RU2229182C1 - Method for evaporating embossed substrates - Google Patents

Abstract

FIELD: microelectronics, plasma technology for manufacturing microelectronic items. SUBSTANCE: proposed method used for manufacturing microelectronic devices in the course of evaporating metal on structures incorporating submicron-sized components involves following procedures. During starting of microwave exponential discharge in vacuum chamber holding inert gases ions of these gases knock metal atoms out of metal target. Negative voltage of several hundreds of volts is applied to target to speed up motion of ions. Concentration of electrons is increased by means of set of permanent magnets designed to build up magnetic field of acute-angled (simple cusp) configuration. Degree of ionization of evaporated metal atoms and flow of metal ions evaporated onto substrate are controlled by pulse mode of current density on target. Enhanced degree of metal atom ionization ensures uniform thickness of metal films produced on inner surfaces of submicronsized embossed structures with depth-to-width ratio of 5 10. EFFECT: improved quality of evaporated metal films. 1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технологии производства изделий микроэлектроники и может быть использовано для процесса металлизации структур с субмикронными размерами элементов. В настоящее время при создании нового поколения гибридных интегральных микросхем используются рельефные подложки с глубиной (h) канавок в 5-10 раз больше их ширины (d), размеры которых менее 0,25 мкм. Таким образом, аспектное отношение для них h/d=5-10. Естественно, что обеспечение равномерного напыления таких узких канавок и отверстий представляет технологические трудности.The invention relates to a plasma technology for the production of microelectronics products and can be used for the metallization process of structures with submicron sizes of elements. Currently, when creating a new generation of hybrid integrated circuits, relief substrates are used with a depth (h) of grooves 5-10 times their width (d), whose dimensions are less than 0.25 microns. Thus, the aspect ratio for them is h / d = 5-10. Naturally, ensuring uniform spraying of such narrow grooves and holes presents technological difficulties.

Обычно напыление подложек осуществляется в вакуумной камере путем зажигания разряда в нейтральном газе (аргон, криптон, ксенон), ионы которых, фокусируемые магнитным полем, попадают на мишень и выбивают из металлической мишени (алюминий, медь, титан и др.) атомы металлов, которые под различными углами осаждаются на подложке (см., например, Б.С. Данилин. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М.: Энергоатомиздат, 1989, стр. 63-120) - аналог.Usually, the substrates are deposited in a vacuum chamber by igniting a discharge in a neutral gas (argon, krypton, xenon), whose ions, which are focused by a magnetic field, hit the target and knock out metal atoms from the metal target (aluminum, copper, titanium, etc.), which at various angles are deposited on a substrate (see, for example, BS Danilin. The use of low-temperature plasma for applying thin films. M: Energoatomizdat, 1989, pp. 63-120) - analogue.

Управлять потоком нейтральных атомов металла невозможно. Поэтому напыление глубоких рельефных канавок и отверстий при таком методе далеко неравномерно. На вершине канавки образуется навес из металла, который закрывает доступ атомов металла внутрь, в результате чего дальнейшая металлизация канавки прекращается. Недостаток данной технологии аналога иллюстрируется фиг.1.It is impossible to control the flow of neutral metal atoms. Therefore, the deposition of deep relief grooves and holes with this method is far uneven. At the top of the groove, a canopy of metal is formed that closes the access of metal atoms inward, as a result of which the further metallization of the groove ceases. The disadvantage of this analog technology is illustrated in figure 1.

Чтобы провести металлизацию узкого отверстия, необходим поток частиц, падающий на подложку по нормали. Эту проблему можно решить с помощью ионизации распыленных атомов металла на их пути от мишени к подложке, так как на ионы можно воздействовать внешним магнитным и/или электрическим полями. Эффект напыления при падении ионов по нормали к подложке иллюстрируется фиг. 2.In order to metallize a narrow hole, a particle flow is required that is incident on the substrate along the normal. This problem can be solved by ionizing atomized metal atoms on their way from the target to the substrate, since ions can be affected by external magnetic and / or electric fields. The effect of sputtering when ions fall normal to the substrate is illustrated in FIG. 2.

