eng
Выпуск #3-4/2019
В.Ю.Васильев
О методологии оценки конформности атомно-слоевого осаждения тонких пленок в высокоаспектных наноструктурах
О методологии оценки конформности атомно-слоевого осаждения тонких пленок в высокоаспектных наноструктурах
Просмотры: 4364
Рассмотрены проблемы и способы количественной характеризации конформности тонкопленочных покрытий на поверхностях высокоаспектных наноструктур при атомно-слоевом осаждении (АСО). Автор развивает ранее предложенную методологию анализа конформности тонкопленочных покрытий методами химического и плазменного осаждения из газовой фазы и АСО. Предложенная автором методология позволяет проводить адекватную оценку и количественное сравнение результатов для структур различной сложности при использовании различных методов и режимов получения тонких пленок методом АСО.
Теги: atomic layer deposition of films deposition conformality high aspect ratio nanostructures nanostructures quantitative characterization of conformality thin films атомно-слоевое осаждение высокоаспектные структуры количественная характеризация конформности конформность осаждения наноструктуры тонкие пленки
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.3-4.194.204
Получено: 20.12.2018 г.
В.Ю.Васильев, зам. генерального директора ООО "СибИС", г. Новосибирск, доктор химических наук, профессор, Новосибирский государственный технический университет (ORCID: 0000-0002-0657-4502) / vasilev@corp.nstu.ruV.Yu.Vasiliev, Deputy Director General, SibIS LLC, Novosibirsk, Doctor of Chemical sciences, Professor, Novosibirsk State Technical University, (ORCID: 0000-0002-0657-4502)
Рассмотрены проблемы и способы количественной характеризации конформности тонкопленочных покрытий на поверхностях высокоаспектных наноструктур при атомно-слоевом осаждении (АСО). Автор развивает ранее предложенную методологию анализа конформности тонкопленочных покрытий методами химического и плазменного осаждения из газовой фазы, и АСО. Предложенная автором методология позволяет проводить адекватную оценку и количественное сравнение результатов для структур различной сложности при использовании различных методов и режимов получения тонких пленок методом АСО.
The problems and methods for the quantitative characterization of the conformality of thin films on the surfaces of high-aspect ratio nanostructures during atomic layer deposition (ALD) are considered. The author develops the previously proposed methodology for analyzing the conformity of thin films by chemical vapor deposition (CVD) and plasma-enhanced deposition (PECVD), and ALD. The methodology proposed by the author allows to perform an adequate assessment and quantitative comparison of the results for the device structures of varying complexity using different kinds and conditions of ALD method.
ВВЕДЕНИЕ
Движущей силой развития современных прецизионных технологических процессов являются технологии интегральных микросхем (ИМС) [1]. По мере их динамичного развития и усложнения интенсивно разрабатывались технологии и оборудование для создания тонкопленочных материалов различной природы (диэлектрики, полупроводники, металлы и т.д.) [2]. В технологиях ИМС тонкие пленки (ТП) являются основным конструкционным материалом для формирования изолированных транзисторных структур, конденсаторов, резисторов, системы многоуровневой металлизации и финишной пассивации. Тонкие пленки получают на нагретых до необходимой температуры поверхностях подложек различных типов, главным образом методами химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) как результат необратимых реакций исходных парообразных веществ. Реакции ХОГФ при пониженных температурах могут быть дополнительно активированы, например, плазменным разрядом. Основные тренды развития методов ХОГФ применительно к технологии ИМС рассмотрены в [3] начиная с начала 1970-х годов по настоящее время. В частности, были выделены временные этапы развития методов ХОГФ и для каждого из них рассмотрены задачи, направления развития, обобщены результаты исследований и разработок оборудования, процессов осаждения, свойств ТП.
Главной задачей для методов ХОГФ на первом этапе их развития было получение равномерных по толщине покрытий на практически плоской поверхности подложек монокристаллического кремния, причем все более и более возрастающего размера. Начиная со второго этапа развитие ИМС пошло по пути формирования элементов ИМС на поверхности полупроводниковых подложек (рис.1). В рельефах таких трехмерных ИМС в качестве типичных упрощенных структур можно выделить ступеньки (рис.2a) и канавки (отверстия), рис.2b. Такие упрощенные структуры характеризуют величиной т.н. "аспектного отношения" (Aspect Ratio, AR). Под аспектным отношением в наиболее принятом случае подразумевается отношение высоты/глубины канавки (H, мкм) к ее ширине или диаметру (G, мкм).
Использование ХОГФ на трехмерных рельефах ИМС обнаружило проблемы неравномерности роста ТП, которые фиксируются путем анализа сколов тестовых структур с ТП с помощью растровых электронных микроскопов (РЭМ). Оказалось, что на ступенчатых структурах имеет место неприемлемое для технологии ИМС уменьшение толщины покрытий от верхних внешних частей структур в их глубину. Такую неравномерность ТП на рельефе характеризуют термином "конформность" и выражают как процентное отношение толщины ТП в нижней части канавки на внутренней боковой поверхности (d2) к таковой на ее верхней плоской поверхности (d1), рис.2а. По результатам исследований для разных процессов ХОГФ конформность ТП (d2/d1, %) может изменяться от 100 % в верхней части канавок вплоть до нуля (т.е. – разрыва сплошности материала) в нижней их части.
