Способ получения тонких металлических пленок на основе вольфрама
METHOD FOR OBTAINING THIN METAL FILMS BASED ON TUNGSTEN

Тонкие металлические пленки на основе вольфрама могут быть использованы в области микро- и наноэлектроники в качестве металлизации межсоединений высокотемпературных кремниевых интегральных схем. Это позволит существенно повысить надежность функционирования УБИС (атомные электростанции, аэрокосмические комплексы и средства, автомобилестроение и т.д.).
Известен способ получения тонких пленок на основе вольфрама [1]. Способ заключается в том, что изготавливают оригинальную мишень, содержащую вольфрам, кремний и титан. Магнетронным распылением мишени в среде аргона обеспечивают осаждение тонких пленок трехкомпонентного сплава состава, мас. %: кремний 0,1-1,3, титан 11-33, вольфрам - остальное. Данные пленки используются в металлизации ИС в качестве слоя диффузионного барьера, для препятствования взаимного проникновения кремния и материала проводникового слоя. Однако, если с одной стороны указанное количество примесей в сплаве обеспечивает эффективные свойства пленок в качестве диффузионного барьера, то с другой - наличие кремния в сплаве, существенно увеличивает шероховатость поверхности пленок. Пленки характеризуются повышенным сопротивлением из-за значительного содержания титана в сплаве. Удельное объемное сопротивление вольфрама составляет 5 мкОм⋅см, у титана - 42 мкОм⋅см, что снижает эффективность их использования в качестве проводниковых межсоединений металлизации ИС.
Известен способ получения тонких пленок на основе вольфрама [2]. Способ заключается в том, что изготавливают оригинальную мишень, содержащую вольфрам, рений и титан. Магнетронным распылением мишени в среде аргона обеспечивают осаждение тонких пленок трехкомпонентного сплава состава, мас. %: рений 0,04-9,78, титан 2.5-37, вольфрам - остальное. Данные пленки также используются в металлизации ИС в качестве слоя диффузионного барьера. Однако, как и в первом аналоге пленки характеризуются повышенным сопротивлением из-за наличия двух примесей в сплаве, в первую очередь титана. Кроме того, рений является редким элементом, что снижает ценность данного сплава при использовании пленок в металлизации ИС, а именно в качестве проводниковых межсоединений металлизации ИС.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения тонких металлических пленок на основе вольфрама [3]. Способ заключается в том, что изготавливают оригинальную мишень, содержащую вольфрам и титан. Магнетронным распылением мишени в среде аргона обеспечивают осаждение тонких пленок двухкомпонентного сплава состава, ат. %: титан 35-40, вольфрам - остальное. Данные пленки также используются в металлизации ИС в качестве слоя диффузионного барьера. Пленки характеризуются повышенным сопротивлением из-за значительного содержания титана в сплаве, что не позволяет использовать их в качестве проводниковых межсоединений ИС.
Задача изобретения - уменьшение уровня механических напряжений в пленках вольфрама, повышение пластичности и адгезионной способности тонких пленок на основе вольфрама при сохранении высокой проводимости материала пленок.
Это достигается тем, что в способе получения тонких металлических пленок на основе вольфрама, включающем магнетронное распыление мишени в газовой среде, содержащей аргон, осаждение тонкой пленки двухкомпонентного сплава вольфрама используют мишень на основе сплава вольфрама, содержащего 5-10 ат. % титана, вольфрам - остальное, а в результате магнетронного распыления пленки осаждается тонкая пленка сплава, содержащего 5-10 ат. % титана, вольфрам - остальное или используется вольфрамовая мишень, тогда магнетронное распыление мишени проводят в аргон - азотной среде для осаждения тонкой пленки сплава вольфрама, содержащего 10-15 ат. % азота.
Предполагается, что это связано с влиянием присутствующим в пленках вольфрама углерода. Поскольку растворимость углерода в вольфраме очень малая (0,01-0,05%), основная часть углерода содержится на границе раздела зерен вольфрама, что приводит к охрупчиванию материала и повышению его температуры хладноломкости. Введение примеси титана и азота (аналогично рению) способствует сегрегации поверхностных слоев зерен и диффузии углерода в объем зерен, что приводит к увеличению пластичности вольфрама и снижению температуры хладноломкости. Тем самым достигается снижение уровня механических напряжений в вольфраме, а также улучшаются его адгезивные свойства.
