автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии осаждения многокомпонентных стекловидных пленок методом Вч-магнетронного распыления со смещением для БГИС АПОИ 4-5 поколений

цмскии ордена трудового красного знамкни ыаучно-йсследовагвльский институт ш1боростроенш

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. Д ^¿Х' ^

ПЕРЕЛЫГМН ИГОРЬ ЗАХАРОВ«

разработка и исследование технологии осаждения шогжсшонентнщ сшлошдшх пленок методом вч-шжгронного распыления со смещением для ешс апси 4-5 дсколешй

( 05.27.06, - технология полупроводников и материалов влектронной техники )

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ыссш - 1992

г. , \

(г ^ ! ¡¡г $

Л /-¿¿¿¿'Я*

2.9

/1 О»

г

Работа выполнена в Омском ордена Трудового Красного Знамени НИИ приборостроения и Московском ордена Трудового Красного Знамени институте электронной техники.

Научны« руководители:

Официальны* оппоненты:

Бедуцая организация:

Занята диссертации состоигся"^^" 'JC^ 1992? г.ъ/Ьчас.. на заседании специализированного совета Д.ОЬЗ.02.03.Московского ордена Трудового Красного Знамени института электронной техники ( 103498, г.Москва, МИЭТ )

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ. Автореферат разослан^ ^ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д.053.02.03.

доктор технических наук > Раскин A.A.

/

профессор '* 1

доктор технических наук,профессор, лауреат Государственной премии СССР ПЕТРОВА В.З. кандидат технических наук КОРЖ И.А. доктор технических наук,профессор, НЬУСГРОЕВ С.А. кандидат технических наук

ЗАРЯНКИН Н.М. Научно-исследовательский институт микроприборов

-- гП ¿1 4 У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие микроэлектроники б современник условиях обусловлено проведением комплексной миниатюризации, позволяющей снизить массо-габаритные характеристики и трудоемкость изготовления разрабатываемой аппаратуры, повысить ее надежность и конкурентоспособность готовых изделий.

В настоящее время в аппаратуре передачи и обработки информации (АЛОМ) широко применяются, наряду с полупроводниковыми, гибридные методы изготовления микросхем. Возрастает сложность архитектуры аналоговых КС, разнообразие комбинаций элементов, изготовленных по гибридной технологии. Гибридная технология в последнее время находит все большее применение среда таких направлений электроники, как оптоэлектроника, магнитоалектрояика, криоэлектрони-ка и_др.

Разработка технологии получения многослойных тснкопленочшх коммутационных плат больших гибридных интегральных схем (МТЮ1 БГИС) и микросборок АЛОИ 4-5 поколений высокой степени интеграции требует создания многоуровневых МДМ-структур (металл-диэлэктрик-металл) со стабильными воспроизводимыми характеристиками, высоким выходом годных и надежностью. При этом качество межслойного диэлектрика в значительной мере определяет технические и эксплуатационные параметры БГИС и. микросборок. Поэтому получение тонких диэлектрических пленок со стабильными воспроизводимыми характеристиками, совместимыми с материалами и технологией изготовления МС, является исключительно актуальной проблемой.

В многоуровневых БГИС актуальной является проблема обеспечения непрерывности проводящих дорожек на ступеньках рельефа при

пароходе из слоя в слой МТКП. Одам из путей решения этой проблемы является применение диэлектрических слоев со сглаженным профилем боковой поверхности, обеспечивающей непрерывность покрытия ступенек рельефа проводниками многоуровневой разводки.

При разработке технологии изготовления МТКП необходимо также обеспечивать такие требования, как минимальную емкость МДМ-структуры, высокую электрическую и механическую прочность, влагостойкость и т.д. Поскольку большинство характеристик ВДМ-структур определяется свойствами диэлектрической пленки, очевидна необходимость целенаправленного поиска и выбора диэлектрического материала с высокими электрофизическими характеристиками.

Многокомпонентные стекловидные диэлектрики используются в технологии микроэлектроники для получения пленок с комплексом заранее ¡заданных химических, механических и электрофизических свойств. Они обладают рядом неоспоримых преимуществ по 'сравнении с такими широко распространенными диэлектриками, как оксид Б10г и нитрид Б!^ кремния, в частности, позволяют получать эластичные, устойчивые к кристаллизации пленки с КЛТР под кремний (а=35-Ю~7 град"1), ситалл (а=6010~7 град-1) и т.д. Кроме того, многокомпонентные стекла обладают барьерными свойствами против диффузии ионов щелочных металлов, меди и других примесей.

Для осаждения тонких пленок стекловидных^ диэлектриков в настоящее время используется такие метода, как электронно-лучевое испарение,' ионно-плазменное распылэние, химическое осавдэние из газовой фазы. Эти методы обладают определенной спецификой, не позволяющей обеспечить получение пленок многокомпонентных стекол заданного воспроизводимого химического состава о высокой однородностью по толщине.

- б -

д

Анализ патентной и научно-технической литературы дает основания полагать, что it числу наиболее перспективных низкотемпературных методов осаждения тонких диэлектрических пленок относится ВЧ мэгнетрошгоэ распыление. Развитию и совершенствованию метода посвящены многие научные исследования, однако, вопросы технологии осаждения многокомпонентных стекловидных диэлектриков разработаны недостаточно. В-частности, имеется единственная зарубежная публикация на эту тему, в которой показана возможность осавдения тонких пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика (Corning Т059) без указания, однако, технологических режимов их получения. В работе также не нашли отражения результаты исследований зависимости свойств пленск от технологических режимов та осавдения.

Использование многокомпонентных стекловидных диэлектриков требует проведения дополнительных исследований и усовершенствования метода ВЧ магнетронного осаждения.