Существуют несколько способов решения данной задачи. Один из них - совмещение магнетронного и индуктивно связанного источников [см., например, 1. S.M. Rossnagel. Directional and ionized physical vapour deposition for microelectronics application. J. Vac. Sci. Technol. 1998, V.16B, №5, p. 2600 - аналог; 2. J.M. Schneider, S. Rohde, W.D. Sproul, A. Matthews Recent developments in plasma assisted physical vapour deposition. J. Phys. D: Appl. Phys. 2000, V.33, p.180 - аналог].There are several ways to solve this problem. One of them is the combination of magnetron and inductively coupled sources [see, for example, 1. S.M. Rossnagel. Directional and ionized physical vapor deposition for microelectronics application. J. Vac. Sci. Technol. 1998, V.16B, No. 5, p. 2600 - analogue; 2. J.M. Schneider, S. Rohde, W.D. Sproul, A. Matthews Recent developments in plasma assisted physical vapor deposition. J. Phys. D: Appl. Phys. 2000, V.33, p.180 - analogue].

В способах-аналогах между магнетроном и подложкой устанавливаются несколько витков обмотки, охватывающей высокочастотным электромагнитным полем объем плазменного пространства с частотой 13.56 МГц. Распыленные атомы металла ионизуются на пути от мишени магнетрона к подложке. Степень ионизации металла достигает 30%, а вклад потока ионов металла в полный поток, учитывая значительно большую скорость ионов, меняется от 20% при давлении 0,5 Па до 80% при 5 Па. Недостаток данного способа заключается в использовании достаточно низкого вакуума (высокого давления - 3-5 Па), при котором имеет место эффективная ионизация атомов металла. При таких давлениях длина свободного пробега распыленных атомов металла составляет 1-3 мм, они испытывают десятки-сотни столкновений на пути от мишени до подложки, многие из них рассеиваются и не попадают на нее, что приводит к уменьшению скорости образования металлической пленки. Скорость роста пленки нельзя повысить увеличением мощности распыляемого магнетрона. При больших мощностях магнетрона, когда концентрация атомов металла превышает концентрацию аргона, качество металлизации ухудшается. Так как потенциал ионизации металла меньше, чем аргона, преобладание атомов металла приводит к понижению температуры плазмы и, как следствие, уменьшению ионизации металла. Кроме того, при давлениях 3-5 Па вследствие нагрева атомов аргона его концентрация уменьшается, что в свою очередь также уменьшает вероятность ионизации атомов металла.In analogue methods, several turns of the winding are installed between the magnetron and the substrate, covering a volume of plasma space with a frequency of 13.56 MHz with a high-frequency electromagnetic field. The atomized metal atoms ionize on the way from the magnetron target to the substrate. The metal ionization degree reaches 30%, and the contribution of the metal ion flux to the total flux, taking into account the significantly higher ion velocity, varies from 20% at a pressure of 0.5 Pa to 80% at 5 Pa. The disadvantage of this method is the use of a sufficiently low vacuum (high pressure - 3-5 Pa), in which there is an effective ionization of metal atoms. At such pressures, the mean free path of atomized metal atoms is 1-3 mm, they experience tens to hundreds of collisions on the way from the target to the substrate, many of them scatter and do not fall on it, which leads to a decrease in the rate of formation of the metal film. The film growth rate cannot be increased by increasing the power of the sprayed magnetron. At high magnetron powers, when the concentration of metal atoms exceeds the concentration of argon, the metallization quality deteriorates. Since the metal ionization potential is lower than argon, the predominance of metal atoms leads to a decrease in the plasma temperature and, as a consequence, to a decrease in the metal ionization. In addition, at pressures of 3-5 Pa, due to heating of argon atoms, its concentration decreases, which in turn also reduces the likelihood of ionization of metal atoms.