На фиг. 1 представлена зависимость распределений механических напряжений в латеральном направлении в структурах W - Si и W(10 ат. %Ti) - Si.
Способ осуществляется следующим образом. В качестве мишени используют мишень на основе сплава вольфрама, содержащего 5-10 ат. % титана, а после магнетронного ее распыления в среде аргона происходит осаждение тонкой пленки сплава, содержащего 5-10 ат. % титана, вольфрам -остальное. Если в качестве мишени используют чистую вольфрамовую мишень, магнетронное распыление проводят в аргон - азотной среде, а в результате магнетронного ее распыления происходит осаждение тонкой пленки сплава вольфрама, содержащего 10-15 ат. % азота, вольфрам -остальное.
Было проведено исследование механических напряжений в системах Si - W, Si - W(Ti), Si - W(N) и выявлено, что с содержанием концентрации примесей Ti от 5 ат. % и выше или N от 10 ат. % и выше уровень механических напряжений в пленках вольфрама снижался. Пленки вольфрама становились пластичнее. При содержании концентрации примесей Ti 10 ат. % или N 15% уровень механических напряжений снизился более, чем в 3 раза. При этом для контроля использовали неразрушающий метод оптического лазерного сканирования для измерения изменения кривизны пластин кремния из-за нанесенной пленки и определения уровня встроенных механических напряжений.
Также определяли адгезионную способность исследуемых пленок к кремниевым подложкам, покрытым оксидом кремния, методом равномерного нормального отрыва пленки от подложки. Для этого к пленкам ультразвуковым способом приваривали алюминиевую проволоку диаметром 40 нм и прикладывали нагрузку. Нагрузку увеличивали постепенно до момента разрушения сварного соединения или отрыва пленки от подложки. Величину нагрузки, вызвавшей разрушение, регистрировали. Выявили, что при введении примесей титана или азота с заявляемым процентным соотношением в объем пленок вольфрама адгезионная способность пленок вольфрама к кремниевым подложкам, покрытым оксидом кремния, является удовлетворительной для использования их при создании тонкопленочных проводниковых межсоединений ИС.
Однако, с увеличением процентного содержания титана более 10 ат. % или азота более 15 ат. % в пленках вольфрама механически напряжения остаются на том же уровне, но существенно увеличивается удельное объемное сопротивление сплава, что является неприемлемым при использовании пленок для создания проводниковых межсоединений ИС. В частности, в сравнение с чистой вольфрамовой пленкой сопротивление пленок вольфрама, содержащей 10 ат. % титана увеличилось не более, чем в 1,3 раза, а при содержании титана на уровне 40 ат. % в пленке вольфрама удельное объемное сопротивление увеличивается почти на порядок.
Пример.
Магнетронным распылением в среде аргона вольфрамовой мишени, содержащей 10 ат. % титана, на окисленную поверхность кремниевой подложки осаждают тонкую (0.45 мкм) пленку двухкомпонентного сплава: 10 ат. % титана, вольфрам - остальное.
Магнетронным распылением в аргон - азотной среде (10 л/час - аргон, 3 л/час - азот) вольфрамовой мишени на окисленную поверхность кремниевой подложки осаждают тонкую (0.45 мкм) пленку двухкомпонентного сплава: 15 ат. % азота, вольфрам - остальное.
2
2
2
2
При исследовании адгезионной способности исследуемых пленок к кремниевым подложкам, покрытым оксидом кремния, установлено, что средняя величина усилия на отрыв приваренной к пленкам алюминиевой проволоки составила 1150 Г/мм, 3747 Г/мм, 3953 Г/мм для пленок W, W(Ti-10 ат. %) и W(N-15 ат. %), соответственно. В соответствие с 109-4 ОСТ 11 073.013-2008 «Микросхемы интегральные, методы испытаний. Испытания на воздействие механических факторов», часть 1, для 40 мкм алюминиевой проволоки величина усилия на отрыв должна составлять не менее 3580 Г/мм.
Таким образом, пленки рассмотренных двухкомпонентных сплавов W(Ti) и W(N) характеризуются пониженным уровнем встроенных механических напряжений, повышенной пластичностью и удовлетворительной адгезионной способностью к оксиду кремния при незначительном повышении удельного объемного сопротивления.
Источники информации:
1. Патент РФ №2454481,
2. Патент РФ №2454482,
3. Патент РФ №2352684 - прототип.