Исследование ионизации распыленных атомов алюминия в СВЧ - ЭЦР разряде для металлизации субмикронных структур СБИС

ИССЛЕДОВАНИЕ ИОНИЗАЦИИ РАСПЫЛЕННЫХ АТОМОВ АЛЮМИНИЯ В СВЧ - ЭЦР РАЗРЯДЕ ДЛЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ СУБМИКРОННЫХ СТРУКТУР СБИС

В.Н. ХАРЧЕНКО, проф., зав. кафедрой физики МГУЛа, д.т.н.,

Н.П. ПОЛУЭКТОВ, доцент кафедры физики МГУЛа, к. ф - м. н.,

И.Г. УСАТОВ, ст. преподаватель МГУЛа,

Ю.П. ЦАРЬГОРОДЦЕВ, доцент МГУЛа, к. т. п.,

И.А. КАМЫШОВ, инженер МГУЛа

Одним из основных технологических циклов изготовления многоуровневых СБИС является нанесение тонких металлических пленок (металлизация) на рельефных структурах. При металлизации структур субмикрон-ных размеров с аспектным отношением 1-5 с помощью магнетронного распыления возникают серьезные проблемы. 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 металлизацию узкого отверстия, необходим поток частиц, приходящий на поверхность подложки вдоль нормали. Применение для этих целей коллиматоров не снимает многих вопросов [1].

Эту проблему можно решить с помощью ионизации распыляемого металла, так как на ионы можно воздействовать внешним магнитным полем или электрическим полем слоя перед подложкой и, таким образом, управлять их движением.

Один из способов — совмещение магнетронного и индуктивно-связанного источников.

Между магнетроном и подложкой устанавливаются несколько (обычно 2) витков провода, на которые подается 13,56 МГц. Распыленные атомы металла ионизуются на пути от мишени магнетрона к подложке. Степень ионизации металла достигает 10 %, а вклад потока ионов металла в полный поток, учитывая значительно большую скорость ионов, меняется от 20 % при давлении 5 мТор до 80 %

при 45 мТор [2-5]. Имеется оптимальное соотношение между мощностями магнетронного и индуктивно-связанного разрядов.

При больших мощностях магнетрона, когда концентрация атомов металла превышает концентрацию аргона, качество металлизации ухудшается. Так как потенциал ионизации меди и алюминия меньше, чем аргона, преобладание атомов металла приводит к понижению температуры плазмы и, как следствие, к уменьшению ионизации металла.

Другой подход к решению проблемы связан с использованием СВЧ - ЭЦР разряда, в котором плазму с концентрацией более 1011 см'3 и степенью ионизации атомов металла до 90 % можно получать при давлении меньше 1 мТор [6-8].

Нужно отметить, что исследование процессов в металлической плазме весьма сложная задача, так как зондовые измерения затруднены, вследствие запыления зондов металлом, а оптические методы измерения температуры электронов и концентрации атомов имеют большие погрешности.

На рис.1 показана схема установки и методы измерений в данных экспериментах. Подробное описание установки приведено в работе [9]. Вакуумная камера состоит из источника плазмы (диаметр 15 см, длина 25 см) и разрядной камеры плазмохимического реактора (диаметр 35 см, длина 60 см). Вакуум (10 -6 Тор) создается с помощью турбомолекуляр-ных насосов. Рабочий газ через электронный натекатель подается в камеру вблизи кварцевого окна. СВЧ волна частотой 2,45 ГГц генерируется магнетроном мощностью до 1 кВт и по волноводу 90x45 мм2 проходит в камеру

через кварцевое окно. Мощности проходящей и отраженной волн измеряются с помощью ваттметра. Магнитное поле создается тремя электро- и 12-ю постоянными Бт-Со магнитами. Такая конфигурация магнитного поля позволила получить плазму с концентрацией

11 _-з

более 10 см на расстоянии 60 см от источника.