Разработка промышленной технологии осаждения методом ВЧ магнетронного распыления тонких пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика, используемых в качестве межуровневой изоляции ВГИС.и микросборок, а также технологии их фотолитографической обработки, комплексные исследования зависимостей свойств пленок от технологических параметров представляют значительный научный и практический интерес и определяют актуальность настоящей работы.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и оптимизации технологии осавдения тонких пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика методом ВЧ-магнетронного распыления со смещением (межуровневая изоляция БГИС и микросборок) путем исследования зависимости комплекса свойств формируемых пленок от технологических режимов процесса их осаждения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи;

- разработка конструкции ВЧ магнетронной системы распыления проведения комплексного исследования ее характеристик;

- оптимизация конструкции ВЧ магнетронной системы распыления;

- разработка конструкции и промышленной технологии изготозлвни: диэлектрических мишеней для распыления, исследование их свойств;

-- получение тонких пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика методом ВЧ-магнетронного расгшления со смещением, исследование процессов их формирования;

- комплексное исследование химического состава и его однородно ста по толишш пленки, структуры, физико-химических, электрофизи чееких, оптических и других свойств пленок в зависимости от технологических режимов процесса осаждения;

- выявление и анализ факторов технологического процесса осазде шя, оказывающих существенное влияние на параметры и свойства тп нккх пленок стекловидного диэлектрика, оптимизация технологии иг осаждения с использованием методов статистического моделирован* и математической обработки результатов эксперимента;

- разработка рекомендаций по использовании» тонких пленок мне покомпонентного стекловидного диэлектрика в технологии микроэле1 тропики: можуровнэввя изоляция ЕГИС, подстройка частоты фильтро! на ПАВ в акустовлектрошке, оптоэлектронике и т.д. *

Научная новизна. Впервые проведены систематические исследс вания зависимостей состава, структуры и свойств тонких плен* многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-Б08 системы Ва( Al203-S102, полученных методом ВЧ мвгнетронного распыления со смещением, от технологических режимов процесса их осаждения.

Проведена оптимизация технологических режимов ВЧ магнетрон--ного осаждения многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-БОй то критериям минимальной пористости и величине оптического показателя преломления пленок методами статистического моделирования и математической обработки результатов эксперимента с использованием разработанного пакета прикладных программ.

Исследован характер распределения химических элементов по толщине пленок стекла С-503 и формирования переходной области пленка-подложка в процессе осаждения.

Исследованы характеристики процессов ВЧ магнэтронного осаждения и ВЧ магнэтронного травления пленок С-Б08 в едином вакуумном цикле. На основании экспериментальных данных сделан вывод о возможности реализации на разработанном оборудовании процесса хланаризации поверхности схемы методом ВЧ магнэтронного осаждения ¡{иэлэктрика С-508 с регулируемым смещением подложек.

Получены данные го пористости и термической устойчивости разработанных составных спекаемых мишеней в зависимости от технологических режимов их прессования и термообработки.

Проведены исследования процесса фотолитографической обработ-<и тонких пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика 3-608. Предложен механизм формирования пологого профиля травления иенки диэлектрика, а также способ получения рельефа в диэлектри-гаской подложке (А.о.СССР № 1380540).

Практическая значимость. Разработана и изготовлена многока-годная система ВЧ магнетронного распыления горизонтального типа ¡а базе вакуумного поста установки "Катод-1М" (КД ЦЯ 7970-4069) о югулируемым напряжением смещения подложек, содержащая дополните-7ьно систему ВЧ магнетронного травления для проведешш мвкопера--

шонной очистки лодложэк и лланаризации поверхности структуры в процессе осавдония пленки диэлектрика. Система обеспечивает получение пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-508 со стабильными воспроизводимыми толщиной, химическим составом и свойствами. Система распыления внедрена в серийное производство изделия IV поколения "Бригантина" на Омском приборостроительном заводе им.Козицкого, а также в Омском НИИ приборостроения.

Впервые в СССР (А.с.СССР А 1635589) разработана и изготовлена системг ВЧ магнетронного распыления вертикального типа на базе вакуумного поста установки УВН 62П-3 с несколькими составными спекаемы™ мишенями для получения тонких пленок диэлектриков с высокой производительностью (до 70 подлокек/цикл) и высокой однородностью по толщине (до 2%). Разработан комплект конструкторской документации (КД ЩГ 7970-4068) на систему распыления вертикального типа. Система распыления внедрена в серийное производство в Омском НИИ приборостроения для изготовления специализированных микросборок, а также в НИИ ВЭМ (г.йкевск).

Разработана промышленная технология и оснастка для изготовления составных спекаемых мишеней на основе многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-508 для системы ВЧ магнетронного распыления вертикального типа (технологическая инструкция УИЯД. 26200.00079).

Разработан технологический процесс изготовления МТНП БГИС с использованием металлизации на основе системы (У-А1-М) и

межуровневого диэлектрика С-Б08 системы Ва0-А1а03-5102. Технологический процесс УИЯД.01201.00030 используется для изготовления специализированных микросборок 04АП01, 04АГО4, 04АР01, 04ДС05.

'Разработан метод прецизионной подстройки сверхузкополосвдх

фильтров на ПАВ с использованием технологии ЬЧ магнетронного осаждения и травления тонких пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-508. Полученные результаты были использованы в ОНЙИП при изготовлении экспериментальных образцов фмьтров.

Результаты исследований процессов осаждения и формирования тонких пленок материала С-508 системы Ва0-А1,,03-810а и их свойств выявляют широкие перспективы использования многокомпонентных стекловидных диэлектриков в различных областях микроэлектроники (те-гаологии БГИС, акусто- и оптоэлектронике).

