Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

Скорость распыления во многом определяется коэффициентом или выходом распыления — количеством атомов, покидающих ка­ тод, на каждый бомбардирующий его ион. Выход распыления за­ висит от материала, энергии и угла падения иона. В табл. 8.4 при­ ведены значения коэффициентов распыления для некоторых метал­ лов при бомбардировке ионами аргона с энергией 100 и 600 эв при нормальном падении.

На рис. 8.7 показаны зависимости коэффициентов распыления от массы и энергии ионов. Коэффициент катодного распыления рас­ считывают на основании экс­ периментальных данных по

формуле

ложки по прямолинейной траектории.

Средняя длина свободного пробега в вакууме 10-1—10~2 мм рт. ст. не превышает нескольких миллиметров, поэтому частицы металла теряют свою энергию при соударениях с молекулами и ио­ нами остаточного газа и достигают подложки с помощью диффу­ зии. Для получения слоя конденсата, равномерного по толщине, градиент концентрации атомов металла в диффузионном слое дол­ жен быть всегда направлен перпендикулярно подложке; следова-

230

Т а б л и ц а 8.4

тельно, подложка должна располагаться параллельно катоду. До­ стоинством катодного распыления является отсутствие нагрева под­ ложки, недостатком — наличие остаточного газа. Его молекулы, будучи химически активированы тлеющим разрядом, адсорбируют­ ся подложкой, взаимодействуют с атомами металла и загрязняют конденсат.

Реактивное распыление. Распыление называют реактивным, если на подложке вследствие взаимодействия ионов газа и атомов распыляемого вещества образуется химическое соединение. Реак­ тивное распыление применяют для покрытий из оксидов, нитри­ дов, сульфидов, гидридов; например, двуокиси кремния, полутораокиси индия, нитрида кремния, пятиокиси тантала, азотистого тантала и др.

Тип химического соединения, получаемого в разряде, можно за­ давать путем подбора материала катода и газообразного вещест­ ва. Основное условие получения требуемого соединения состоит в тщательной очистке реагентов и отсутствии натекания и газовыделения в камере. Недостатком реактивного распыления являет­ ся возможность образования соединений на катоде и в пролетном

пространстве, что существенно уменьшает скорость роста конден­ сата.

С помощью реактивного распыления создают пленки двуокиси кремния на кремнии, германии, арсениде галлия. В качестве ка­ тода применяют пластину чистого кремния. Рабочий газ — смесь аргона с кислородом. Добавление аргона позволяет увеличить ско­ рость распыления и препятствует образованию пленки двуокиси на катоде. Ионы кислорода на поверхности подложки взаимодейст­ вуют с конденсирующимися атомами кремния, в результате чего образуется пленка Si02, позволяющая проводить планарный про­ цесс на германии и арсениде галлия. Для аналогичных целей ис­ пользуют пленки нитрида кремния. Для их получения реактивным Распылением в камеру напускают тщательно осушенный и очи­ щенный от кислорода аргон с добавкой азота. Кремниевый катод бомбардируется ионами аргона и азота, которые выбивают атомы

231

кремния. На подложке вследствие большой химической активности ионизированного азота возникает нитрид кремния Si3N4, отличаю­ щийся высокой химической стойкостью.

Ионно-плазменное распыление. Для получения тонких пленок высокой чистоты парциальное давление химически активных газов должно быть низким, а скорость напыления высокой. Эти условия обеспечивает метод распыления в плазме газового разряда при низком давлении (ионно-плазменное или трехэлектродное распыле­ ние). Рабочий вакуум составляет 5 -10“3—5 -10-4 мм рт. ст., поэтому длина свободного пробега ионов на два порядка выше, чем при простом двухэлектродном способе катодного распыления. Энергия частиц распыляемого вещества, осаждающихся на подложку, зна­ чительно больше. При термическом испарении она составляет доли

электронвольт, при двухэлектродном катодном — единицы, а при ионно-плазменной—десятки. В низком вакууме самостоятельный разряд не зажигается, и для инжекции электронов служит подо­ греваемый катод, ток эмиссии которого достигает 10—20 а. Разряд является дуговым. Между анодом и катодом приложено напряже­ ние 200—300 в. Распыляемый материал в виде пластины, называе­ мой мишенью М, размещается в качестве третьего электрода между анодом А и катодом К. На нее подается отрицательное относитель­ но анода смещение 1—3 кв, напротив располагается заземленная подложка П (рис. 8.8).

Для напыления сплавов или многослойных металлических по­ крытий вводят две или более мишени. Для двустороннего напы­ ления две параллельно соединенные мишени размещают по обе

232

крытия обладают высокой адгезией — на 1—2 порядка выше, чем при термическом испарении.