Охлаждаемая водой алюминиевая мишень в виде цилиндра (внешний диаметр 80 мм, толщина 4 мм, длина 50 мм), закрытая с внешней стороны изолированным нержавеющим экраном, устанавливалась на расстоянии 15 см от источника (40 см от кварцевого окна, через которое поступает СВЧ волна), что позволяло избежать быстрого запыления металлом входного окна (как известно, металлическая плёнка в несколько десятков нм не пропускает СВЧ волну). Возможно, другим фактором, способствующим очистке стекла, является бомбардировка окна быстрыми электронами в источнике плазмы. Во всяком случае, в течение десятков часов работы отраженная мощность не увеличивалась. На мишень подается отрицательное напряжение 300 - 600 В. Ионы плазмы (Аг, Кг, Хе) выбивают из мишени атомы металла, которые осаждаются на подложку ( стекло, ситалл, поликор). На подложку приходят не только атомы металла, но и ионы плазмообразующего газа (Аг, Кг, Хе). Энергия этих ионов мала (не превышает 50 эВ), что не нарушает структурных изменений подложки, но их воздействие приводит к увеличению адгезии и коэффициента поверхностной диффузии атомов металла, уменьшению зернистости и в конечном итоге к высокому качеству получаемых пленок.

Для исследования распределения параметров плазмы вдоль оси за мишенью на расстоянии 19 см устанавливалась кварцевая подложка диаметром 120 мм с отверстием 7 мм внутри для зонда. Третий электромагнит устанавливался так, чтобы магнитные силовые линии были направлены перпендикулярно подложке.

Эффективность ионизации атомов металла зависит от концентрации атомов металла и электронов, энергии электронов, а также наличия метастабильных атомов плазмообра-

зующего газа. Температура электронов, функция распределения электронов по энергиям, концентрация ионов, а также плавающий потенциал и потенциал плазмы определялись из зондовых измерений методом вольт-амперных характеристик (ВАХ) плазмы. Зонды Лэнгмю-ра изготовлены из вольфрамовой проволоки радиусом г = 0,175 мм. Длина выступающей в плазму части зонда составляет 1 = 9 мм. Для уменьшения влияния магнитного поля рабочая часть зондов ориентирована перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. Индукция магнитного поля в области измерений за мишенью не превышала 150 Гс. Керамическая (внутренний диаметр 0,6 мм) и кварцевая (диаметр 5 мм) трубки вокруг кончика зонда предохраняли его от короткого замыкания. Перед снятием вольт-амперной характеристики на зонде устанавливалось напряжение - 80 В для очистки зонда ионами.

Программа зондовых измерений имеет в составе встроенную графическую часть, что позволяет оперативно оценивать полученные данные и производить их отбраковку. Обработка экспериментальных ВАХ включает в себя сглаживание данных кубическими сплайнами, вычисление первой и второй производных тока по напряжению для определения потенциала плазмы и функции распределения электронов по энергиям. Температура электронов Те вычисляется из наклона логарифма электронного тока по напряжению на участке левее потенциала плазмы.

Концентрация плазмы (без распыления) щ определялась из ионного тока насыщения по методике, предложенной в [10]. В случае цилиндрического зонда ионный ток насыщения изменяется, вследствие образования слоя. В условиях нашего эксперимента г/ко, где кв - Дебаевский радиус, тогда и, определяется из наклона ионного тока /?:

2 ( 51} ^2яМ:

где М1 - масса иона; 5 - площадь зонда; е - заряд электрона; Ур - напряжение зонда.

При распылении на зонд приходят также ионы металла и ионный ток равен:

И

где / + = ———--------; к - постоянная Больц-

п +п

ПХс* А1+

мана; С - коэффициент. Так как величины / неизвестны, эта формула использовалась для оценки пм+ из разности ионных токов без и с распылением мишени. При мало меняющейся температуре электронов в обоих случаях и допущении, что концентрация ионов Хе при этом не изменяется, разность ионных токов равна току ионов алюминия. Величина ял/+, определенная таким способом, меньше действительной, вследствие уменьшения концентрации ионов Хе.

Концентрация электронов пе, вычисленная из электронного тока при потенциале плазмы, была в 2,5-3 раза меньше, что связано с влиянием магнитного поля. С другой стороны, из отношения концентраций пе при выключенном и включенном напряжениях на мишени можно точнее определить паи-

Функция распределения электронов по энергиям определяется по второй производной тока электронов: f(E) ~-yfVp (с?I/dVp2). Используется нормировка функции распределения:

00

\f(E)dE = l.

