №3, p.711-716.

41. M.Tanaka et al. Overdence Plasma Production Using Electron Cyclotron Waves. Journal of the Physical Society of Japan. 1991, V.60, No.5, pp.16001607.

42. R.Hidaka et al. 8" Uniform Electron Cyclotron Resonance Plasma Source Using a Circular TE0i Mode Microwave. Jpn. J. Appl. Phys. 1993, V.32, Pt.l, No.lA, pp.174-178.

43. N.Hirotsu, Y.Yamaguchi, R.Hidaka, M.Tanaka, Y.Kawai. Production Mechanism of a Large-Diameter Uniform Electron Cyclotron Resonance Plasma

44. Generated by a Circular TE0i Mode Microwave. Jpn. J. Appl. Phys. 1994, V.33, Pt.l, No.5A, pp.2712-2717.

45. O.A.Popov. Electron cyclotron resonance plasmas excited by rectangular and circular microwave modes. J. Vac. Sci. Technol. 1990, V.A8, No.3, pp.29092912.

46. G.Neumann, K.-H.Kretschmen. Characterization of a new electron cyclotron resonance source working with permanent magnets. J. Vac. Sci. Technol. 1991, V.B8, No.3, pp.334-338.

47. M.Matsuoka, K.Ono. Magnetic field gradient effects on ion energy for electron cyclotron resonance microwave plasma stream. J. Vac. Sci. Technol. 1988, V.A6, No.l, pp.25-29.

48. S. Satukawa, S.Mori, M.Sasaki. Ion current density and its uniformity at the electron cyclotron resonance position in electron cyclotron resonance plasma. J. Vac. Sci. Technol. 1991, V.A9, No.l, pp.85-90.

49. E.Kubota et al. Effects of Magnetic Field Gradient on Crystallographic Properties in Tin-Doped Indium Oxide Films Deposited by Electron Cyclotron Resonance Plasma Sputtering. Jpn. J. Appl. Phys. 1994, V.33, Pt.l, No.9A, pp.4997-5004.

50. H.Nishimura, M.Kiuchi, S.Matsuo. Processing Uniformity Improvement by Magnetic Field Distribution Control in Electron Cyclotron Resonance Plasma Chamber. Jpn. J. Appl. Phys. 1993, V.32, Pt.l, No.IB, pp.322-326.

51. G.D.Alton, D.N.Smithe. Design studies for an advanced ECR ion source. Rev. Sci. Instrum. 1994, V.65, No.4, pp.775-787.

52. Itsumu M., Ohfuji S. Akiya I. ECR sputtering SrTi03 thing films Jpn.J.Appl.Phys. 1996, V.35, Pt.l, №9B,pp.4963-4966.

53. Abe Y., Fukuda Т. ТЮ2 films formed by ECR plasma. Jpn.J.Appl.Phys. 1994, V.33, Pt.2, №9A, pp.L1248-L1250.

54. K.Nomura, H.Ogawa. BinSiC^o Thin Films Grown by Electron Cyclotron Resonance Plasma Sputtering with a Bi and Si Multitarget System. Jpn. J. Appl. Phys. 1991, V.30, No.l2B, pp.3796-3801.

55. Gorbatkin S.M., Berry L.A., Roberto J.B. J.Vac. Sci.Technol. 1990, V.8A, №3, P.2893-2899.

56. T.Akahori, A.Tanihara, M.Tano. Preparation of TiN Films by Electron Cyclotron Resonance Plasma Chemical Vapor Deposition. Jpn. J. Appl. Phys. 1991, V.30, No.l2B, pp.3558-3561.

57. M.Okamoato, Y.Utsumi, Y.Osaka. Formation and Properties of Cubic Boron Nitride Films on Tungsten Carbide by Plasma Chemical Vapor Deposition. Jpn. J. Appl. Phys. 1992, V.31, Pt.l, No.10, pp.3455-3460.

58. C. Doughty, S.M.Gorbatkin, T.Y.Tsui, G.M.Pharr, D.L.Medlin. Hard boron-suboxide-based films deposited in a sputter-sourced, high-density plasma deposition system. J.Vac.Sci.Technol. 1997, V.15A, №5, pp.2623-2626.

59. A.Hiraki et al. Deposition of wide-area diamond films in magneto -microwave plasma. Nuclear Instruments and Methods of Physics Research. North-Holland, Amsterdam, 1989, В 37/38, pp.799-806.

60. D.L.Youchison, C.R.Eddy, Jr. and B.D.Sartwell. Characterization of electron cyclotron resonance plasmas optimized for the deposition of polycrystalline diamond films. J. Vac. Sci. Technol. 1993, V.A11, No.l, pp. 103-114.

61. Болдырев B.P., Полуэктов Н.П., Харченко B.H. Экспериментальное исследование динамики процессов в импульсной плазменной центрифуге. Физика плазмы, 1985, т.11, вып.4, сс.425-429.