На третьем этапе развития технологий ТП (примерно в середине 1990-х годов) возникла актуальная для субмикронных ИМС проблема качественного "безпустотного" заполнения зазоров в канавках рельефа ИМС. Суть проблемы, известной в зарубежной литературе под термином "voiding", состоит в том, что при неконформном росте ТП внутри канавок появляются неприемлемые для технологии ИМС пустоты (см. рис.2b). Описываемые проблемы усугубляются динамичным развитием и усложнением технологий ИМС, которые приводят к появлению рельефов с повышенными величинами AR. При этом очевидным является тот факт, что заполнение прямоугольных в сечении рельефов без пустот возможно только в случае идеальной 100% конформности роста ТП на всех поверхностях структур.
Различные аспекты решения проблем конформности и заполнения пустот рельефа при ХОГФ на этом этапе рассмотрены автором с соавторами в работах [3–6]. Суть развиваемого автором эмпирического подхода к обобщению результатов исследований конформности ТП состояла в попытке найти количественные взаимосвязи конформности ТП и характеристик структур и условий ХОГФ. Было проанализировано около 200 оригинальных публикаций из разных информационных источников, из которых были отобраны публикации, содержащие либо количественные данные (величины конформности, AR и G), либо фотографии структур с ТП и масштабом, позволяющие сделать такие оценки. Собственные исследования автора в этот период времени выполнялись на тестовых структурах субмикронных ИМС с высотой ступенек порядка микрометра. Исследования проведены для различных процессов ХОГФ ТП, большей частью – ТП на основе диоксида кремния. Процессы осаждения были количественно охарактеризованы автором с помощью предложенной им характеристики "эффективная константа скорости процесса ХОГФ, keff". Выражение для keff (размерность см/с) определяется из соотношения keff = χ×W/[Si], где W – скорость наращивания ТП, [Si] – концентрация кремниевого компонента в газовой фазе, χ – коэффициент пропорциональности. Детальные пояснения по выводу соотношений могут быть найдены в [2]. Величины keff для известных процессов ХОГФ кремнийсодержащих ТП обнаружили различие почти на три порядка величины [4]. Автором была показана эмпирическая количественная взаимосвязь конформности осаждения и keff в виде соотношений: d2/d1(%) ~ 45,4×keff-0,51. Медленные процессы с лимитирующими гетерогенными стадиями (малые keff) позволяют достичь максимальной, близкой к 100%, конформности осаждения ТП. Напротив, активированные высокоскоростные процессы ХОГФ (большие keff) обнаружили неудовлетворительную конформность ТП.
Обработка экспериментальных данных для пустот в вертикальных прямоугольных канавках тестовых структур ИМС с H~0,25…1,1 мкм и G~0,1…1,1 мкм проводилась автором с использованием РЭМ. Определялись критические точки (ARcrit, Gcrit) на графике в координатах AR – G [4–6], см. пример на рис.3. При анализе структур с различными величинами H построение аналогичных графиков позволяет установить набор критических точек, через которые можно проводить прямые линии. Области ниже прямых линий соответствуют конформному, а области выше – неконформному осаждению ТП на исследуемом рельефе. В этом случае тангенс угла наклона прямых отражает способность исследуемого процесса ХОГФ ТП к заполнению рельефа ИМС с известными характеристиками при конкретных экспериментальных условиях.
Величину тангенса угла наклона автором было предложено называть параметром "сложность структур" (Structure Complexity, SCcrit = ARcrit/Gcrit = Hcrit/Gcrit2, размерность мкм-1). В итоге проведенных анализа и обобщений оказалось возможным связать сложность структур ИМС с keff процессов ХОГФ следующим соотношением: SCcrit ~ 3,03×keff-1,47. При этом важно, что параметр SC также применим для характеристики сложности исходных структур (до осаждения ТП). Действительно, при известных величинах H, G и AR, сложность структуры можно выразить как SCstruct. Сопоставление величин SCstruct и достигнутых на практике величин SCcrit позволяет сравнивать задачи и реальные возможности исследуемого процесса ХОГФ. К сожалению, получение графиков, аналогичных приведенным на рис.3, довольно трудоемко и затратно как с точки зрения изготовления структур для исследований, так и с точки зрения необходимости использования РЭМ с хорошим разрешением. В связи с этим, по мнению автора, для проведения оценок возможностей методов ХОГФ вполне допустимо использовать величину SCcrit, экспериментально полученную для одной точки.
Дальнейшее развитие технологий ИМС привело к появлению рельефов с глубокими канавками, уменьшенными линейными размерами G (до 0,02 мкм) и, таким образом, со значительно большими (до 100) аспектными отношениями (см. анализ в работе [8]). Для таких структур с повышенной сложностью неконформность ТП для применяемых в то время процессов ХОГФ приводила к пустотам внутри структур (см. рис.2c), т.е. SCcrit < SCsrtuct. Для решения обозначенных проблем в начале 2000-х годов начали активно исследовать и использовать метод т.н. термоактивированного "атомно-слоевого осаждения, АСО" (Atomic Layer Deposition, ALD) [9]. Достоинство метода, строго говоря, являющегося вариантом ХОГФ, состоит в возможности локализации химической реакции формирования ТП строго на поверхности нагретых объектов. Локализация имеет место в узком температурном интервале, называемом "ALD-window". Применение АСО позволило для некоторых ТП и на некоторое время решить проблемы при работе со структурами повышенной сложности, однако по мере дальнейшего развития технологий ИМС и дальнейшего усложнения структур актуальность проблемы все время присутствует.