О

Оптические измерения проводились с помощью монохроматоров МДР-12 (дифракционная решетка 1200 штр./мм, линейная дисперсия 2,3 нм/мм, разрешение 0,1 нм). Сканирование спектра излучения плазмы производится поворотом дифракционной решетки. Сигналы с ФЭУ, установленным за монохроматором , подаются на вход АЦП Ф4225, к которому подключена буферная память МЗУ на 64 Кбайт (модули КАМАК). Быстродействие АЦП (до 1 мкс) позволяет записывать спектр излучения плазмы в диапазоне 200-800

нм за 5 минут. Температура атомов и ионов определялась из спектральных измерений с помощью интерферометра Фабри-Перо (схема измерений приведена на рис.1). Для регистрации интерферограмм использовалась телекамера на базе супервидикона Ли-702 со встроенным ЭОП. Сигнал с телекамеры поступает на модуль КАМАК «Видео-8», который запоминает кадр в виде 256x256x8 бит за 20 мсек. Буферная память рассчитана на запись 4-х кадров. Для слабых линий производилось осреднение по 128 кадрам.

Для контроля процесса напыления и выбора оптимальных параметров была разработана автоматизированная система диагностики. Если настроиться на линию металла мишени, то можно измерять интенсивность линии во времени и, таким образом, контролировать процесс напыления.

Скорость образования пленки на прозрачных подложках определялась методом поглощения луча лазера. В этом методе (рис.1) луч He-Ne лазера проходит вдоль оси камеры, пересекает подложку с пленкой, далее по световоду через поляризационный светофильтр попадает на ФЭУ. Толщина пленки d в различные моменты времени вычислялась из формулы ослабления интенсивности / проходящего через металлическую пленку луча [12]:

I -1о ехр (- Amkd/Л).

Здесь 1о - интенсивность падающей волны с длиной Л', пи к - показатели преломления и поглощения соответственно {п = п(1 + ik) - комплексный показатель преломления}. Из данной формулы можно найти толщину пленки: d = (A/4mk)ln(Io/I). Для длины волны 600 нм для алюминия п = 0,5; & = 9,18.

На обратной стороне подложки укреплялась термопара, с помощью которой измерялась температура. Рабочее давление составляло 3 1 O'4 - 3 10 3 Тор, СВЧ-мощность 500 1000 Вт, ток на мишень 100 - 600 мА.

На рис. 2 приведена зависимость ионного тока зонда (значки ), расположенного на расстоянии 12 см от мишени на оси, и тока мишени (значки о ) от СВЧ- мощности.

ЗАСЛОНКА_

ЗОНД

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ М2 М1

РЕГУЛЯТОРЫ РАСХОДА ГАЗА

34

і 31

ПОДЛОЖКА

ЦИРКУЛЯТОР

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ

ФИЛЬТР

ЛАЗЕР

32

ЗОНД-/

Л1 ИФП Л2

МОНОХРОМАТОР

33

ЭОП ТЕЛЕКАМЕРА. !

клеишь

ФЭУ

КАМАК

Рис. 1. Схема установки

Ионные токи возрастают с увеличением мощности, при больших мощностях наклон не уменьшается. Зависимость тока мишени от давления дана на рис. 3. Ее характер определяется зависимостью концентрации плазмы вблизи мишени от давления. Максимальное значение концентрации плазмы в этой области достигается в диапазоне давлений 0,5 - 0,9 мТор. При меньших давлениях концентрация плазмы падает вследствие уменьшения концентрации нейтральных атомов, при больших давлениях растет число столкновений электронов с атомами и ионами и их температура уменьшается. Это подтверждается фактом, что в источнике максимальное значение концентрации плазмы достигается при давлениях р - 1,5 мТор [11]. На рис.4 приведены зондовые характеристики в плазме Хе без и с распылением А1 мишени, снятые на оси камеры на расстоянии 15 см от мишени. Повторяемость характеристик хорошая. Видно, что ионный (вставка на рисунке) и электронный токи возрастают

на 25-30 % при подаче напряжения на мишень. Концентрация пхе+, полученная из ионного тока без подачи напряжения на мишень, составляет 3 • 1011 см'3. Концентрация ионов алюминия па1+, вычисленная из разности ионных токов по указанной выше

10 "3

методике, равна 6- 10 см", что дает отношение пА1+/пхе+ —20%.