Высокочастотное распыление. С помощью ионно-плазменного метода можно производить распыление диэлектриков. При исполь­ зовании схемы рис. 8.8, когда мишень — диэлектрик, положитель­ ный заряд упавших на нее ионов не может нейтрализоваться, что препятствует дальнейшей бомбардировке и распыления не проис­ ходит. Для распыления используют схему, показанную на рис. 8.9. Между землей и мишенью прикладывают высокочастотное напря­ жение. При отрицательном знаке на мишени происходит распыле­

подвижность электронов больше подвижности ионов, то в целом мишень оказывается под отрицательным потенциалом.

Очистка подложки в тлеющем разряде. Полупроводниковую или диэлектрическую подложку помещают на алюминиевый катод или рядом расположенный держатель, и в камере зажигается тлеющий разряд. Вследствие различия в массах электроны в разряде при­ обретают значительно большую скорость, чем ионы, и поверхность подложки заряжается отрицательно. Ее бомбардируют ионы, вся энергия которых освобождается на поверхности подложки. Это при­ водит к десорбции газов и разложению органических загрязнений, что способствует их удалению.

Наиболее эффективно идет очистка, если подложку вводят в ка­ тодное пространство, так как энергия ионов там максимальна.

§ 8.4. Создание омических контактов

Для создания омических контактов с развитием планарной тех­ нологии начали широко применять вакуумное распыление метал­ лов. Преимуществами этого способа являются: малая глубина про­ никновения контакта, высокая чистота, возможность получения кон­ тактов с малым переходным сопротивлением, возможность локаль­ ного осаждения через маски, групповые методы обработки.

Известно, что если работа выхода из полупроводника п-типа меньше работы выхода из металла (и при обратном соотношении для p-типа), то контакт металл — полупроводник обладает выпрям­ лением. Для создания омических контактов необходимо, чтобы ра­ бота выхода из металла была меньше работы выхода из полупро­

водника /г-типа, тогда образуется антизапирающий слой.

Соотношения, полученные теоретически, реализуются только для слабо легированных материалов с тщательно очищенной по­ верхностью. Наличие поверхностных энергетических состояний и сильное легирование полупроводника не позволяют установить воспроизводимой корреляции между работой выхода, типом кон­ такта и его сопротивлением.

Контакты характеризуются адгезией, сопротивлением и линей­ ностью в рабочем диапазоне токов. Адгезия в значительной степе­ ни зависит от очистки поверхности, метода нанесения пленки,

233

применяемых материалов и подогрева подложки. Предварительной очисткой кремния, например освежением в плавиковой кислоте не­ посредственно перед напылением, можно добиться уменьшения пе­ реходного сопротивления контакта. Этому же способствует наличие перед подложкой заслонки, отодвигаемой после начала активного испарения, и подогрев подложки в процессе напыления до 250—300°С. Одним из основных способов уменьшения переходного сопротивления контакта является сильное легирование поверх­ ности полупроводника. Создание низкоомного контакта на кремнии при е >0,01 ом-см представляет значительную трудность. Термо­ обработка после напыления металла при температурах до 300°С практически мало влияет на величину сопротивления.

Контакт на основе алюминия. Наибольшее распространение для планарных кремниевых приборов вследствие простоты и техноло­ гичности имеет омический контакт из алюминия на кремнии с элек­ тропроводностью р- и п-типа.

Нанесение алюминия производят путем термического испарения в вакууме около 5 - 10_6 мм рт. ст. с вольфрамовых спиралей. Тол­ щина пленки составляет около 1 мкм. Алюминий применяют в виде гусариков или плющенки. Температура подложки не должна пре­ вышать 577°С, так как радиация спирали и микроразогрев в местах конденсации паров может обусловить сплавление. Последнее неже­ лательно, так как наличие эвтектики усложняет присоединение вы­ водов, осуществляемое термокомпрессией.

При температуре подложки 500—550°С адгезия алюминия зна­ чительно выше, чем при низких температурах. Сильное сцепление обусловлено частичным связыванием алюминия с пленкой окисла:

3Si02 -г 4А1 - 2А120 3 + 3Si

Однако вероятность этой реакции невелика. Более существен­ ным фактором является диффузия кремния в пленку алюминия, так как коэффициент диффузии кремния в объеме алюминия при 500—550°С достигает значений 1—2-10-9 см2/сек. В пленке, оче­ видно, его величина еще больше.

Сопротивление алюминиевого контакта примерно линейно за­ висит от сопротивления кремния (табл. 8.5).

Сопротивление контакта на кремнии с электропроводностью «-типа на два порядка выше, чем с электропроводностью р-типа.

Создание локального контакта производят или напылением че­ рез маску, или с помощью последующей фотолитографии, в процес­ се которой удаляется лишний слой алюминия.

Если присоединение вывода осуществляют пайкой, то на алю­ миний напыляют слой золота. Напыление ведется последовательно с двух испарителей через маску. Пайку производят оловом или сплавом олово-свинец.

Контакты на основе золота. Для омических контактов на крем­ нии с электропроводностью «-типа применяют золото, напыленное термическим испарением из молибденовой лодочки. Для улучше­ ния адгезии используют катодное распыление золота или вжигание

234