РАСПЫЛЯЕМЫЕ МИШЕНИ ИЗ ВЫСОКОЧИСТЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПОСОБ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
SPRAYED TARGETS OF HIGHLY PURE ALLOYS ON BASIS OF TRANSITION METALS AND METHOD OF THEIR PRODUCTION

Изобретение относится к области производства распыляемых металлических мишеней для микроэлектроники. Стехиометрические силицидные пленки переходных металлов представляют значительный интерес как материал низкоомных контактов, электродов затворов, межсоединений и диффузионных барьеров между кремниевой подложкой и металлизацией в интегральных схемах.
В настоящее время используются две основные промышленные технологии получения пленок силицидов. Первая - магнетронное распыление мишеней, изготовленных из силицидов. Для изготовления таких мишеней обычно используется технология порошковой металлургии, в результате чего возможно неконтролируемое загрязнение распыляемых мишеней и ухудшение электрофизических свойств получаемых пленок. Использование литых силицидных мишеней оказалось более прогрессивным путем получения стехиометрических пленок, поскольку сразу же наносился дисилицидный слой с заранее известными электрофизическими параметрами [Патент РФ №2356964, 16.08.07]. Вторая технология - напыление чистых металлических пленок на поверхность кремния с последующим высокотемпературным отжигом (до 1000°С), приводящих к получению силицидных слоев. При использовании этой технологии в производстве сверхбольших интегральных схем с субмикронными размерами возможно возникновение проблем, связанных с деградацией мелкозалегающих р-n-переходов из-за диффузии атомов примеси в пленку силицида при отжиге и, как следствие, увеличения контактного сопротивления. Тем не менее, в технологии производства интегральных схем с целью селективного нанесения силицидной пленки используется метод нанесения на кремний тонких слоев металла, а последующая термообработка приводит к получению слоя стехиометрического дисилицида. В этих случаях использование дисилицидных мишеней, полученных в соответствии с упомянутым изобретением, оказывается малотехнологичным.
Техническая задача - повышение качества и стабильности электрофизических и адгезионных свойств силицидов переходных металлов, полученных вжиганием.
Это достигается тем, что используется способ производства распыляемой мишени из сплава на основе высокочистого переходного металла высокой чистоты из ряда: титан, ванадий, кобальт, включающий последовательное глубокое вакуумное рафинирование электронно-лучевым капельным переплавом заготовки высокой чистоты с получением слитка высокочистого переходного металла, формирование из него дуговым вакуумным переплавом с одновременным легированием кремнием в пределах 0,0005-0,15 м.% в вертикальном кристаллизаторе заготовки мишени в виде слитка и механическую обработку полученной заготовки.
Это достигается тем, что распыляемая мишень из высокочистого сплава на основе переходного металла из ряда: титан, ванадий, кобальт получена указанным способом.
Это достигается тем, что распыляемая мишень из высокочистого сплава на основе переходного металла из ряда: титан, ванадий, кобальт содержит переходный металл и кремний, при следующем соотношении указанных компонентов, м.%: кремний - 0,005-1,0 и металл из ряда: титан, ванадий, кобальт - остальное.
Нижний предел выбранного соотношения ограничен низкой устойчивостью предлагаемого материала к окислению при термообработке и химической обработке, когда содержание кремния в высокочистом сплаве оказывается менее 0,0005 м.%. Верхний предел содержания кремния в сплавах ограничен необходимостью иметь низкое удельное электросопротивление предлагаемого материала, а также возможностью воспроизводимого получения тонкопленочных элементов при фотолитографической обработке.
Способ осуществляют следующим образом.
Исходные заготовки помещают в плавильную вакуумную камеру электронно-лучевой печи и постепенно расплавляют, подводя заготовки под электронный луч, создаваемый аксиальной пушкой. Затем вдоль полученного слитка переходного металла высокой чистоты крепят полосу кремния и производят второй переплав в электродуговой вакуумной установке с интенсивным электромагнитным перемешиванием расплава. Вращение расплава способствует уменьшению, усреднению химического состава по кремнию, устранению температурных градиентов и получению мелкозернистой литой структуры вследствие разрушения кристаллитов и появления дополнительных центров кристаллизации.
Пример реализации способа.
Реализацию способа осуществили при изготовлении литых мишеней из высокочистых сплавов на основе переходных металлов (титан, ванадий, кобальт). Рафинирование исходного материала производили с помощью электронно-лучевой плавки в высоком вакууме на установке ЕМО-250 в вертикальных кристаллизаторе с получением поликристаллических слитков. Далее вдоль каждого слитка высокочистого переходного металла через каждые 90-100 мм крепили полосы монокристаллического кремния. Масса закрепленных полос кремния зависела от заданной концентрации кремния в сплаве в пределах 0,0005-0,15 м.%. Второй вакуумный переплав слитка переходного металла с закрепленными полосами кремния производили в электродуговой вакуумной установке ДДВ, оснащенной устройством для электромагнитного перемешивания затвердевающего расплава. В результате получали слиток сплава на основе высокочистого молибдена с заданным содержанием кремния. Диаметр слитка - до 200 мм при длине 500 мм. Слиток разрезали на ленточном электроискровом станке на плоские заготовки мишеней. Затем производили механическую обработку заготовок распыляемых мишеней. Содержание кремния в образцах определяли масс-спектрометрически.