Температура электронов при включении напряжения уменьшается мало, с 2,67 эВ до 2,62 эВ. Отношение концентраций пА1+/пхе+, рассчитанной по электронному току насыщения, дает близкую величину - 30 %. Так как абсолютные значения концентраций в этом случае меньше из-за влияния магнитного поля на электронный ток зонда, в дальнейшем, МЫ приводим величины ПД1+, полученные из ионного тока.

На рис. 5,а показано, как изменяются ионные токи без распыления и с распылением от расстояния за мишенью. Разность этих токов увеличивается с расстоянием, что понятно, так как для ионизации необходим

пробег. На рис. 5, б приведены зависимости потенциала плазмы V*, плавающего потенциала V/, температуры электронов Те и концентрации плазмы и, от расстояния от мишени. Нужно отметить низкое значение потенциала плазмы, что объясняется хорошим удержанием плазмы в поперечном направлении магнитным полем, а в продольном-

электрическим полем подложки, находящейся под плавающим потенциалом. Это подтверждается зависимостью потенциала плазмы по радиусу, как указано на рис. 6, а.

Несмотря на то, что ларморовские радиусы электронов и иойов отличаются в сотни раз, потенциал плазмы по радиусу меняется мало.

Рис. 2. Зависимость тока мишени и ионного тока насыщения плоского зонда от проходящей СВЧ мощности: 2,4 мТор; расход 30 см'/мин; имиш-500 В

Рис.З. Зависимость тока мишени и интенсивности спектральной линии алюминия 396,1 нм от напряжения мишени: Хе, р= 2,4 мТор; расход 30 см3/мин; У?прох = 600 Вт

1,мА

Рис.4. ВАХ цилиндрического зонда на расстоянии 15 см от мишени. Распыление Л/ мишени, Хе, р: ; 2,5 мТор; Ц?= 700 Вт; 1э„.магн = 210 А; ишш = 510 В; /„„„, - 700мА

20

18

16

14

12

10

8

6

8

6

4

О

-4

-8

-10

Рис.5. Зависимости: а - плотности ионного тока: У,; б - плазменного Vs и плавающего ^потенциалов плазмы, концентрации плазмы пе, температуры электронов Те от расстояния за мишенью: Хе, р =

1,2 мТор; расход 15 см3 /мин; 11Л жнг 1000 Гс; W 700 Вт

СО

V

Хе+

О.

<ъ

1=Ь--Ь~о-

"о

СГ

(0

*

о

ц

С

л_________L.

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

г, cm

°о

РП——Пг-|\

---1-и =0

втш* МИШ. | у/

-Q--2-U =510 В '

миш. П

2, СМ

-J—I—i—I____I—»_______________________1  I  I- 1 1 . I

8 10 12 14 16 18 20 22

При подаче напряжения на мишень потенциал плазмы V, падает на 1-2 вольта, плавающий потенциал V/ становится более отрицательным, так что разность V, - V/ немного уменьшается. В области г < 4 см эта величина максимальна и равна порядка 20 В. Как известно, что при максвелловском распределении электронов по энергиям величины V* - V) и Те связаны между собой по фор-Т М

муле V - Vг - — 1п-------5— В нашем случае

7 2 2.3 тпе

температура электронов Те, вычисленная по формуле меньше величины Те, полученной из наклона логарифма электронного тока вследствие отклонения распределения электронов по энергиям от максвелловского. Тем не менее, большая величина - V/ в приосевой области объясняется наличием высокоэнергетичных электронов. На рис. 6, б показано радиальное распределение плотности ионных токов, измеренное на расстоянии 12 см от мишени. Радиальная неоднородность составляет 25 % на диаметре 8 см.

