1

быть дополнительно активированы плазмой (ПА АСО - РЕ ALD), фотонами (ФА ИОС - PhE PDL) и радикалами (PAAGO - RE ALD).

По группе материалов, к которой относится осаждаемый слой, процессы ХОГФ подразделяются на процессы осаждения полупроводников, диэлектриков, металлов,

силицидов и нитридов металлов.

В случае если на поверхности подложки располагаются слои разных материалов, то процессы ХОГФ могут подразделяться на селективные и неселективные процессы.

При селективных процессах ХОГФ пленка осаждается только на участки подложки,

где находится определенный материал. Например, осаждение пленки вольфрама или эпитаксиальной пленки Si1-xGex на поверхность подложки со слоем двуокиси кремния, в

котором вскрыты участки к монокремнию, происходит только на участках монокремния.

В неселективных процессах ХОГФ осаждение пленок происходит на всю поверхность подложки независимо от вида материалов на ее поверхности.

И, наконец, процессы ХОГФ пленок материалов могут классифицироваться по химическому составу газовой фазы, т.е. по виду группы химических реагентов или конкретных химических реагентов, используемых для осаждения пленки материала.

Функциональные слои ИС, осаждаемые в процессах ХОГФ

Процессы химического осаждения из газовой фазы можно использовать для получения следующих функциональных слоев ИС: 1. Эпитаксиальных монокристаллических пленок кремния, германия и кремний - германиевых гетероструктур. 2. Пленок поликремния нелегированного и легированного, аморфного кремния, аморфного гидрогенизированного кремния и поликремния с полусферическими зернами. 3. Пленок оксида кремния, пленок силикатных стекол нелегированных,

легированных фосфором, легированных бором, легированных бором и фосфором. 4.

Пленок нитрида кремния, гидрогенизированного нитрида кремния и оксинитрида кремния. 5. Пленок диэлектриков с низкой диэлектрической постоянной. 6. Пленок диэлектриков с высокой диэлектрической постоянной. 7. Металлических, силицидных,

нитридных и карбидных пленок. 8. Пленок алюминия и его сплавов. 9. Пленок меди. 10.

Пленок кремнийорганических фоторезистов для глубокого ультрафиолета.

Для осаждения эпитаксиальных пленок кремния, германия и гетероструктур

кремний—германий обычно используются высокотемпературные (Т>700оС)

термоактивированные хлоридные (с применением хлорсодержащих соединений кремния и германия) и гидридные (с применением водородосодержащих соединений кремния и германия) процессы ХОГФ.

При ХОГФ эпитаксиальных пленок кремния применяются следующие реагенты:

тетрахлорид кремния (SiCl4), трихлорсилан (SiHCl3), дихлорсилан (SiH2Cl2) и силан (SiH4); а

при ХОГФ эпитаксиальных пленок германия — тетрахлорид германия (GeCl4) и герман

(GeH4).

Преимуществами гидридных процессов эпитаксии слоев кремния и германия по сравнению с хлоридными процессами являются сравнительно низкие температуры осаждения и отсутствие химического воздействия хлорсодержащих соединений на подложку и растущий слой. Это позволяет уменьшить автолегирование осаждаемых слоев, получать более резкие концентрационные профили подложка—слой, улучшить качество эпитаксиальных слоев кремния и германия при гетероэпитаксии на диэлектрические и инородные полупроводниковые подложки, например кремний на сапфире, снизить искажения топологического рельефа слоев при осаждении на подложки со скрытым слоем. Однако моносилан и герман имеют более высокую стоимость по сравнению с тетрахлоридами кремния и германия, а также гидридные

процессы более чувствительны к содержанию следов влаги и кислорода в реакторах и

газовых системах.

Напряженные монокристаллические слои можно получить с помощью ХОГФ, только меньше критической толщины, так как далее происходит релаксация напряжения за счет образования дислокаций.

35 Классификация оборудования ХОГФ функциональных слоев ИС

Исторически для формирования функциональных слоев ИС наибольшее

распространение получали системы ХОГФ, представленные на рис. 10.