На защиту выносятся следующие основные положения дисеертани-жной работы:

- система ВЧ-магнетронного распыления со смещением горизонтального типа, используемая для осаидения (травления) тонких пле-гок многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-Б08 системы Ia0-Al203-S102;

- система ВЧ-магнетронного распыления вертикального тшта с диэлектрическими составными опекаемыми ышеяящ;

- технология изготовления диэлектрических составных спекае-ых мишеней для систем ВЧ-магнетронного распыления, •

- технологический процесс ВЧ-магнетронного осаждения со сме-энием тонких кленок многокомпонентного стекловидного диелектрика -508, оптимизированный на основе результатов исследования коми-экса их свойств; ' •

- методика оценки эффективности систем ВЧ-магнетронного растения по критерию относительной бомбардировки электродов.

Апробация работа. Материалы диссертационной работы доклада-ишсь и обсуждались на Юбилейной научно-технической конференции >мск, 1988 г.), 7-й научно-технической конференции "Акалитичес-

гаэ методы исследования материалов и изделий микроэлектроники" (Чорноицы, 1989 г.), ВсоесюпноЯ научно--технической конференции "Акустоэлектронные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах" (Черкассы, 1990 г.), Научно-технической конференции "Проблемы создания аппаратуры радиосвязи и радиоэлектронных устройств" (Омск, 1990 г.), VII-fi отраслевой научно-технической конференции "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и ИВ" (Махачкала, 1990 г.), III Всесоюзной научно-техиическоЛ конференции "Состояние и перспекишы развития гибридной технологии и ГКО в приборостроении" (Ярославль, 1991),

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в рвботах, список которых приводен в конца автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация соетоиг из введения, пяЫ глав, выводов по работе и приложения. Работа изложзна на 120 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 15 таблиц. Описок литер-этуры включает 279 наименований.

ООДЕРЗШШК РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной теш диссертации, сформулированы даль работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе - "Материалы и методы осаждения тонких пленок" - на основа анализа отечествг яшх и зарубежных источников научно-технической информации сформулированы требования, предъявляемые к toi коп го ночным дпэлектрическим материалам, используемым в технологии многоурошеких ЕГИС. Представлен обзор методов оовмдения тонких плонис стекловидных диэлектриков, а также состо

яние разработок в области изготовления диэлектрических мишеней для ВЧ-магнетронного распыления.

Отмечено, что стабильность и надёжность изделий микроэлектроники во многом определяется правильным выбором диэлектрических материалов, обладающих необходимым комплексом свойств. Сформулировал комплекс требований к диэлектрическому материалу, используемому для разделения уровней металлизации в Ш'КЛ Б1ИС.

Перспективными для использования в качестве метслойной изоляции БГИС являются многокомпонентные стекловидные диэлектрики, обладающие уникальным комплексом химических, механических и электрофизических свойств. Подбором состава многокомпонентного стекла в соответствии с принципом аддитивности можно добиться заданных свойств плёнок с целью придания им определенных качеств, в частности, КЛТР, совпадающим с ЮГГР подложки в широком температурном диапазоне.

Анализ патентной и научно-технической литературы по синтезу и исследовали» свойств стекол в бесщелочных системах на основе тугоплавких оксидов позволил установить, что перспективным аморфным стекловидным материалом, предназначенным для межслойной изоляции тонкопленочных БГИС, является многокомпонентный стекловидный диэлектрик С-508 цельзиановой системы ВаО-А^О^-З^О^ (технические условия [№¿0.027.028 ТУ).

Стекло С-508 - устойчивый к кристаллизации стекловидный материал, согласованный по КЛТР с сигаллом СГ-ЬО в широком диапазоне температур, что обеспечивает низкие механические напряжения в пленках и высокую электрическую прочность межслойной изоляции. Стекло С-эОВ (технические услория ПБА0.027.028 ТУ) облада-

т высокой термостойкостью, химической стойкостью и влагостойкостью - свойствами, определяющими стабильность и воспроизводимом! параметров МДМ-структур на его основе.

, Имеющиеся литературные данные то кристаллизационной способности и свойствам стекол цельзиановой системы относятся к монолитным образцам. Поэтому использование выбранного диэлектрика в ВДМ-структурах ВГИС требует проведения комплекса исследований зависимостей комплекса свойств пленок на его основе от технологических ре'Кимов с последующей оптимизацией процесса их осаждения.

Анализ патентной и научно-технической литературы по мэтоди осаждения тонких пленок стекловидных диэлектриков показал, чт! наиболее перспективным низкотемпературным методом является ВЧ-ма гнетронное распыление со смещением. Благодаря удачному сочетани рада свойств метод имеет преимущества пород электрсшо-лучевы испарением, химическим осавдением из газовой фазы, плазмо-химнче ским осаждэгаюм и другими методами. Основными достоинствами ВЧ магнетронного распыления являются низкая темлература процесса пр высокой скорости осаждения, высокая чистота плэнок, высокая адге зия пленок к подложке и низкая юс пористость. Использование Е магнетронного распыления со смещением позволяет, также получит хорошее покрытие диэлектриком ступенек рельефа.

Отмеченные преимущества метода ВЧ-магнетронного распылеш со смешением позволяет ому находить 'все большое применение в ш кромектроншо для осаждения тонких пленок, ь-чзстности: в вк; сто- и оптсадекгроиике а -51, а-51:Н, а~Се:Н, йпО, БпОг, 1п?03, ШЬ03, (РЬ.Ьа) (2г ,Т1)(Х, РЬГггД'Ш.,, ВаТ10э- 5гТ103! при форм! реванш диффузионных барьеров Т1С; в МОП-приборах и ячейках пам: ти изолиру ыда пл-'аюк А1£03 и В13МЛ; Б10, обогащенных 1

качестве защитного слоя на ИМ?в{ для формирования тонких пленок ВГСП-кврамики различных составов; мажуровневой изоляции БГИС на основе И(Ш03; ме»уровневойт изоляции МОП-СБИС - 510а и т.д.