На рис.7,а приведены ненормированные функции распределения электронов по энергиям, тогда площадь под кривой пропорциональна концентрации электронов. При подаче напряжения на мишень 11мии1 площадь увеличивается на 25 %, причем изменение происходит в области низкоэнерге-тичных электронов, средняя энергия

Стах

Еср= |/ {Е)1й1Е меняется мало - от 4,68 эВ

О

при имиш = 510 В до 4,71 эВ при имиш = 0 В.

Там же приведена Максвелловская функция при средней энергии 4,71 эВ. На рис. 7, б эти функции построены в логарифмическом масштабе. В области энергий 10-22 эВ количество электронов в разряде уменьшается по сравнению с максвелловским распределением, что обусловлено неупругими столкновениями с атомами и ионами. Кроме того, хвост функции распределения спадает раньше при подаче напряжения на мишень. Это связано с появлением в разряде атомов металла. Энергии возбуждения ~3 эВ и ионизации 5,98 эВ атомов алюминия меньше, чем для ксенона

(~Ю эВ и 12,13 эВ соответственно), а сечения электронных столкновений возбуждения и ионизации для атомов алюминия больше, чем для атомов ксенона, что и приводит к уменьшению электронов высоких энергий. Кроме того, разность потенциала плазмы К и плавающего потенциала V/ на подложке можно рассматривать как потенциальный барьер, пройти который могут только электроны с достаточно большой энергией. Величина его подстраивается таким образом, чтобы для сохранения квазинейтральности плазмы потоки электронов и ионов на стенку были равными. Когда количество высокоэнергетических электронов, способных преодолеть этот барьер, уменьшается, равенство потоков электронов и ионов нарушается. В результате, чтобы увеличить поток электронов, разность V; - V/ должна уменьшиться, что и наблюдается в эксперименте. На рис. 8 приведен спектр излучения плазмы. Отношение интенсивностей линий А1+ 390,2 нм и А1 396,1 нм изменяется от 0,02 до 0,1 при увеличении расстояния за мишенью от мишени от 5 до 17 см. Перед мишенью на выходе из источника это отношение достигает 0,25, т.е. ионизация возрастает по мере удаления от мишени как вниз, так и вверх по потоку плазмы. Возможно, этим объясняется отсутствие запыления металлом

входного окна, так как в источнике концен-

12

трация и температура электронов более 10 см3 и 8 эВ соответственно. После разборки камеры налет алюминия на стенках в глубине источника отсутствует.

Сделаем некоторые оценки, не претендующие на большую точность, но дающие порядок величин. Длина пути ионизации

= им/

А, /К(Те)пе , иА1 - скорость распыленных атомов А/ и К) = \у[(ТеД)с1Е = ст,- -

сечение ионизации А1. Используя значения сг, из [4], получим величину А, ~ 80 см в плазме, где пе= ЗТО11 см 3; Те - 3 эВ; им = 3300 м/с; (Е = 1,5 эВ). Тогда порядка 20 % атомов алюминия будут ионизованы на длине 15 см. Используя полученную выше величину ПА1+ =

7,5ТО см', определим концентрацию атомов

11 3

алюминия па1 = 3,75' 10 см'.

Скорость напыления металлической пленки зависит от потоков атомов и ионов. Поток ионов А/ равен: ГА1+ = (пА1+)ил1+. Скорость ионов, приходящих на подложку, определяется БОМОВСКОЙ формулой Ыа1+ = = 0М(кТ/Мы)и2 = 2-105 см/с (Те =3 эВ) и пм+ = 7,5* 1010 см"3, величина ГА1+ = 1,5Т016 см"2с"\ Поток атомов А1 равен: 1'м = 0,25 «д/Мд/. Температура атомов и ионов определялась из спектральных измерений с помощью интерферометра Фабри-Перо и телекамеры в каче-

стве приемника излучения (рис.1). Измерения показали, что температура атомов и ионов (Аг, Кг,Хе) <0,1 эВ и 0,4 эВ соответственно. Температура атомов А1 не измерялась. Величина пути термализации атомов А1 в Хе по разным источникам 25-50 см при давлении 1 мТор. Предполагая, что на расстоянии 15 см от мишени энергия атомов А/ порядка 0,4 эВ, иА1

=1,7Т05 см/с, пА1 = 3,75Т0И см"3, поток Га1 ~

1 <1 1

1,6' 10 см" с" . Тогда вклад ионов в полный поток ГА1+ /ГА1+ + ГА1 достигает 50 %.