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КОНФОРМНОСТИ ТП И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Для исследований конформности ТП большинство авторов использовали тестовые структуры типа "канавка" (или "отверстие"), рис.2b, изготовленные по обычным микроэлектронным технологиям (описание структур и методологию анализа можно найти в [2,4–6]). Вертикальность стенок структур очень важна для анализа, т.к. для канавок с обратным наклоном получение конформных покрытий невозможно, а в канавках с наклонными стенками конформность осаждения ТП очень высока. Однако ввиду различия наклонов стенок рельефа исходных структур у разных авторов систематизировать данные для структур с наклонными стенками на практике сложно.
В развитие подхода [4–7] автор с соавторами в работе [8] предложил методику анализа конформности осаждения для процессов ХОГФ и АСО, приняв за основу параметр SCcrit. Немногочисленные на время публикации экспериментальные данные по конформности для структур с известными размерами было предложено отображать в виде графика в координатах d2/d1 – SC. Пересчитанные по методике автора примеры для различных ТП при АСО на рис.4а указывают на 100% конформность для структур с SCcrit ~ 20…100. Однако на примере процесса ХОГФ металлического рутения обнаружилось, что при некоторых величинах сложности структур начиналось систематическое ухудшение конформности (см. кривую на рис.4а). Точка отклонения величины конформности от 100% соответствует по смыслу критическим величинам SC на рис.3 и также была обозначена как SCcrit. Однако систематических данных по снижению конформности для АСО ТП на сложных структурах на тот период времени в литературе найдено не было.
К настоящему времени предприняты многочисленные исследования процессов АСО различных материалов и их свойств. Методы АСО совершенствуются, например, используется прямая или удаленная плазма для активации одного из реагентов, используются последовательности напуска окислительных и восстановительных компонентов реакции, предлагаются обработки поверхности для улучшения нуклеации осаждаемого материала на поверхности, и т.д. Общее число публикаций превышает несколько тысяч, имеется ряд обобщений по АСО, см., например, [10].
Вместе с тем, целенаправленных публикаций по проблемам исследования конформности ТП при АСО немного. Обычно сведения о конформности ТП приводятся в публикациях в составе другой информации, и отображаются в виде демонстрационных РЭМ-фотографий структур, похожих на схематически приведенную на рис.2c. Для таких структур обычно указываются толщины ТП в верхней и нижних частях канавок/отверстий. В некоторых публикациях данные по конформности приводились для некоторых глубин канавки, например, на верхней, центральной и нижней частях структур. Выводами таких публикаций является информация о достигнутой величине AR для структур определенного размера G, на которых имеет (или не имеет) место 100% конформность осаждения.
Авторам работы [11] (единственной на настоящий момент времени) удалось по точкам построить профиль распределения толщины ТП металлической платины в вертикальном отверстии высотой 3,8 мкм и диаметром 0,023 мкм, см. рис.5а. Из данного графика можно видеть, что близкое к конформному осаждение для использованного метода АСО имеет место до глубины в канавке ~0,5 мкм, после чего толщина ТП быстро падает.
Вертикальные наноразмерные высокоаспектные структуры сложны в изготовлении и анализе и, в итоге, – затратны, хотя, как правило, однозначно соответствуют реальным структурам приборов. В связи с этим недавно предложены и на практике использованы т.н. плоские "горизонтальные" тестовые структуры (см. рис.2d). Такие "щелевые" тестовые структуры (далее называемые микроструктурами) могут иметь линейные размеры H до нескольких сотен микрон [12,13] и G до 0,5 мкм. В работе [14] описаны тестовые структуры с размерами до десятков миллиметров и зазорами до нескольких миллиметров (далее называемые макроструктурами). Плоские горизонтальные структуры представляют собой основу с подпорками и крышку. После осаждения ТП крышка удаляется, а распределение толщины ТП на дне плоской структуры (которое фактически является аналогом стенки вертикальной канавки) может контролироваться как визуально, так и с помощью общепринятых методов измерения толщины ТП. В результате оказывается возможным регистрировать профили толщин вдоль стенки (см. пример на рис.5b).
Конечной целью использования горизонтальных щелевых структур является попытка прогнозирования закономерностей роста ТП в наноструктурах.
В настоящее время накапливаются экспериментальные данные для анализа и обобщение результатов по проблематике конформности получения покрытий на высокоаспектных структурах. При анализе проблем конформности роста ТП при АСО одной из важнейших задач автору представляется адекватная интерпретация экспериментальных данных для различных типов ТП, при различных экспериментальных условиях, на различных по конструкции тестовых структурах. Автор поставил задачу поиска простых количественных подходов, применимых к анализу экспериментальных результатов для сильно различающихся экспериментальных условий. Приведенный материал является развитием ранее апробированного подхода для анализа конформности ТП на рельефах ИМС при АСО [8].
ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПОДХОДА И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВВ высокоаспектных структурах при АСО имеет место заполнение канавок и отверстий по типу приведенного на рис.2c – при неконформном осаждении внутри структур образуются пустоты. Для некоторых практических задач это может быть приемлемо, однако в большинстве случаев для современных приборов считается недопустимым. Развивая подход анализа величин SCcrit (рис.4а), литературные данные для таких высокоаспектных канавок (отверстий) также могут быть пересчитаны из известных данных по AR и G в величины SC. Примеры такого отображения результатов в координатах d2/d1(%) – SC показаны на рис.4b. Для ТП металлического рутения данные приведены в виде отдельных точек (отметим, что применялись различные прекурсоры рутения и условия АСО [15]). Можно видеть, что конформность в ряде случаев существенно меньше желаемой (100%). При этом по отдельным экспериментальным точкам с d2/d1 <100% невозможно оценить величину SCcrit, для которой было бы возможно достичь реальную 100% конформность осаждения ТП примененным методом АСО.