Однако, сведения о работах по ВЧ-магнэтронному осаждению со смещением пленок сложного состава ограничены. В них показана перспективность применения стекловидных диэлектриков с комплексом заданных свойств и метода ВЧ могнетронного осаждения пленок на их основе для межкомпонентной, мекуровневой изоляции и Оескорпусной защиты СБИС. Отмечается низкая пористость, высокие влагостойкость и электрофиьическив характеристики полученных пленок. На сегодняшний день существует проблема, касающаяся разработки технологий изготовления термостойких, надежных в эксплуатации мишеней для распыления диэлектрических материалов В промышленных условиях.

Незначительное количество и сравнительно невысокий технический уровень серийно изготавливаемого промышленностью отечественного оборудования требует разработки новых я модернизации су-дествующих систем ВЧ магнетрокного распыления, позволяющих раалн-зовывать процессы осаждения пленок, отвечающие современным требо-заниям промышленной технологии.

Во второй главе - "Метода подготовки образцов и методики не-зледованяя" - рассмотрен комплекс методик, используемых при про-зедении исследований в рамках настоящей работы, в-частности: синтеза многокомпонентного стекловидного материала С-608, осаждения тонких пленок на основе этого материала, исследования состава, ;труктуры и свойств пленок в зависимости от технологических реки-юв их осаждения, оптимизации режимов осаждения тонких пленок.

Представлена методика синтеза стекла С-6СВ, измельчения по-[ученного граяулята до необходимого размера частиц, необходимого

для получения порошковых и составных спекаемых мишеней.

Приводится методика многостадийной химической очистки, кото рой подвергались исследуемые образцы перед загрузкой в вакуумщ. камеру на позиции распыления. Отмечено, что предварительная обр?, ботка подложек в течение 15 минут в плазме ВЧ разряда позволяет повысить температуру подложек, вывести ее на стационарный режим Тпоал=(300-350)*С, устанавливающийся в процессе осаждения пленка и, тем самым, снизить термические напряжения в пленках, что сущр ственно до.я получения покрытий с низким уровнем пористости.

Осаждение тонких пленок многокомпонентного стекла 0-508 про водили с использованием разработанной планарной многокатодной ВЧ магнэтронной системы распыления, системой ионного травления, а также дисков™ подлоккодержателем. Конструкция была смонтирован», на Оаэе вакуумного поста установки "Катод-IM". Обе системы содержат устройства регулирования уровня подводимой ВЧ-мощности, позволяющие в широких пределах изменять условия проведения продасса-от"напыления до травления напыленных пленок диэлектрика.

Представленный комплекс методов исследования тонких пленок (Оже-спектроскопия, рентгенофазовый анализ, ИК-спектроскопия,растровая электронная микроскопия, волноводный метод, эллилсометрия, электрография и т.д. позволил установить характер и степень влияния технологических факторов процесса осаждения многокомпонентных стекловидных пленок на их качество, а также исследовать комплекс их физико-химических, электрофизических, оптических и др.свойств.

Полученная в результате применения данных методик исследования объективная информация обеспечила научно обоснованный выбор и оптимизацию режимов осаждения тонких пленок стекла С-508.

Третья глава - "Разработка конструкций ВЧ-магнвтронных споем распыления и исследование их технологических возможностей".

В последние года в производстве МС наблюдается тенденция постепенной замэ!ш высокотемпературных методов осаждения пленок низкотемпературными, среди которых основная роль принадлежит магне--грошшм распылительным системам.

На базе вакуумного поста серийно изготавливаемой установки "Катод-1М" была разработана и изготовлена высокоэффективная ВЧ-магнетронная система распыления со смещением горизонтального типа (КД ЦЛ 7970-4069) с тремя магнетронными катодами, работающими от одного ВЧ-генэрагора. Благодаря использованию машетронного катода удалось совместить возможности систем диодного ВЧ распыления со смещением и преимущества высокоскоростного распыления в скрещенных электрическом и магнитном шлях. Отмечены преимущества использования широкополосного устройства согласования в системах распыления с несколькими магнетронными катодами и регулируемым Напряжением смещения подлоккодэржателя. Система распыления обеспечивает высокие скорость осаздэния пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-508 (до I мкм/час) и равномерность осажденных пленок (не хуже +53& по толщине на подложках размером €5 мм и не хуке ±7% на подложках размером до 100 мм).

Проведенная оценка эффективности работа системы распыления по критерию относительной энергии бомбардировки электродов позволила ограничить область поиска оптимальных режимов осаждения плэнок. ^а основе анализа масс-спектра атмосферы остаточного газа установлена необходимость проведения предварительного ВЧ-магнетронного фавления для очисгки поверхностей мишеней и подложек перед осаждением, а тага® режимы проведения этой технологической операции.

Исследованы характеристики процесса ВЧ магнетронного осаждения и травления в едином вакуумном цикле. Установлено, что зависимость скорости осаждения от уровня подводимой ВЧ мощности носит линейный характер. Получены зависимости скорости ВЧ магне-трошюго травления диэлектрических пленок от напряжения смещения подлоюсодержателя и рабочего давления в камере. На основании этих экспериментальных данных сделан вывод о возможности реализации нг данном оборудовании процесса планаризвции методом ВЧ магнетронного осаждения со смешением.

Разработана конструкция и технология изготовления (технологическая инструкция ЛШ.25200.00079), исследованы характеристики составных спекаемых мишеней из многокомпонентного стекловидного материала С-508. Показано, что использование таких мишене{ позволяет решить проблему терчической устойчивости диэлектрических мищеней для распыления, они экономичны и удобны в1 эксплуатация. По дмшым предварительных исследований установлена величин« оптимального давления прессования я£00 кГ/см2. Для прессованш элементов мишени использовали специально изготовленную прессфор-му. Разработанная технология базируется на результатах предварительных испытаний с последующей оптимизацией режимов прессования термообработки и способов механической обработки спекаемых элемэ нтов мишени. К'преимуществам таких мииеней относится возможност! разметания как в горизонтальном, так 'и в вертикальном положении они применимы для многих существующих систем распыления, в то! число в линиях непрерывного действия (ЛНД) со шлюзовой загрузкой

Для описанных выше составных мишеней впэрвнв в СССР нами был: разработана и смонтирована па базе в&куумнсло п.ч'тя установки УВ 62II-3 система ВЧ магнетронного рчсгшения вертикального типа ■

- 17 - ц

двумя составными спекаемыми мишенями (ВД ЦЛ 7970-4068) на базе вакуумного поста установки УВН 62П-3. На основании полученных результатов разработана конструкция магнетрона, обеспечивающая равномерность осаждаемых пленок не хуже 2$.