Рис. 10. Конструкции систем ХОГФ: а — трубчатый реактор атмосферного давления с горячей стенкой и групповой обработкой пластин; б — реактор колпакового типа пониженного давления с холодной стенкой и групповой обработкой пластин с возможностью плазменной активации процессов осаждения и плазменной очистки внутренних поверхностей; в — конвейерный реактор атмосферного давления с горячей стенкой и непрерывной групповой обработкой пластин; г —планарный реактор пониженного давления с холодной стенкой и групповой обработкой пластин с возможностью плазменной активации процессов осаждения и плазменной очистки внут-

ренних поверхностей; д — универсальный планарный реактор пониженного давления с холодной стенкой и индивидуальной (поштучной) обработкой пластин с возможностью плазменной активации процессов осаждения и плазменной очистки внутренних поверхностей; е — планарный высоковакуумный реактор с холодной стенкой и индивидуальной обработкой пластин в плазме высокой плотностью с возможностью

одновременного проведения процессов осаждения и травления, а также плазменной очистки внутренних поверхностей.

Основным преимуществом установок, представленных на рис. 10а,

предназначенных для высокотемпературных процессов ХОГФ (Ts > 500оC), является

температурная однородность при почти идеальных изотермических условиях. Это позволяет получать пленки с низкими механическими напряжениями и высокой адгезией. Основным недостатком установок с такими реакторами является то, что пленки материалов осаждаются и на горячие стенки реактора, формируя толстые осадки, которые могут отслаиваться и вызывать загрязнение пластин частицами. Это приводит к частым остановкам оборудования для проведения процедуры очистки реактора. Указанная процедура занимает несколько десятков часов, и после 5-10

процедур кварцевый трубчатый реактор обычно приходит в негодность из-за обколов и растравов его стенок, возникающих при химических, термических и механических воздействиях. Для повышения времени технологической работы и времени жизни таких реакторов в их конструкцию была введена опция автоматической очистки трубы реактора без его демонтажа в газовом реагенте ClF3.

Использование холодных стенок (рис. 10, б) позволило значительно снизить осаждение пленок на их поверхность и повысить ресурс работы реактора до чистки.

Пониженное давление обеспечило значительное увеличение скорости и равномерности осаждения пленок по партии пластин. Кроме того, при пониженном давлении с помощью электродной или безэлектродной разрядных систем можно легко зажечь плазму внутри реактора и провести его плазмохимическую очистку с использованием более безопасных реагентов по сравнению с C1F3, например C2F6, SF6 и CF4.

Для достижения максимальной производительности процессов ХОГФ, требуемой в условиях массового производства ИС, появилось оборудование на базе конвейерного

реактора ХОГФ атмосферного давления с горячей стенкой и непрерывной групповой обработкой пластин (рис. 10, в). В таком типе оборудования значительно проще и быстрей осуществляется загрузка и выгрузка пластин, однако, затруднен температурный контроль рабочей зоны. Поэтому в таких установках обычно проводят менее температурно-зависимые химические реакции для осаждения пленок.

Наиболее конструктивно простыми и распространенными представителями оборудования ХОГФ с плазменной активацией процессов осаждения являются установки представленные на рис. 10, г.

Тенденции развития микроэлектроники привели к созданию новой серии оборудо-

вания ХОГФ для реализации низкотемпературных процессов осаждения при субатмосферном и низком давлении с возможностью плазменной активации и очистки с компьютерным управлением и контролем режимов осаждения и очистки, а также работы устройств перемещения, ориентации и установки пластин. Эта серия оборудования была создана на базе универсального планарного реактора ХОГФ, представленного на рис. 10,д. Такие специализированные планарные реакторы легко объединяются с камерами загрузки — выгрузки, камерами ориентирования и охлаждения пластин и транспортными камерами в составе кластерных установок (рис. 11).