В более интересном случае, когда авторами приводятся данные величин конформности по глубине канавок, перерасчет позволяет отобразить реальные тренды и определить величины SCcrit. Действительно, профили толщины в канавках/отверстиях также можно пересчитывать в зависимость d2/d1(%) – SC, (см. рис.5а,b). При нормировке в процентах текущей величины толщины ТП на таковую при координате "0" (начало канавки, считая от входа реагентов) получаем параметр "конформность, %". Текущую координату (i) глубины вертикальной канавки или точки на сканах толщины в горизонтальных микроструктурах, фактически являющуюся Hi, легко для известных величин G трансформировать в величину ARi и SCi. Результаты такого перерасчета показаны на рис.4b на примере четырех различных ТП материалов в виде кривых с индикацией величин SCcrit. Кривые для Al2O3, TiO2 и металлического иридия были получены с использованием плоских структур. Можно видеть, что максимальные значения для них составляют SCcrit~200 мкм-1. Интересно отметить, что согласно рис.4b максимально возможные по сложности структуры SCcrit~1100 мкм-1 были получены при использовании в качестве второго реагента озона [11], который в последние годы рассматривается перспективным реагентом для получения металлических ТП при АСО.
В целом тренды кривых на рис.4b соответствует таковому на рис.4а для процесса ХОГФ ТП металлического рутения, опубликованному в [8]. В связи с этим предложенный ранее подход анализа конформности роста ТП на рельефах с помощью зависимостей d2/d1(%) – SC представляется для анализа процессов АСО ТП непротиворечивым. Он дает возможность переходить от специфических размеров тестовых структур к унифицированной величине их сложности (SCstruct) и оценивать для любых размеров микроструктур их способность быть заполненной ТП материалами с высокой степенью конформности (SCcrit).
В настоящее время имеется немного экспериментальных данных для наноразмерных структур, и однозначная оценка применимости предложенного подхода к их описанию еще предстоит в будущем. Тем не менее, поскольку по мере заполнения канавок ТП их размер G уменьшается вплоть нуля, то есть – до полного смыкания растущих фронтов ТП, эти эффекты присутствуют и на уровне микроструктур. В связи с этим автор предполагает возможность и адекватность применения предлагаемой методики и для наноструктур.
Что касается макроструктур, то для них обработка данных [14], по предложенной методике, дает аналогичные тренды, но абсолютные величины сложности таких структур оказываются на 4–6 порядков меньше, чем для микро- и наноструктур. В связи с этим в настоящее время остается открытым вопрос о применимости результатов для таких структур при прогнозировании конформности наноструктур. Вместе с тем такие легко изготавливаемые и дешевые структуры оказываются очень удобными для отслеживания трендов роста ТП в щелевых структурах, в том числе – для экспресс-контроля процессов.
ВЫВОДЫ
Приведенные в работе и литературные данные позволяют очертить области конформного осаждения ТП при использовании различных методов осаждения из газовой фазы, см. рис.6. Наклонные участки областей справа условны и отображают в общем виде тренд к снижению конформности при SCstruct > SCcrit. Приведенные данные однозначно показывают преимущества методов АСО с точки зрения конформности получаемых ТП в высокоаспектных наноразмерных структурах с максимальными величинами SCcrit. Предложенный подход даже по единичным литературным данным позволяет проводить сравнительную оценку параметров заполнения структур теми или иными методами получения ТП покрытий для исходных структур с известными параметрами.
Предложенный автором подход позволяет для высокоаспектных наноразмерных структур различной сложности проводить адекватную оценку и количественное сравнение конформности роста тонких пленок для различных вариантов и режимов получения тонких пленок методом АСО.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology, second edition. Ed. By R. Doering and Y. Nishi // CRC press, 2008, 1722 pages.
Vasilyev V.Yu. Thin Film Chemical Vapor Deposition in Integrated Circuit Technology: Equipment, Methodology and Thin Film Growth Experience / Nova Science Publishers, Inc.: New York. 2014. 314 pages.
Васильев В.Ю. Тренды развития методов химического осаждения из газовой фазы тонкопленочных материалов для прецизионных технологий // Нано- и микросистемная техника. 2014. № 9 (170). С. 37–44.
Васильев В.Ю. Тенденции развития технологии и аппаратуры химического осаждения тонких диэлектрических слоев на основе диоксида кремния в микроэлектронике. Часть 2. Заполнение узких зазоров осажденным материалом // Микроэлектроника, 1999,. Т. 28., № 3. – С. 183–192.
Vassiliev V.Yu., Lin C., Fung D., Hsieh J., and Sudijono J.L. Properties and gap-fill capability of high-density plasma chemically vapor deposited phosphosilicate glass films for subquarter micrometer ULSI device technology // Electrochem. Solid State Letters, 2000, vol.3, N2, p.p.80–83.
Vassiliev V.Y., Sudijono J.L., and Cuthbertson A. Trends in Void-Free Pre-Metal CVD Dielectrics // Solid State Technol. 2001. V. 44. N 3. P. 129–136.
Васильев В.Ю. Заполнение ультрамалых зазоров в интегральных микросхемах осажденными из газовой фазы тонкими диэлектрическими материалами на основе диоксида кремния // Микроэлектроника. 2002. Т. 31. № 4. С. 263–273.
Vasilyev V.Yu., Chung S., Song Y.W. Quantifying ALD technology for High Aspect Ratio Structures // Solid State Technol. 2007. V. 50. N 8. P. 53, 54, 56.
Leskela M., Ritala M. Atomic layer deposition (ALD): from precursors to thin film structures // Thin Solid Films. 2002. V. 409., N 1–2, P. 138–146.