Ближайшим аналогом может служить установка с плоской металлической мишенью, выпускаемая корпорацией ASTeX [см., например, S.M. Rossnagel. Directional and ionized physical vapour deposition for microelectronics application. J. Vac. Sci. Technol. 1998, V.16B, №5, p.2598]. В способе ближайшего аналога плазму с высокой концентрацией (>10¹¹ см^-3) получают при давлении порядка 0,13 Па. Это достигается использованием сверхвысокочастотного разряда, при котором плазма создается в магнитном поле в результате эффективного поглощения СВЧ-волны в условиях электрон-циклотронного резонанса (ЭЦР). Недостатки подобных систем следующие:The closest analogue is a flat metal target manufactured by ASTeX [see, for example, SM Rossnagel. Directional and ionized physical vapor deposition for microelectronics application. J. Vac. Sci. Technol. 1998, V.16B, No. 5, p.2598]. In the closest analogue method, high concentration plasma (> 10 ¹¹ cm ^-3 ) is obtained at a pressure of the order of 0.13 Pa. This is achieved by using a microwave discharge, in which the plasma is created in a magnetic field as a result of efficient absorption of a microwave wave under electron-cyclotron resonance (ECR) conditions. The disadvantages of such systems are as follows:

- степень ионизации распыленных атомов металла не превышает 50%;- the degree of ionization of atomized metal atoms does not exceed 50%;

- для установок с плоским катодом высока вероятность радиационных повреждений подложки высокоэнергетичными вторичными электронами с подложки;- for installations with a flat cathode, there is a high probability of radiation damage to the substrate by high-energy secondary electrons from the substrate;

- радиальная неоднородность получаемых металлических пленок на подложке.- radial inhomogeneity of the obtained metal films on the substrate.

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в обеспечении возможности получения металлических пленок равной толщины (конформной металлизации) на внутренних поверхностях субмикронных рельефных структур с отношением глубины к ширине 5-10 путем увеличения степени ионизации атомов металла за счет:The problem solved by the claimed method is to provide the possibility of obtaining metal films of equal thickness (conformal metallization) on the inner surfaces of submicron relief structures with a ratio of depth to width of 5-10 by increasing the degree of ionization of metal atoms due to:

1) установки около мишени магнитов, создающих магнитное поле касповой конфигурации,1) the installation of magnets near the target, creating a magnetic field of the casp configuration,

2) дополнительной фокусировки по нормали падающего на подложку потока ионов металла магнитным полем этих магнитов,2) additional focusing along the normal of the flow of metal ions incident on the substrate by the magnetic field of these magnets,

3) подачи на мишень импульсов тока большой амплитуды.3) feeding to the target current pulses of large amplitude.

Поставленная задача решается тем, что в способе напыления рельефных подложек, включающем ионное распыление металлических мишеней в плазме высокой плотности, создаваемой в условиях электрон-циклотронного резонанса, направление потока ионов металла на подложку, дополнительно вдоль пути движения ионов на подложку и около мишени создают магнитное поле касповой конфигурации, а степень ионизации распыленных атомов металла и управление потоком осаждаемых на подложке ионов металла регулируют импульсным режимом плотности тока на мишени.The problem is solved in that in a method for spraying relief substrates, including ion sputtering of metal targets in a high-density plasma created under electron-cyclotron resonance conditions, the direction of the flow of metal ions onto the substrate, additionally, along the path of movement of ions on the substrate and near the target, creates a magnetic field of the cusp configuration, and the degree of ionization of the atomized metal atoms and the control of the flow of metal ions deposited on the substrate are controlled by the pulsed current density on the target.