Для реализации процессов атомно-слоевого ХОГФ в последние годы были разработаны однокамерные и кластерные установки на базе универсального атомно-

слоевого планарного реактора с холодной стенкой и индивидуальной обработкой пластин (рис. 10, д), в котором используются:

— быстродействующие газовые системы, позволяющие периодически в течение коротких временных циклов (100 мс - 10 с) подавать в рабочую камеру сначала первый реагент, потом продувочный инертный газ, а затем второй реагент;

— модернизированные вакуумные системы, обеспечивающие синхронное изменение газовых потоков в течение циклов осаждения и продувки.

Рис. 11. Схема кластерной установки со специализированными планарными реакторами с индивидуальной обработкой пластин для формирования многослойной системы изоляции ИМС

36 Назначение и требования к металлизации

Число уровней металлизации на сегодняшний день достигает 8-9. Система металлизации представляет собой сложную систему планарных чередующихся металлических и диэлектрических слоев. Обычно такая система включает в себя несколько функционально различных металлических слоев: контактный, барьерный,

локальные межсоединения, вертикальные проводники, высокопроводящий слой. К

каждому из них предъявляются свои требования.

Обеспечить минимальные контактные сопротивления металла к n+-Si, р+-Si и полиSi должны омические контакты. К материалам контактных слоев предъявляются следующие требования: они должны обладать низким удельным сопротивлением,

низким контактным сопротивлением к p- и n-областям, высокой термостабильностью,

устойчивостью к электромиграции и т. д. В значительной степени этим требованиям удовлетворяют силициды металлов. В современных ИС в качестве омических контактов обычно используются слои силицидов TiSi2 и CoSi2, NiSi.

Барьерные слои служат препятствием к межслойному взаимодействию и диффузии материала из верхних проводящих слоев в кремний. Основные требования,

которые к ним предъявляются, это малые значения коэффициента диффузии металлов и кремния через барьерный слой и отсутствие химического взаимодействия с материалами окружающих слоев. Обычно это сплавы тугоплавких металлов и их нитриды, Ti:W, TiN. Для создания барьерных слоев наиболее часто используются следующие методы: газофазное осаждение, магнетронное распыление с коллимированным осаждением, ионно-

активированное осаждение.

В качестве материала высокопроводящих горизонтальных проводников широко

используются сплавы на основе Al (обычно Al с добавкой менее 1 % Cu), отделенные

слоями Ti/TiN/Ti или Ti/TiN. Эти проводники, расположенные на различных уровнях,

соединяются между собой вертикальными проводникамиTi/TiN/W. Значение эффективного удельного сопротивления такой схемы межсоединения лежит в интервале 4

– 4.5 мкОм*см. Уменьшить значение удельного сопротивления до ~ 2 мкОм*см можно за

счет использования меди в качестве материала горизонтальных и вертикальных

проводников. Кроме того, медь обладает лучшим, чем алюминий, сопротивлением к электромиграции. Среди недостатков, присущих меди, можно отметить плохую адгезию на SiO2 и полимерных диэлектриках, сильную коррозию на воздухе, большой

коэффициент диффузии в Si и во многих межслойных диэлектриках, включая SiO2.

Замена Al металлизации на Cu металлизацию

постоянной =3.9 на low-k диэлектрики с =1.3 – 1.6 позволяет значительно увеличить максимальную длину соединений, а значит повысить характеристики ИС без увеличения числа уровней металлизации, и тем самым уменьшить стоимости производства.

Контактные слои для нанотехнологии

Одним из основных вопросов при формировании контактных слоев в настоящее время является уменьшение количества потребляемого из подложки кремния, которое вытекает из необходимости контактов к мелко залегающим p-n-переходам. В связи с этим в качестве возможного материала для контактных слоев ИС нанометрового диапазона широко рассматривается NiSi. Для формирование слоя NiSi требуется, например, на 20%

меньше кремния, чем для формирования слоя CoSi2. Основным препятствием на пути

внедрения данного материала является его термическая нестабильность: при температуре >700оС происходит переход низкоомной фазы NiSi в высокоомную NiSi2.

Поэтому не следует исключать возможность возвращения дисилицидов титана и кобальта в качестве материала контактных слоев. Эти материалы активно применяются в ИС