Johnson R.W., Hultqvist A., Bent S.F. A brief review of atomic layer deposition: from fundamentals to applications // Materials today. 2014. V.17, N.5. P. 236–246.
Dendooven J., Ramachandran R.K., Devloo-Casier K., et al. Low-Temperature Atomic Layer Deposition of Platinum Using (Methylcyclopentadienyl)trimethylplatinum and Ozone // J. Phys. Chem. C, 2013, V. 117. , P. 20557–20561.
Puurunen R.L., Gao F. Influence of ALD Temperature on Thin film Conformality: Investigation with Microscopic Lateral High-Aspect-Ratio structures // Proc. 14th Int. Baltic Conf. on Atomic Layer Deposition (BALD), 2016, St. Petersburg, Russia, paper # 16774638, 5 pages.
Okada S., Matsumura H. Properties of Cat-CVD silicon nitride films and their application as passivation films // Proc. Mat. Res. Soc. Symp.1997. Vol. 446. P. 109–114.
Dendooven J., Deduytsche D., Musschoot J., et al. Conformality of Al2O3 and AlN Deposited by Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition // J. Electrochem. Soc., 2010,. V. 157. , N 4, P. G111-G-116.
Mattinen M., Hamalainen J., Gao F., et al. Nucleation and Conformality of Iridium and Iridium Oxide Thin Films Grown by Atomic Layer Deposition //
Langmuir, 2016, Vol.32, N 41. P. 10559–10569.
Получено: 20.12.2018 г.
В.Ю.Васильев, зам. генерального директора ООО "СибИС", г. Новосибирск, доктор химических наук, профессор, Новосибирский государственный технический университет (ORCID: 0000-0002-0657-4502) / vasilev@corp.nstu.ruV.Yu.Vasiliev, Deputy Director General, SibIS LLC, Novosibirsk, Doctor of Chemical sciences, Professor, Novosibirsk State Technical University, (ORCID: 0000-0002-0657-4502)
Рассмотрены проблемы и способы количественной характеризации конформности тонкопленочных покрытий на поверхностях высокоаспектных наноструктур при атомно-слоевом осаждении (АСО). Автор развивает ранее предложенную методологию анализа конформности тонкопленочных покрытий методами химического и плазменного осаждения из газовой фазы, и АСО. Предложенная автором методология позволяет проводить адекватную оценку и количественное сравнение результатов для структур различной сложности при использовании различных методов и режимов получения тонких пленок методом АСО.
The problems and methods for the quantitative characterization of the conformality of thin films on the surfaces of high-aspect ratio nanostructures during atomic layer deposition (ALD) are considered. The author develops the previously proposed methodology for analyzing the conformity of thin films by chemical vapor deposition (CVD) and plasma-enhanced deposition (PECVD), and ALD. The methodology proposed by the author allows to perform an adequate assessment and quantitative comparison of the results for the device structures of varying complexity using different kinds and conditions of ALD method.
ВВЕДЕНИЕ
Движущей силой развития современных прецизионных технологических процессов являются технологии интегральных микросхем (ИМС) [1]. По мере их динамичного развития и усложнения интенсивно разрабатывались технологии и оборудование для создания тонкопленочных материалов различной природы (диэлектрики, полупроводники, металлы и т.д.) [2]. В технологиях ИМС тонкие пленки (ТП) являются основным конструкционным материалом для формирования изолированных транзисторных структур, конденсаторов, резисторов, системы многоуровневой металлизации и финишной пассивации. Тонкие пленки получают на нагретых до необходимой температуры поверхностях подложек различных типов, главным образом методами химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) как результат необратимых реакций исходных парообразных веществ. Реакции ХОГФ при пониженных температурах могут быть дополнительно активированы, например, плазменным разрядом. Основные тренды развития методов ХОГФ применительно к технологии ИМС рассмотрены в [3] начиная с начала 1970-х годов по настоящее время. В частности, были выделены временные этапы развития методов ХОГФ и для каждого из них рассмотрены задачи, направления развития, обобщены результаты исследований и разработок оборудования, процессов осаждения, свойств ТП.
Главной задачей для методов ХОГФ на первом этапе их развития было получение равномерных по толщине покрытий на практически плоской поверхности подложек монокристаллического кремния, причем все более и более возрастающего размера. Начиная со второго этапа развитие ИМС пошло по пути формирования элементов ИМС на поверхности полупроводниковых подложек (рис.1). В рельефах таких трехмерных ИМС в качестве типичных упрощенных структур можно выделить ступеньки (рис.2a) и канавки (отверстия), рис.2b. Такие упрощенные структуры характеризуют величиной т.н. "аспектного отношения" (Aspect Ratio, AR). Под аспектным отношением в наиболее принятом случае подразумевается отношение высоты/глубины канавки (H, мкм) к ее ширине или диаметру (G, мкм).
Использование ХОГФ на трехмерных рельефах ИМС обнаружило проблемы неравномерности роста ТП, которые фиксируются путем анализа сколов тестовых структур с ТП с помощью растровых электронных микроскопов (РЭМ). Оказалось, что на ступенчатых структурах имеет место неприемлемое для технологии ИМС уменьшение толщины покрытий от верхних внешних частей структур в их глубину. Такую неравномерность ТП на рельефе характеризуют термином "конформность" и выражают как процентное отношение толщины ТП в нижней части канавки на внутренней боковой поверхности (d2) к таковой на ее верхней плоской поверхности (d1), рис.2а. По результатам исследований для разных процессов ХОГФ конформность ТП (d2/d1, %) может изменяться от 100 % в верхней части канавок вплоть до нуля (т.е. – разрыва сплошности материала) в нижней их части.