Исследованы зависимости скорости осавдения тонких пленок ряда диэлектрических материалов для системы распыления с составными спекаемыми мишенями от параметров процесса осаждения. Отмечена аналогия с соответствующими зависимостями для системы распыления на базе вакуумного поста установки "Кетод-1М". Установлены типичные технологические режимы осаждения для ряда диэлектрических материалов: подводимая БЧ мощность (1,20-1,2Ь) кВт, давление аргона (0,3-0,7) Па, содержание кислорода (5 1)%.

В четвертой главе - "Исследование зависимости состава, структуры и свойств тонких пленок многокомпонентного стекла С-508 от технологических параметров их осаждения" - приведены результаты исследований зависимостей состава, структуры и свойств тонких пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-508 системы ВаО-А^Од-Й'с^ от технологических рек^мов их осаждения методом ВЧ-магнетронного распыления со смещением.

Отсутствие экстремумов на кривых ДТА, снятых при нагревании до 1073 С, позволяет утверждать, что в исследуемых образцах стекла С-508 не образуется кристаллическая фаза и они сохраняют свою аморфную структуру в рассматриваемом температурном интервале.

Характерное "галло" на рентгеновских спектрах исследуемых образцов тонких пленок стекла С-ООВ позволило заключить, что в тонких Пленках сохраняется аморфная структура, характерная для материала С-Ь08.

Результаты Оже-спсктроскопического анализа позволили конста-

тировать, что исследуемые образцы пленок стекла С-508 имели равномерное распределение химических элементов по толщине. Характерная особенностью переходной области пленка-подложка является достаточно резкое изменение химического состава по толщине, что, очевидно, обусловлено использованием для осаждения пленок многокомпонентного стекла низкотемпературного метода - ВЧ-магнетронного распыления. В области собственно диэлектрической пленки интенсивность Оже-пиков составляющих ее элементов практически постоянна.

Исследования зависимости состава пленок стекла С-508 от концентрации кислорода в рабочей смеси газов показали, что содержание кислорода в пленке несколько снижается при уменьшении концентрации кислорода в рабочей смеси газов. Для установления содержания кислорода в пленке на уровне, близком стехиометрическому, достаточно добавления кислорода к аргону во время осаждения (около

По фэрме и положению основной полосы ИК-спектров поглощения 510г определены условия, близкие к оптимальным для формирования пленок стокла С-508 стехиометрического состава по кислороду: напряжение смещения подложек иеЬ=(-20...-40)В при концентрации кислорода в рабочей камере свыше (2,5-3,0)%.

Установлено, что влагостойкость кленок соответствует I гидролитическому классу, а химическая устойчивость пленок несколько ниже аналогичных данных для монолитного стекла.

В рамках исследования электрофизических свойств МДМ-структур установлено, что диэлектрическая проницаемость пленок многокомпонентного стекла С-508 слас зависит от давления и состава аргон-кислородной смеси газов и подводимой ВЧ мощности, а тангенс угла

диэлектрических потерь незначительно увеличивается с ростом давления газа. При 11>ь>-80 В начинает проявляться влияние избыточной ионной бомбардировки подложек, нарушающей стехиометрию состава материала пленки. Механизм пробоя пленок С-508 хорошо описывается теорией пробоя пленок аморфных диэлектриков и соответствует модели электрического пробоя. Определены режимы ВЧ-магдатронного оса-вдения, при которых наблюдались наивысшие значения электрической прочности пленок многокомпонентного стекла С-508 (до 6-Ю6 В/см).

Данные, полученные при исследовании влияния условий осаждения тонких пленок С-508 на величину их оптического показателя преломления п коррелируют с результатами ИК-сдактроскопических исследований и позволяют установить границы режимов получения пленок со свойствами, Слизкими исходному материалу.

Проведенные исследования скорости жидкостного химического травления в зависимости от параметров процесса осаждения пленок стекла С-508 свидетельствуют:

- пленки, полученные при более высоких давлении рабочего газа и скорости осаждения, имеют болэе высокую скорость травления;

- скорость травления пленок стекла слабо зависим от парциального давления кислорода в рабочей газовой смэси при его содержании >(3~5)Я.

Установлено, что скорость химического травления пленок в трявителе на основе плавиковой кислоты зависит от напряжения смещения подложек и.минимальна при значениях ПЛ«-(20...40)В.

Исследования зависимости остаточных напряжений в пленках от условий осаждения показали, что. во всех случаях напряжения имели сжимающий характер й составляли величину менее (г-1-10~®)Па.

Систематические исследования зависимостей свойств много-

компонентных стекловидных пленок на основе материала С-608 от режимов их осаждения позволили выделить наиболее значише параметры технологического процесса и определить интервалы их варьирования. Методами статистического моделирования и математической обработки результатов эксперимента определены зависимости пористости пленок и их оптического показателя преломления от основных технологических параметров процесса ВЧ магнэтронного распыления: ВЧ мощности, давления газовой смеси в камере, напряжения смещения подложек. С использованием минимального числа опытов рассчитано оптимальное сочетание технологических параметров процесса ВЧ маг-нетронного распыления: уровень ВЧ мощности - 1,60 кВт, давление аргон-кислородной смеси - 0,64 Па, напряжение смещения подложек -(-20 В). Уровень пористости полученных при таких режимах пленок составил величину порядка 33 см"2, а величину оптического показателя преломления п=1,505, соответствующую измеренному значению для монолитного образца материала.