Рис. 6. Радиальные распределения: а - плазменного и плавающего потенциалов; б - плотности ионного тока; на расстоянии 15 См за мишенью без (светлые значки) и с распылением (темные). Цилиндрический зонд: р = 1,6 мТор; расход 20 см3/мин; №прох = 650 Вт; И7,,,,,,, = 330 Вт

О 5 10 15 20 25 30

Рис.7. Функция распределения электронов по энергиям (а); Функция вероятности энергии электронов (б): 15 за мишенью; р = 2,4 мТор; расход 30 см3/мин; W„рох = 730 Вт; WMUU, = 360 Вт

250 300 350 400 450 500 550 нм

Рис.8. Спектр плазмы на расстоянии 15 см за мишенью: р = 1,6 мТор; расход газа = 20 см3/мин; Wlipox -750 Вт; WMllu = 360 Вт

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

-2,0

-2,5

I I Г | II ! I М I ! I | I ! I ! I Е I i I | I I ! ! I I I I I | М I I I I I i I j I I I II i I I l | I 1 i ! I

) 111........11111111111111111111111111111111111111111) 1111

0 10 20 30 40 50

Рис.9. Зависимость интенсивности проходящего через пленку металла луча лазера от времени: Хе\ р - 1 мТор; IV = 600 Вт; = 210 А; имиш = 450 В; = 500 мА

Скорость образования металлической пленки на прозрачных подложках измерялась in situ методом поглощения лазерного луча (рис. 9). В случае расположения подложки на расстоянии 15 см скорость напыления достигает 50 нм/мин при мощности 400 Вт , степени ионизации металла 25 % и вкладе ионов металла в общий поток порядка 50 %. Скорость напыления (5 - 50 нм/мин) росла пропорционально току (100-750мА) на мишень (концентрации плазмы), от ускоряющего напряжения в диапазоне 300 - 600 В зависела слабо. Однородность толщины пленки 4 % на диаметре 60 мм. Температура подложки при включении разряда росла в течение 30 мин, а затем выходила на плато, величина которого не более 200 °С. С уменьшением расстояния подложки от мишени скорость напыления увеличивается и на расстоянии 7 см достигает 100 нм/мин. Однако вклад ионов металла при этом уменьшается, что ухудшает качество металлизации тонких отверстий.

Литература

1. S.M.Rossnagel // Thin solid films 1995, V.263. P.l -12.

2. Hopwood J. Qian F. //J.Appl. Phys. 1995. V.78. №2. P.758 - 765.

3. Nickols C.A., Rossnagel S.M., Hamaguchi S.// J.Vac.Sci.Technol.1996. V.14B. № 5. P.3270-3275.

4. Dickson М., Hopwood J.// J.Vac.Sci.Technol. 1997. V.15A, №4, P.2307-2312.

5. Shibuki S., Kanao H., Akahori T // J.Vac.Sci.Technol. 1997. V.15B. № 1. P.60-65.

6. Takehiro S., Yamanaka N. // Jap.J.Appl. Phys. 1991.V.30. № 12B. P.3657-3661.

7. Holberg W.M. et al. //J.Vac.Sci.Technol. 1993. V.11A. P.2903.

8. Gorbatkin S.М., Rossnagel S.M // J.Vac.Sci.Technol. 1996. V.14B №3. P.1853-1859.

9. Полуэктов Н.П., Царьгородцев Ю.П. // ПТЭ. -1996. - №4. - С.150-155.

10. Steinbruchel С. //J.Vac.Sci.Technol. 1990. V.8A. № 3. Р.1663-1667.

11. Полуэктов Н.П.,Царьгородцев Ю.П.,Усатов Т.Г // Физика плазмы. - 1999. - Т.25, N10. - С.1.

12. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии.-М.: МГУ, 1977.