На третьем этапе развития технологий ТП (примерно в середине 1990-х годов) возникла актуальная для субмикронных ИМС проблема качественного "безпустотного" заполнения зазоров в канавках рельефа ИМС. Суть проблемы, известной в зарубежной литературе под термином "voiding", состоит в том, что при неконформном росте ТП внутри канавок появляются неприемлемые для технологии ИМС пустоты (см. рис.2b). Описываемые проблемы усугубляются динамичным развитием и усложнением технологий ИМС, которые приводят к появлению рельефов с повышенными величинами AR. При этом очевидным является тот факт, что заполнение прямоугольных в сечении рельефов без пустот возможно только в случае идеальной 100% конформности роста ТП на всех поверхностях структур.
Различные аспекты решения проблем конформности и заполнения пустот рельефа при ХОГФ на этом этапе рассмотрены автором с соавторами в работах [3–6]. Суть развиваемого автором эмпирического подхода к обобщению результатов исследований конформности ТП состояла в попытке найти количественные взаимосвязи конформности ТП и характеристик структур и условий ХОГФ. Было проанализировано около 200 оригинальных публикаций из разных информационных источников, из которых были отобраны публикации, содержащие либо количественные данные (величины конформности, AR и G), либо фотографии структур с ТП и масштабом, позволяющие сделать такие оценки. Собственные исследования автора в этот период времени выполнялись на тестовых структурах субмикронных ИМС с высотой ступенек порядка микрометра. Исследования проведены для различных процессов ХОГФ ТП, большей частью – ТП на основе диоксида кремния. Процессы осаждения были количественно охарактеризованы автором с помощью предложенной им характеристики "эффективная константа скорости процесса ХОГФ, keff". Выражение для keff (размерность см/с) определяется из соотношения keff = χ×W/[Si], где W – скорость наращивания ТП, [Si] – концентрация кремниевого компонента в газовой фазе, χ – коэффициент пропорциональности. Детальные пояснения по выводу соотношений могут быть найдены в [2]. Величины keff для известных процессов ХОГФ кремнийсодержащих ТП обнаружили различие почти на три порядка величины [4]. Автором была показана эмпирическая количественная взаимосвязь конформности осаждения и keff в виде соотношений: d2/d1(%) ~ 45,4×keff-0,51. Медленные процессы с лимитирующими гетерогенными стадиями (малые keff) позволяют достичь максимальной, близкой к 100%, конформности осаждения ТП. Напротив, активированные высокоскоростные процессы ХОГФ (большие keff) обнаружили неудовлетворительную конформность ТП.
Обработка экспериментальных данных для пустот в вертикальных прямоугольных канавках тестовых структур ИМС с H~0,25…1,1 мкм и G~0,1…1,1 мкм проводилась автором с использованием РЭМ. Определялись критические точки (ARcrit, Gcrit) на графике в координатах AR – G [4–6], см. пример на рис.3. При анализе структур с различными величинами H построение аналогичных графиков позволяет установить набор критических точек, через которые можно проводить прямые линии. Области ниже прямых линий соответствуют конформному, а области выше – неконформному осаждению ТП на исследуемом рельефе. В этом случае тангенс угла наклона прямых отражает способность исследуемого процесса ХОГФ ТП к заполнению рельефа ИМС с известными характеристиками при конкретных экспериментальных условиях.
Величину тангенса угла наклона автором было предложено называть параметром "сложность структур" (Structure Complexity, SCcrit = ARcrit/Gcrit = Hcrit/Gcrit2, размерность мкм-1). В итоге проведенных анализа и обобщений оказалось возможным связать сложность структур ИМС с keff процессов ХОГФ следующим соотношением: SCcrit ~ 3,03×keff-1,47. При этом важно, что параметр SC также применим для характеристики сложности исходных структур (до осаждения ТП). Действительно, при известных величинах H, G и AR, сложность структуры можно выразить как SCstruct. Сопоставление величин SCstruct и достигнутых на практике величин SCcrit позволяет сравнивать задачи и реальные возможности исследуемого процесса ХОГФ. К сожалению, получение графиков, аналогичных приведенным на рис.3, довольно трудоемко и затратно как с точки зрения изготовления структур для исследований, так и с точки зрения необходимости использования РЭМ с хорошим разрешением. В связи с этим, по мнению автора, для проведения оценок возможностей методов ХОГФ вполне допустимо использовать величину SCcrit, экспериментально полученную для одной точки.
Дальнейшее развитие технологий ИМС привело к появлению рельефов с глубокими канавками, уменьшенными линейными размерами G (до 0,02 мкм) и, таким образом, со значительно большими (до 100) аспектными отношениями (см. анализ в работе [8]). Для таких структур с повышенной сложностью неконформность ТП для применяемых в то время процессов ХОГФ приводила к пустотам внутри структур (см. рис.2c), т.е. SCcrit < SCsrtuct. Для решения обозначенных проблем в начале 2000-х годов начали активно исследовать и использовать метод т.н. термоактивированного "атомно-слоевого осаждения, АСО" (Atomic Layer Deposition, ALD) [9]. Достоинство метода, строго говоря, являющегося вариантом ХОГФ, состоит в возможности локализации химической реакции формирования ТП строго на поверхности нагретых объектов. Локализация имеет место в узком температурном интервале, называемом "ALD-window". Применение АСО позволило для некоторых ТП и на некоторое время решить проблемы при работе со структурами повышенной сложности, однако по мере дальнейшего развития технологий ИМС и дальнейшего усложнения структур актуальность проблемы все время присутствует.