Изобретение поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

фиг.1 - напыление канавки подложки при разнонаправленном движении атомов металла;figure 1 - spraying of the grooves of the substrate with the multidirectional movement of metal atoms;

фиг.2 - напыление канавки подложки при движении ионов металла по нормали к подложке;figure 2 - spraying the grooves of the substrate during the movement of metal ions along the normal to the substrate;

фиг.3 - вольт-амперная характеристика мишени с постоянными магнитами и без них;figure 3 - current-voltage characteristic of the target with permanent magnets and without them;

фиг.4 - зависимость степени ионизации распыленных атомов алюминия и степени ионизации потока от импульсного режима напряжения на мишени;figure 4 - dependence of the degree of ionization of atomized aluminum atoms and the degree of ionization of the flow from the pulse voltage mode on the target;

фиг.5 - схема установки, реализующей способ.5 is a diagram of an installation that implements the method.

Техническая сущность изобретения состоит в следующем. При зажигании в вакуумной камере с инертным газом (аргон, криптон, ксенон) СВЧ-ЭЦР разряда ионы этих газов выбивают из металлической мишени (алюминий, медь, титан и др.) атомы металла. Для ускорения движения ионов на мишень подается отрицательное напряжение в несколько сот вольт. Поток нейтральных атомов металла на пути длиной 10-20 см от мишени до подложки ионизуется в плазме в результате столкновений с электронами.The technical essence of the invention is as follows. When ignited in a vacuum chamber with an inert gas (argon, krypton, xenon), a microwave-ECR discharge discharges the ions of these gases from metal targets (aluminum, copper, titanium, etc.) metal atoms. To accelerate the movement of ions, a negative voltage of several hundred volts is applied to the target. The flow of neutral metal atoms on a path 10-20 cm long from the target to the substrate is ionized in the plasma as a result of collisions with electrons.

Вероятность ионизации прямо пропорциональна концентрации электронов. Увеличение концентрации электронов осуществляется установкой системы из постоянных магнитов, создающих магнитное поле остроугольной (касповой) конфигурации. Данная геометрия магнитного поля эффективно удерживает электроны от ухода их на стенки камеры и повышает концентрацию плазмы в несколько раз.The ionization probability is directly proportional to the electron concentration. An increase in the electron concentration is carried out by installing a system of permanent magnets that create a magnetic field of an acute-angled (cusp) configuration. This geometry of the magnetic field effectively keeps the electrons from leaving them on the walls of the chamber and increases the plasma concentration several times.

Кроме того, так как постоянные магниты частично охватывают металлическую мишень, их магнитное поле захватывает вторичные электроны, выбиваемые из мишени, и повышает плотность ионного тока на мишень, что в свою очередь приводит к росту числа выбитых из мишени атомов металла и в конечном результате увеличению скорости образования металлической пленки на подложке. Как следует из вольт-амперной характеристики (зависимость плотности тока J, мА/см² от напряжения U, В на мишени) фиг.3, установка постоянных магнитов изменяет вид разряда около мишени. Без магнитов ток ионов инертного газа выходит на насыщение уже при напряжении на мишени 300 В. С постоянными магнитами ток мишени быстро возрастает с ростом напряжения на мишени и при 600 В в 5 раз превышает ток без постоянных магнитов. При таком напряжении степень ионизации атомов алюминия возрастает, а отношение потока ионов алюминия к полному потоку (ионов и атомов алюминия) достигает 80%. СВЧ-ЭЦР разряд производится в аргоне при низком давлении 0.26 Па. Зависимость степени ионизации (α, %) атомов алюминияIn addition, since permanent magnets partially cover a metal target, their magnetic field captures secondary electrons knocked out of the target and increases the ion current density on the target, which in turn leads to an increase in the number of metal atoms knocked out of the target and, ultimately, to an increase in the velocity the formation of a metal film on the substrate. As follows from the current-voltage characteristics (dependence of the current density J, mA / cm ² on the voltage U, V on the target) of Fig. 3, the installation of permanent magnets changes the shape of the discharge near the target. Without magnets, the inert gas ion current saturates even at a target voltage of 300 V. With permanent magnets, the target current rapidly increases with increasing voltage on the target and at 5 5 times the current without permanent magnets. At this voltage, the degree of ionization of aluminum atoms increases, and the ratio of the flux of aluminum ions to the total flux (ions and aluminum atoms) reaches 80%. Microwave-ECR discharge is performed in argon at a low pressure of 0.26 Pa. Dependence of the degree of ionization (α,%) of aluminum atoms