В пятой главе - "Применение тонких пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-508 в микроэлектронике" предложен комплекс возможннх применений в микроэлектронике тонких пленок многокомпонентного стекла С-508, полученных, методом ВЧ-магнетрон-ного осаждения со смещением.

С помощью растровой электронной микроскопии установлено, что процесс жидкостного химического травления сопровождается сглаживанием профиля ступеньки диэлектрика. Экспериментально установлено, что угол при основании ступеньки зависит от длительности обработки в травителэ на основе плавиковой кислоты, но не зависит от ее концентрации; кинетика процесса формирования профиля травления обусловлена диффузией травигеля. Определены условия и зако-

номерности образования пологого края рисунка диэлектрика. Получении е результаты использованы при разработке технологического процесса изготовления МТКП (ТОЩ. 01201.00030). На способ химического травления, заключающийся в формировании на поверхности образца защитной маски из предварительно напыляемой пленки редкоземельного металла, в частности, У, получено авторское свидетельство на изобретение (А.с.СССР *1380540).

Разработан технологический, процесс изготовления МТКП БГИС с использованием тонких пленок многокомпонентного стекла С-508 системы БаО-А^Од-МО^, полученных ВЧ-магнетронным осаждением, в качестве межуровневого диэлектрика (УЩД.01201.00030). Приведены основные параметры МТКП на основе пленок С-508 с металлизацией у-а1-у и результаты испытаний микросборок, изготовленных согласно разработанной технологии.

Полученные МТКП БГИС имеют следующие основные параметры:

- толщина перемычек первого слоя - 0,6-0,7 мкм;

- толщина проводников второгс слоя - 1.3-1,5 мкм;

- толщина межсловного диэлектрика - 1,5-1,8 мкм;

- паразитная емкость пересечений проводников разных уровней -<1,5 пФ ;

- сопротивление изоляции - >10*® Ом. м;

- контактное сопротивление проводников разных уровней - 0,01 Ом;

- диапазон удельных сопротивлений резисторов - 250-10000 Ом/□;

- диапазон рабочих температур —60...+250 'С;

- выход годных ВДМ-структур - 99,8 %.

Разработана технология подгонки фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с использованием ВЧ магнетронного оспк ■ дэния со смещением пленок стекла С-508 и последующего ВЧ нагнет

рытого травления поверхности структуры. Полученные результаты использованы в технологии изготовления экспериментальных образцов фильтров на ПАВ. Определены основные параметры устройств.

Показана перспективность использования разработанной технологии ВЧ магнетронного осаждения со. смещением многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-508 для изготовления элементов интегрально-оптических схем.

общие вывода.

1. Сформулирован комплекс требований к диэлектрическим материалам,. используемым для разделения уровней металлизации многослойных тонкопленочных структур в технологии СБИС и БГИС. Проведен анализ применимости тонких пленок различных диэлектрических материалов в качестве межуровневой изоляции МТКП БГКС. Показана перспективность использования в качестве межслойной изоляции БШС многокомпонентных стекловидных диэлектриков, обладающих уникальным комплексом химических, механических и электрофизических свойств.

2. Результатом проведенного анализа стал выбор многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-508 системы БаО-АЛ^Од-ЗЯ^. Выбор состава стекла обусловлен тем, что этот материал обладает высокими физико-химическими и электрофизическими свойствами, является устойчивым к кристаллизации, согласован по КЛТР о ситаллом в широком интервале температур. Это обеспечивает низкий уровень остаточных напряжений в системе пленка-подложка и высокую электрическую прочность диэлэ- .рической межслойной изоляции. Кроме того, стекло С-508 обладает высокой термостойкостью, химической

стойкостью и влагостойкостью - свойствами, необходимыми для изготовления МДМ-структур БГИС со стабильными воспроизводимыми параметрами.

3. Анализ патентной и научно-технической литературы по методам осаждения топких пленок стекловидных диэлектриков показал, что наиболее перспективным является метод ВЧ магнетронного распыления, обеспечивающий воспроизводимость свойств от монолитных образцов к пленке. Благодаря удачному сочетанию ряда свойств метод имеет преимущества перед электронно-лучевым испарением, химическим осаждением из газовой фазы, плазмо-химичэским осаждением и другими методами. Основными достоинствами ВЧ-магнетрониого распыления являются низкая температура процесса при высокой скорости осаждения, высокая чистота пленок, высокая адгезия пленок к подложке и низкая их пористость. Отмечена необходимость разработки новых систем ВЧ магнетронного распыления, позволяющие реализовать процессы осаждения пленок, отвечающие современным требованиям. Необходимо также дальнейшее совершенствование конструкций и разработка технологии изготовления термостойких и надежных в эксплуатации мишеней для ВЧ магнетронного распыления, отвечающих требованиям промышленного использования.

4. Разработана и изготовлена ВЧ магнетронкая система распыления со смещением горизонтального типа на базе вакуумного поста установки "Катод-1М" с тремя магнетронными катодами, работающими от одного источника. Система распыления обеспечивает высокие ско рость осяадения пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-500 (до I мкм/чяс) и равномерность осажденных пленок (не хуже +5% по толщине на подложках размером 65 мм и не хуже ±7% на подложках размером до 100 мм). Проведена оценка эффективности си -

стемы распыления по критерию относительной энергии бомбардировки электродов. Экспериментально установлена необходимость проведения предварительного ВЧ магнетронного травления для очиотки поверхностей мишеней и подложек перед осавдением, а также режимы этой техно логической операции.