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КОНФОРМНОСТИ ТП И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Для исследований конформности ТП большинство авторов использовали тестовые структуры типа "канавка" (или "отверстие"), рис.2b, изготовленные по обычным микроэлектронным технологиям (описание структур и методологию анализа можно найти в [2,4–6]). Вертикальность стенок структур очень важна для анализа, т.к. для канавок с обратным наклоном получение конформных покрытий невозможно, а в канавках с наклонными стенками конформность осаждения ТП очень высока. Однако ввиду различия наклонов стенок рельефа исходных структур у разных авторов систематизировать данные для структур с наклонными стенками на практике сложно.
В развитие подхода [4–7] автор с соавторами в работе [8] предложил методику анализа конформности осаждения для процессов ХОГФ и АСО, приняв за основу параметр SCcrit. Немногочисленные на время публикации экспериментальные данные по конформности для структур с известными размерами было предложено отображать в виде графика в координатах d2/d1 – SC. Пересчитанные по методике автора примеры для различных ТП при АСО на рис.4а указывают на 100% конформность для структур с SCcrit ~ 20…100. Однако на примере процесса ХОГФ металлического рутения обнаружилось, что при некоторых величинах сложности структур начиналось систематическое ухудшение конформности (см. кривую на рис.4а). Точка отклонения величины конформности от 100% соответствует по смыслу критическим величинам SC на рис.3 и также была обозначена как SCcrit. Однако систематических данных по снижению конформности для АСО ТП на сложных структурах на тот период времени в литературе найдено не было.
К настоящему времени предприняты многочисленные исследования процессов АСО различных материалов и их свойств. Методы АСО совершенствуются, например, используется прямая или удаленная плазма для активации одного из реагентов, используются последовательности напуска окислительных и восстановительных компонентов реакции, предлагаются обработки поверхности для улучшения нуклеации осаждаемого материала на поверхности, и т.д. Общее число публикаций превышает несколько тысяч, имеется ряд обобщений по АСО, см., например, [10].
Вместе с тем, целенаправленных публикаций по проблемам исследования конформности ТП при АСО немного. Обычно сведения о конформности ТП приводятся в публикациях в составе другой информации, и отображаются в виде демонстрационных РЭМ-фотографий структур, похожих на схематически приведенную на рис.2c. Для таких структур обычно указываются толщины ТП в верхней и нижних частях канавок/отверстий. В некоторых публикациях данные по конформности приводились для некоторых глубин канавки, например, на верхней, центральной и нижней частях структур. Выводами таких публикаций является информация о достигнутой величине AR для структур определенного размера G, на которых имеет (или не имеет) место 100% конформность осаждения.
Авторам работы [11] (единственной на настоящий момент времени) удалось по точкам построить профиль распределения толщины ТП металлической платины в вертикальном отверстии высотой 3,8 мкм и диаметром 0,023 мкм, см. рис.5а. Из данного графика можно видеть, что близкое к конформному осаждение для использованного метода АСО имеет место до глубины в канавке ~0,5 мкм, после чего толщина ТП быстро падает.
Вертикальные наноразмерные высокоаспектные структуры сложны в изготовлении и анализе и, в итоге, – затратны, хотя, как правило, однозначно соответствуют реальным структурам приборов. В связи с этим недавно предложены и на практике использованы т.н. плоские "горизонтальные" тестовые структуры (см. рис.2d). Такие "щелевые" тестовые структуры (далее называемые микроструктурами) могут иметь линейные размеры H до нескольких сотен микрон [12,13] и G до 0,5 мкм. В работе [14] описаны тестовые структуры с размерами до десятков миллиметров и зазорами до нескольких миллиметров (далее называемые макроструктурами). Плоские горизонтальные структуры представляют собой основу с подпорками и крышку. После осаждения ТП крышка удаляется, а распределение толщины ТП на дне плоской структуры (которое фактически является аналогом стенки вертикальной канавки) может контролироваться как визуально, так и с помощью общепринятых методов измерения толщины ТП. В результате оказывается возможным регистрировать профили толщин вдоль стенки (см. пример на рис.5b).
Конечной целью использования горизонтальных щелевых структур является попытка прогнозирования закономерностей роста ТП в наноструктурах.
В настоящее время накапливаются экспериментальные данные для анализа и обобщение результатов по проблематике конформности получения покрытий на высокоаспектных структурах. При анализе проблем конформности роста ТП при АСО одной из важнейших задач автору представляется адекватная интерпретация экспериментальных данных для различных типов ТП, при различных экспериментальных условиях, на различных по конструкции тестовых структурах. Автор поставил задачу поиска простых количественных подходов, применимых к анализу экспериментальных результатов для сильно различающихся экспериментальных условий. Приведенный материал является развитием ранее апробированного подхода для анализа конформности ТП на рельефах ИМС при АСО [8].
ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПОДХОДА И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВВ высокоаспектных структурах при АСО имеет место заполнение канавок и отверстий по типу приведенного на рис.2c – при неконформном осаждении внутри структур образуются пустоты. Для некоторых практических задач это может быть приемлемо, однако в большинстве случаев для современных приборов считается недопустимым. Развивая подход анализа величин SCcrit (рис.4а), литературные данные для таких высокоаспектных канавок (отверстий) также могут быть пересчитаны из известных данных по AR и G в величины SC. Примеры такого отображения результатов в координатах d2/d1(%) – SC показаны на рис.4b. Для ТП металлического рутения данные приведены в виде отдельных точек (отметим, что применялись различные прекурсоры рутения и условия АСО [15]). Можно видеть, что конформность в ряде случаев существенно меньше желаемой (100%). При этом по отдельным экспериментальным точкам с d2/d1 <100% невозможно оценить величину SCcrit, для которой было бы возможно достичь реальную 100% конформность осаждения ТП примененным методом АСО.