1. Выплавлено пять слитков высокочистого сплава на основе титана с содержанием кремния 0,0004, 0,0005, 0,01, 0,15 и 0,16 м.%, а также один слиток титана высокой чистоты без легирования кремнием. Изготовлено по 1 мишени из каждого слитка - 6 круглых распыляемых мишеней для установки «Оратория-5».
2. Выплавлено пять слитков высокочистого сплава на основе ванадия с содержанием кремния 0,0004, 0,0005, 0,01, 0,15 и 0,16 м.%, а также один слиток ванадия высокой чистоты без легирования кремнием. Изготовлено по 1 мишени из каждого слитка - 6 круглых распыляемых мишеней для установки «Оратория-5».
3. Выплавлено пять слитков высокочистого сплава на основе кобальта с содержанием кремния 0,0004, 0,0005, 0,01, 0,15 и 0,16 м.%, а также один слиток кобальта высокой чистоты без легирования кремнием. Изготовлено по 1 мишени из каждого слитка - 6 круглых распыляемых мишеней для установки «Оратория-5».
2
5
2
5
2
Проведено комплексное исследование процессов магнетронного распыления мишеней из всех трех сплавов, а также структурных и электрофизических параметров тонких пленок, полученных распылением мишеней всех трех сплавов. Кремниевые пластины (100) р-типа проводимости окисляли термическим способом, в результате чего получали маскирующую пленку диоксида кремния толщиной 0,3 мкм (на некоторых участках - толщиной 50 нм) и последующей фотолитографией шины из поликристаллического кремния толщиной 0,4 мкм. Затем на кремниевой пластине с фотолитографически сформированными пленочными элементами в соответствии с топологическим рисунком тестовых структур вскрывали окна в защитной пленке диоксида кремния и создавали ионным легированием при энергии ионов фосфора 30 кэВ и дозе 400 мкКл/см (с последующим отжигом при 950°С) области n-типа проводимости. Далее открытым травлением в 1% HF удаляли тонкую оксидную пленку на участках вскрытых окон и в магнетронной установке «Оратория-5» в среде чистого аргона при давлении 0,26 Па наносили металлизацию при следующих режимах для мишеней на основе титана и ванадия: напряжение на аноде 450±50 В, ток 5,5 А. Для мишени на основе кобальта напряжение на аноде 420±30 В, ток 4,5 А. Температура подложек при нанесении пленок указанных металлов, легированных кремнием, до толщины 0,12 мкм составляла 543±10 К. Последующую термообработку проводили в среде аргона при температуре пленок сплава на основе титана 993 К, на основе ванадия 1023 К и на основе кобальта 893 К, причем продолжительность процесса определялась формированием дисилицида на всю толщину нанесенной исходной пленки. На каждой пластине насчитывалось до 180 тестовых кристаллов с однотипными элементами, что позволяло оценивать воспроизводимость формирования пленок дисилицидов с использованием статистических методов. На изготовленных тестовых образцах при испытаниях определяли (1) разброс величины сопротивления полицидных структур; (2) устойчивость пленок и контактов из дисилицидов к электромиграции при протекании тока с плотностью 8·10 А/см по сечению вдоль пленки и 3·10 А/см по сечению контактов; а также процент короткозамкнутых мелкозалегающих р-n-переходов на пластине. Экспериментальные результаты приведены в таблице.
Таблица
Результаты испытания тестовых структур
№ п/п
Состав материала, м.%
Относит. отклонение сопротивления полицидных структур на пластине, %
Время безотказной работы проводящих элементов (а) и контактов (б), ч
Число структур с короткозамкнутыми р-n-переходами на пластине
а
б
1
Ti-Si (0,0004)
7
52
68
10
2
Ti-Si (0,0005)
3
88
116
2
3
Ti-Si (0,01)
2
96
120
-
4
Ti-Si (0,15)
2
94
112
2
5
Ti-Si (0,160)
6
48
72
14
6
Ti
12
36
48
25
7
V-Si (0,0004)
5
48
72
18
8
V-Si (0,0005)
2
96
120
5
9
V-Si (0,012)
1
102
124
2
10
V-Si (0,15)
2
98
118
6
11
V-Si (0,160)
5
48
78
21
12
V
10
42
52
37
13
Co-Si (0,0004)
6
46
72
12
14
Co-Si (0,0005)
3
84
106
2
15
Co-Si (0,01)
2
98
120
-
16
Co-Si (0,15)
3
86
112
3
17
Co-Si (0,16)
8
48
76
17
18
Co
14
36
48
28
Результаты испытания тестовых структур, выполненных из пленок высокочистых сплавов на основе титана, ванадия и кобальта, однозначно свидетельствуют в пользу того, что с помощью магнетронного распыления этих сплавов удается получить пленки дисилицидов наиболее высокого качества с высокой воспроизводимостью процесса их формирования.