и степени ионизации потока (γ, %) алюминияand the degree of ionization of the flux (γ,%) of aluminum

на подложку от напряжения на мишени при длине пути пробега 15 см иллюстрируется графиками фиг. 4. Здесь n - концентрация частиц, Г=nV, где V - скорость частиц. При увеличении плотности тока и соответствующем росте концентрации распыленных атомов металла увеличивается вероятность их ионизации за счет эффекта Пеннинга, когда возбужденный атом нейтрального газа с энергией возбуждения больше, чем потенциал ионизации атома металла, при столкновении передает ему энергию и вызывает ионизацию последнего [см., например, Ю.П. Райзер. Физика газового разряда, М.: Наука, стр. 128]. При плотности тока в десятки и сотни мА/см² и напряжении на мишени в сотни вольт плотность мощности достигает десятки ватт на квадратный сантиметр, что вызывает проблемы с охлаждением мишени. Для уменьшения средней мощности используется импульсно-периодический режим. В исследованной области импульсных режимов на лабораторной установке по схеме фиг. 4 конформное осаждение обеспечивалось в интервале следующих характеристик импульсного режима:on the substrate from voltage on the target with a path length of 15 cm is illustrated by graphs of FIG. 4. Here n is the concentration of particles, G = nV, where V is the particle velocity. With increasing current density and a corresponding increase in the concentration of atomized metal atoms, the probability of their ionization increases due to the Penning effect, when an excited atom of a neutral gas with an excitation energy is greater than the ionization potential of a metal atom transfers energy to it and causes the ionization of the metal [see, for example , Yu.P. Riser. Gas Discharge Physics, Moscow: Nauka, p. 128]. With a current density of tens and hundreds of mA / cm ² and a voltage on the target of hundreds of volts, the power density reaches tens of watts per square centimeter, which causes problems with cooling of the target. To reduce the average power, a pulse-periodic mode is used. In the studied region of pulsed modes in a laboratory setup according to the scheme of FIG. 4 conformal deposition was provided in the interval of the following characteristics of the pulsed mode:

амплитуда импульсов 300 -500 В;pulse amplitude 300-500 V;

длительность импульсов 50-500 мкс;pulse duration 50-500 μs;

частота повторения 50 - 500 Гц.repetition rate 50 - 500 Hz.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

Способ реализован на лабораторной установке по схеме фиг. 5. Схема содержит вакуумную камеру 1 с насосом 2, магнитную систему 3, систему подачи газа 4, генератор мощности 5, металлическую мишень 6, подложку 7, генератор импульсного напряжения 8, систему постоянных магнитов 9, а также сечение А-А камеры 1 с расположенными в этом сечении элементами: внутренней обечайкой 10, постоянными магнитами 11, трубкой охлаждения 12, магнитопроводом 13, линией индукции магнитного поля касповой геометрии 14.The method is implemented in a laboratory setup according to the scheme of FIG. 5. The circuit contains a vacuum chamber 1 with a pump 2, a magnetic system 3, a gas supply system 4, a power generator 5, a metal target 6, a substrate 7, a pulse voltage generator 8, a permanent magnet system 9, and also a section A-A of the chamber 1 s the elements located in this section: the inner shell 10, the permanent magnets 11, the cooling tube 12, the magnetic circuit 13, the magnetic field induction line of the cusp geometry 14.