5. Исследованы характеристики процесса ВЧ магнетронного осаждения и травления в едином вакуумном цикле. Установлено, что зависимость скорости осаждения от уровня подводимой ВЧ мощности носит линейный характер. Получены зависимости скорости ВЧ-магнет-ронного травления диэлектрических пленок от напряжения смещения подлоюсодержателя, состава и давления газа в камере. На основании атих экспериментальных данных сделан вывод о возможности реализации на данном оборудовании процесса пданаризации методом ВЧ-маг-нотронного осаждения со смещением.

6. Разработана конструкция и технология изготовления (технологическая инструкция МВД.25200.Q0Q79), исследованы характеристики составных спекаемых мишеней из многокомпонентного стекловидного материала С-Б08. Показано, что использование таких мишеней позволяет решить проблему термической устойчивости диэлектрических мишеней для распыления, они вкономичны и удобны в эксплуатации. Впервые в СССР разработана и изготовлена система ВЧ магнетронного распыления вертикального типа с двумя составными спекаемыми мишенями на базе вакуумного поста установки УВК 62П-3 (A.c. СССР AIS35589). Исследованы характер распределения индукции магнитного поля магнетрона, а также зависимость величины ее вертикальной составляющей от расстояния до поверхности магнетрона. На уровне мишени величина ма: игной индукции составила (0,35-0,60)1, что соответствует литературным данным. На основании полученных

результатов разработана конструкция магнетрона, обеспечивающая равномерность осаждаемых пленок не хуже +3£.

7. Проведены исследования зависимостей состава, структуры и свойств тонких пленок многокомпонентного стекловидного диэлектрика С-508 системы Ba0-Al203=-S102 от технологических режимов их осаждения методом ВЧ магнетронного распыления со смещением. Установлено, что исследуемые пленки однородны по химическому составу и имеют аморфную структуру. Систематические исследования зависимостей свойств пленок многокомпонентного стекловидного материала С-508 (влагостойкость, скорость травления, оптический показатель преломления, пористость, электрофизичекие свойства) от режимов их осаждения позволили выделить наиболее значимые параметры техноло--гического процесса и определить интервалы их варьирования. Методами статистического моделирования и математической обработки результатов эксперимента с использованием минимального числа опытов рассчитано оптимальнее сочетание технологических параметров процесса ВЧ магнетронного распыления: уровень ВЧ мощности - 1,60 кВт, давление аргон-кислородной смеси -0,64 Па, напряжение смещения подложек - (-20 В). Уровень пористости полученных при таких режимах пленок составил 33 см-5, а величина оптического показателя преломления п=1,505, что соответствует измеренному значению для монолитного образца материала.

8. Исследована технология жидкостного химического травления со сглаживанием профиля ступеныси диэлектрика. Экспериментально было установлено, что угол при основании ступеньки зависит от длительности обработки в травителе на основе плавиковой кислоты, но не зависит от ее концентрации. Определено, что кинетика процесса формирования профиля травления обусловлена диффузией трави-

теля. Определены условия и закономерности образования пологого края рисунка диэлектрика. Полученные результаты были использованы при разработке технологического процесса изготовления МТКП (УЩЦ. 01201.00030). Нз способ химического травления, заключающийся в формировании на поверхности образца защитной маски из предварительно напыляемой пленки редкоземельного металла, в частности, У, получено аБторское свидетельство на изобретете (А.с.СССР ^1380540).

' 9.Разработан технологический процесс изготовления ЫТКП БГИС с использованием тонких пленок многокомпонентного стекла С-508 системы ВаО-А^Од-БЮ^, полученных ВЧ магнетрошшм осаждением, в качестве мекуровневого диэлектрика (УЩЦ. 01201.00030). Технологический процесс используется ка Омском приборостроительном заводе им.Козицкого для изготовления специализированных микросборок изделия IV поколения "Бригантина". Приведены сновные параметры МТКП на основе пленок С-508 с металлизацией Х-А1-У (У-А1-Л1) и результаты испытаний микросборок, изготовленных согласно разработанной технологии. Проведена вероятностная оценка повышения выхода годных МТКП из-за использования в технологическом процессе двухслойного мекуровневого диэлектрика.

10. Разработана технология подгонки фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с использованием ВЧ магнетронного осаждения со смещением пленок стекла С-508 и последующего ВЧ магнетронного травления поверхности структуры. Полученные результаты использованы в технологии изготовления экспериментальных образцов фильтров на ПАВ. Определены основные параметры полученных устройств.

II. Показана перспективность использования разработанной тех-

нологии ВЧ-магнетронного осавдекия со смещением многокомпонентно го стекловидного диэлектрика C-bOÖ для изготовления элементов интегрально-оптических схем.

Работ», опубликованные по теме диссертации

1. Формирование методом ВЧ-магнетронного распыления стекловидных диэлектрических пленок для межслойной изоляции тонкоНлено-чных БШС и исследование их свойств./Петрова В.З., Кошелев H.H., Перелыгин И.З., Корж И.А..- III Всесоюзная НТК "Состояние и перспективы развития гибридной технологии и ШС в приборостроении", 4-6 июня 199I г., Ярославль, 1991, с.104.

2. Перелыгин И.З., Петрова В.З., Корж H.A. Осаждение бездефектных диэлектрических плёнок методом высокочастотного магне-тронного распыления.- Материалы 7 отраслевой НТК "Тонкие плёнки в производстве полупроводниковых приборов и ИС"; октябрь 1990, Махачкала,- М., 1990, с.70.

3. A.c. СССР № 1380540; №D1 ГОН 21/312, СОЗГ 7/26. 1986. Способ получения рельефа в диэлектрической подложке. /Перелыгин И.З., Корж И.А./.

4. A.c. СССР » 1635589. МКИ С23С 15/00. 1989. Катодный узел магнетронного распылительного устройства./ Перелыгин И.З., Корж И.А., Кошелев Н.И./

Ь. Корж И.А., Перелыгин И.З. Осаждение диэлектрических пленок методом ВЧ^распыления.- Техника средств связи, Сер.ТПО, науч.-техн.сб., 1988, вып.1, с»49-Ь5.