62. Poluektov N.P., Kharchenko V.N., Zverev V.N. Pecularities of Heat-Mass Transfer and MHD processes in pulsed plasma centrifuge. J.Exper.THTFM. 1990, V.3, №6, pp.567-573.

63. A.C.La Fontaine, P.Louvet. Study of an ECR sputtering plasma source. Plasma Sources Sci. Technol. 1999, V.8, pp.128-135.

64. Полуэктов Н.П., Царьгородцев Ю.П. Экспериментальная технологическая установка с СВЧ ЭЦР плазмой. Приборы и техника эксперимента, 1996, № 4, сс. 150-155.

65. Авдеев А.В., Полуэктов Н.П., Царьгородцев Ю.П. Автоматизированная система спектральной диагностики. Нач.Тр.МГУЛ. Автоматизация и компьютеризация информационной техники и технологии. Вып.258, 1993 г., сс.63-68.

66. N.P.Efremov, N.P.Poluektov. New tomographic approach for deconvolution of ion velocity and temperature profiles in a plasma centrifuge. J.Phys. D: Appl.Phys. 1998, V.31, pp. 988-995.

67. N.P.Efremov, N.P.Poluektov. Tomography of ion and atom temperatures in plasmas. J.Quant.Spectr.Radiat.Transfer.1998, v.60, N.4, pp.523-529.

68. Н.П.Полуэктов, Д.М.Биденко. Зондовая система диагностики плазмы на установке СВЧ-ЭЦР разряда. Лесной вестник 2000, №2, сс.78-82.

69. Д.М.Биденко, Н.П.Полуэктов. Оптическая диагностика на экспериментальной технологической установке СВЧ-ЭЦР разряда. Науч.тр.МГУЛ. Экология, мониторинг и рациональное природопользование. 2000, вып.307(И), сс. 262-269.

70. О.В.Козлов. Электрический зонд в плазме. М.:Атомиздат, 1969.

71. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. М.:Наука, 1987.

72. К. де Бор. Практическое руководство по сплайнам. М.:Радио и связь, 1985.

73. Методы исследования плазмы. Под ред. В.Лохте-Хольтгревена. М.:Мир, 1971.

74. Радциг А.А, Смирнов Б.М. Параметры атомов и ионов. М., Энергия, 1968.

75. Dony M.F., Dauchot J.P., Wautelet М. Diagnostic by optical absorption of sputtered atom density in magnetron discharges. J.Vac.Sci.Technol. . 2000,1. V. 18A, pp.809-813.

76. V.N.Kharchenko, N.P. Poluektov, Yu.P.Zargorodzev. Electron Cyclotron Resonance Plasma Source with High Magnetic Field Uniformity. Proc. 11-th International Conference on Gas Discharges and their Applications. 11-15 September 1995, Tokyo.

77. Полуэктов Н.П., Царьгородцев Ю.П., Усатов И.Г. Влияние геометрии магнитного поля на параметры СВЧ-ЭЦР плазмы Физика плазмы. 1999. т.25. №10. - С.981-987.

78. Hopwood J. Ionized physical vapor deposition of integrated circuit interconnects. Physics of Plasmas.-1998, V.5, №5, P.1624-1631.

79. Lieberman M.A, Lichtenberg. A.J. Principles of plasma discharges and Materials Processing: N.Y., Wiley, 1994, - 577p.

80. В.Н.Харченко, Н.П.Полуэктов, Ю.П.Царьгородцев, И.Г.Усатов, И.А.Камышов. Исследование ионизации распыленных атомов алюминия в СВЧ-ЭЦР разряде для металлизации субмикронных структур СБИС. Лесной вестник 2002 г., №1,сс.6-15.

81. В.Н.Харченко, Н.П.Полуэктов, Царьгородцев Ю.П., Усатов И.Г., Камышов И.А. Исследование процессов ионизации алюминия в плазме СВЧ-ЭЦР разряда. Изв.вузов.ЭЛЕКТРОНИКА, 2003, № 3, сс. 6-15.

82. N.P.Poluektov, V.N.Kharchenko, I.A.Kamyschov. Thermalization of sputtered aluminium atoms in an ECR plasma source. Plasma Sources Sci.Technol. 2003, v. 12, 449-453.

83. Ефремов Н.П., Полуэктов H., Харченко В.Н. Томография скорости и температуры атомов и ионов в плазме. Сибирский физико-технический журнал. 1992, т.2, сс.35-39.

84. N.P.Efremov, N.P.Poluektov, V.N.Kharchenko. Tomography of ion and atom velocities in plasmas. J.Quant.Spectr.Radiat.Transfer.1995, v.53,N.6, pp.723-728.

85. Thompson M.W. 1968 Philos.Mag. 15 1.

86. Л.Н.Розанов. Вакуумная техника. M.: Высшая школа, 1982.

87. Allain М.С., Hayden D.B., Juliano D.R., Ruzic D.N. Characterization of magnetron-sputtered partially ionized deposition as a function of metal and gas species. J.Vac.Sci.Technol.-2000, V.18A, pp.797-801.

88. Westwood WD, \91S J. Vac. Sci.Technol. 15 1