Установка работает следующем образом. В результате эффективного поглощения СВЧ-волн от генератора 5 при наличии магнитного поля определенной величины и конфигурации в камере 1 зажигается разряд в инертном газе (аргон, криптон, ксенон) - СВЧ-ЭЦР разряд. Ионы этих газов выбивают из металлической мишени 6 (алюминий, медь, титан и др.) атомы металла. Магнитное поле 14 касповой геометрии, создаваемое системой постоянных магнитов 9, удерживая электроны вдоль оси движения атомов металла на подложку, увеличивает их плотность и частоту соударений с атомами металла.Installation works as follows. As a result of effective absorption of microwave waves from the generator 5 in the presence of a magnetic field of a certain size and configuration in the chamber 1, a discharge in an inert gas (argon, krypton, xenon) is ignited - a microwave-ECR discharge. The ions of these gases knock out metal atoms from a metal target 6 (aluminum, copper, titanium, etc.). The Caspian geometry magnetic field 14 created by the system of permanent magnets 9, holding electrons along the axis of motion of metal atoms on the substrate, increases their density and frequency of collisions with metal atoms.

За счет установки системы постоянных магнитов и применения импульсов тока высокой плотности увеличивается степень ионизации и скорость образования металлической пленки при низком 1-5 мТорр давлении.Due to the installation of a system of permanent magnets and the use of high-density current pulses, the degree of ionization and the rate of formation of a metal film increase at a low pressure of 1-5 mTorr.

Эффективность способа, характеризуемая степенью однородности напыления рельефных профилей, во многом определяется правильным выбором режима работы установки: соотношениями между плотностью тока J, мА/см²; импульсным напряжением U, В; длительностью τ, сек; напряженностью каспового магнитного поля и т.д.The effectiveness of the method, characterized by the degree of uniformity of the deposition of relief profiles, is largely determined by the correct choice of the operation mode of the installation: relations between the current density J, mA / cm ² ; surge voltage U, V; duration τ, sec; Caspian magnetic field strength, etc.

Новыми элементами по отношению к прототипу являются генератор импульсных напряжений и система постоянных магнитов для создания магнитного поля касповой конфигурации. В качестве генератора прямоугольных импульсов может быть использован Г5-63 с соответствующим усилителем мощности [см., например, Генератор импульсов Г5-63, Техническое описание и инструкция по эксплуатации прибора 3.264.037 ТО]. Система постоянных магнитов состоит из самарий-кобальтовых магнитов, обладающих повышенной остаточной намагниченностью и температурой Кюри [см., например, Б.С. Данилин. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М.: Энергоатомиздат, 1989, стр. 81].The new elements in relation to the prototype are a pulse voltage generator and a system of permanent magnets to create a magnetic field of the casp configuration. As a rectangular pulse generator, G5-63 with an appropriate power amplifier can be used [see, for example, G5-63 pulse generator, Technical description and operating instructions for the device 3.264.037 ТО]. The system of permanent magnets consists of samarium-cobalt magnets with an increased residual magnetization and Curie temperature [see, for example, B.S. Danilin. The use of low-temperature plasma for applying thin films. M .: Energoatomizdat, 1989, p. 81].

Claims (1)

Способ напыления рельефных подложек, включающий ионное распыление металлических мишеней в плазме высокой плотности, создаваемой в условиях электрон-циклотронного резонанса, направление потока ионов металла на подложку, отличающийся тем, что вдоль пути движения ионов на подложку и около мишени создают магнитное поле касповой конфигурации, а степень ионизации распыленных атомов металла и управление потоком осаждаемых на подложке ионов металла регулируют импульсным режимом плотности тока на мишени.A method of deposition of relief substrates, including ion sputtering of metal targets in a high density plasma created under electron-cyclotron resonance conditions, the direction of the flow of metal ions onto the substrate, characterized in that a cusp magnetic field is created along the path of ions on the substrate and near the target, and the degree of ionization of atomized metal atoms and the control of the flow of metal ions deposited on the substrate are controlled by the pulsed current density on the target.

Images