6. Перелыгин И.З., Корж И.А. Составные керамические мишени для систем высокочастотного магнетронного распыления. Материалы и новые технологические процессы в микроэлектронике: Сб.научн.тр. - Киев, ИПМ АН УССР, 1989, с.26-29.

7. Перелыгин И.З., Корж И.А. Технология осаждения тонких диэлектрических пленок и система высокочастотного магнетронного распыления на базе установки "Катод-1М". Тезисы докладов Юбилейной НТК Омского ПО "Прибор". Омск, 1988, с.172.

8. Корж И.А., Перелыгин И.З., Давыденко С.И. Составные керамические мишени для систем ВЧ-магнетронного распыления.-Тезисы докладов Юбилейной НТК Омского ПО "Прибор", Омск,1988, с.172.

9. Перелыгин И.З., Корж И.А., Давыденко С.И. Технология осаждения тонких диэлектрических плёнок и система высокочастотного магнетронного распыления на базе установки УВН 62П-3. Тезисы докладов Юбилейной НТК Омского ПО "Прибор", Омск, 1988, с.169.

10. Перелыгин И.З. Осаждение тонких плёнок силикатов редкоземельных элементов высокочастотным магнетронным распылением. Тезисы докладов НТК Омского ПО "Прибор", Омск, 1988, с.168.

11. Химический и фазовый состав многокомпонентных силикатных пленок для межслойной изоляции ИС./ Сахаров Ю.Г,, Будаговский С.С., Жарковский Е.М., Перелыгин И.З. - Аналитические методы исследования материалов и изделий микроэлектроники. Материалы Ь-й науч.-техн. конф., сент. 1989, с.240.

12. Разработка технологии изготовления сверхузкополосных фильтров на ПАВ с использованием методов ВЧ-магнетронного распыления и травления./ Зима В.Н., Корж И.А., Кизиитов К.М., Перелыгин И.З.- Всесоюзн. НТК "Акустоэлектронкые устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах" (6-8 сент.1990г. Черкассы),- 11.,1990, с.40'з-404.

13. Новая технология многоуровневых тонкопленочных ИС. /Корж И.А., Столетов И.С., Пе^ .¡лыгин И.З., Дорохина Г.С. - НТК "Проблемы создания аппаратуры радиосвязи и радиоэлектронных устройств пар,-хоз. и бытов. назначения", Омск 1990 г.

14. Перелыгин И.З., Корж И.А., Давыденко С.И. Разработка системы ВЧ-магкетронного распыления для получения бездефектных диэлектрических покрытий ИС. - Материмы 7 отраслевой НТК "Тонкие пленки ав производстве полупроводниковых приборов и ИС", октябрь 1990, Махачкала, М., 1990, с.144.

15. Столетов И.С., Перелыгин И.З., Коря H.A. Новые структуры металл-диэлектрик-металл для создания ИС с многоуровневой коммутацией.- Материалы 7 отраслевой НТК "Тонкие пленки в проивод-стве,полупроводниковых приборов и ИС", октябрь 1990, Махачкала, М., 1990, с.61.

16. Контроль качества диэлектрических пленок волноводным методом./ Катин М.В,, Столетов И.С., Корж И.А., Перелыгин И.З. -Материалы 7 Отраслевой НТК "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и ИС", октябрь 1990, Махачкала, М., 1990,"с.189.

17. Новая технология многоуровневых гибридных интегральных схем./ Корж И.А., Столетов И.С., Перелыгин И.З., Дорохина Г.С. -III Всесоюзная НТК "Состояние и перспективы развития гибридной технологии и ГИС в приборостроении", 4-5 июня 1991 г.,' Ярославль, 199I, с.105.

18. Контроль качества диэлектрических пленок волноводным методом;/ Катин М.Б., Столетов И.С., Корж И.А., Перелыгин И.З. -III Всесоюзная НТК "Состояние и перспективы развития гибридной технологии и П1С в приборостроении", 4-6 июня 1991 г., Ярославль, 1991, с.125. ■

19.- Отчет по НИР "Разработка и внедрение технологии изготовления микросборок с многоуровневой коммутацией и фильтров на ПАВ

с малыми вносимыми потерями для перспективной АПОИ 4-5 поколений" Шифр "Бук". » гос. регистрации У63876 от 22.02.90, с.17-20, 53-77, 78-81, 87-91.

20. Технический отчет по ОКР "Разработка технологии изготов-

-30 -

ц

ления БГИС, пьезоэлектрических устройств на ПАВ и других устройетв микроэлектроники с целью создания гибкого автоматизированного производства С ГАП) микроэлектронных устройств для аппаратуры средств связи 4 поколения". Шифр "Кристалл-85". № гос.регистрации Ф19964 от 20.07.83, с.28-37.

21. Отчет по НИР "Разработка ШС и СБИС, микросборок под гибкое автоматизированное производство, фильтров.на ПАВ с малыми вносимыми потерями, миниатюрных кварцевых фильтров для АПОИ 4-5 поколений". Шифр "Ливень-1",. Книга 2. Часть I. Разработка микросборок. № гос. регистрации Ф28675 от 8.07.86,' с.78-94.

22. Отчет по НИР "Исследование, разработка технологии и установки ионного травления для изготовления сверхузкополосных фильтров на ПАВ длячАП0И 5-го поколения"; Шифр "Залив-Г'. № гос. регистр. У59501 от 28.06.89, с.32-56.

23. Отчет по ОКР "Разработка технологических процессов и проведение технологической подготовки производства микросборок

с использованием элементов АСК для аппаратуры профиля ПО "Прибор". ' Шифр "Базис". » гос. регистр. $9678Ь от 23.06.90, с.4-12.

Заказ !! тира» 100 объем 1,25 уч. иза-л 3-Н & 444/р,СП Бесплатно Отпечатано в типографии (МИЗГ)