В более интересном случае, когда авторами приводятся данные величин конформности по глубине канавок, перерасчет позволяет отобразить реальные тренды и определить величины SCcrit. Действительно, профили толщины в канавках/отверстиях также можно пересчитывать в зависимость d2/d1(%) – SC, (см. рис.5а,b). При нормировке в процентах текущей величины толщины ТП на таковую при координате "0" (начало канавки, считая от входа реагентов) получаем параметр "конформность, %". Текущую координату (i) глубины вертикальной канавки или точки на сканах толщины в горизонтальных микроструктурах, фактически являющуюся Hi, легко для известных величин G трансформировать в величину ARi и SCi. Результаты такого перерасчета показаны на рис.4b на примере четырех различных ТП материалов в виде кривых с индикацией величин SCcrit. Кривые для Al2O3, TiO2 и металлического иридия были получены с использованием плоских структур. Можно видеть, что максимальные значения для них составляют SCcrit~200 мкм-1. Интересно отметить, что согласно рис.4b максимально возможные по сложности структуры SCcrit~1100 мкм-1 были получены при использовании в качестве второго реагента озона [11], который в последние годы рассматривается перспективным реагентом для получения металлических ТП при АСО.
В целом тренды кривых на рис.4b соответствует таковому на рис.4а для процесса ХОГФ ТП металлического рутения, опубликованному в [8]. В связи с этим предложенный ранее подход анализа конформности роста ТП на рельефах с помощью зависимостей d2/d1(%) – SC представляется для анализа процессов АСО ТП непротиворечивым. Он дает возможность переходить от специфических размеров тестовых структур к унифицированной величине их сложности (SCstruct) и оценивать для любых размеров микроструктур их способность быть заполненной ТП материалами с высокой степенью конформности (SCcrit).
В настоящее время имеется немного экспериментальных данных для наноразмерных структур, и однозначная оценка применимости предложенного подхода к их описанию еще предстоит в будущем. Тем не менее, поскольку по мере заполнения канавок ТП их размер G уменьшается вплоть нуля, то есть – до полного смыкания растущих фронтов ТП, эти эффекты присутствуют и на уровне микроструктур. В связи с этим автор предполагает возможность и адекватность применения предлагаемой методики и для наноструктур.
Что касается макроструктур, то для них обработка данных [14], по предложенной методике, дает аналогичные тренды, но абсолютные величины сложности таких структур оказываются на 4–6 порядков меньше, чем для микро- и наноструктур. В связи с этим в настоящее время остается открытым вопрос о применимости результатов для таких структур при прогнозировании конформности наноструктур. Вместе с тем такие легко изготавливаемые и дешевые структуры оказываются очень удобными для отслеживания трендов роста ТП в щелевых структурах, в том числе – для экспресс-контроля процессов.
ВЫВОДЫ
Приведенные в работе и литературные данные позволяют очертить области конформного осаждения ТП при использовании различных методов осаждения из газовой фазы, см. рис.6. Наклонные участки областей справа условны и отображают в общем виде тренд к снижению конформности при SCstruct > SCcrit. Приведенные данные однозначно показывают преимущества методов АСО с точки зрения конформности получаемых ТП в высокоаспектных наноразмерных структурах с максимальными величинами SCcrit. Предложенный подход даже по единичным литературным данным позволяет проводить сравнительную оценку параметров заполнения структур теми или иными методами получения ТП покрытий для исходных структур с известными параметрами.
Предложенный автором подход позволяет для высокоаспектных наноразмерных структур различной сложности проводить адекватную оценку и количественное сравнение конформности роста тонких пленок для различных вариантов и режимов получения тонких пленок методом АСО.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology, second edition. Ed. By R. Doering and Y. Nishi // CRC press, 2008, 1722 pages.
Vasilyev V.Yu. Thin Film Chemical Vapor Deposition in Integrated Circuit Technology: Equipment, Methodology and Thin Film Growth Experience / Nova Science Publishers, Inc.: New York. 2014. 314 pages.
Васильев В.Ю. Тренды развития методов химического осаждения из газовой фазы тонкопленочных материалов для прецизионных технологий // Нано- и микросистемная техника. 2014. № 9 (170). С. 37–44.
Васильев В.Ю. Тенденции развития технологии и аппаратуры химического осаждения тонких диэлектрических слоев на основе диоксида кремния в микроэлектронике. Часть 2. Заполнение узких зазоров осажденным материалом // Микроэлектроника, 1999,. Т. 28., № 3. – С. 183–192.
Vassiliev V.Yu., Lin C., Fung D., Hsieh J., and Sudijono J.L. Properties and gap-fill capability of high-density plasma chemically vapor deposited phosphosilicate glass films for subquarter micrometer ULSI device technology // Electrochem. Solid State Letters, 2000, vol.3, N2, p.p.80–83.
Vassiliev V.Y., Sudijono J.L., and Cuthbertson A. Trends in Void-Free Pre-Metal CVD Dielectrics // Solid State Technol. 2001. V. 44. N 3. P. 129–136.
Васильев В.Ю. Заполнение ультрамалых зазоров в интегральных микросхемах осажденными из газовой фазы тонкими диэлектрическими материалами на основе диоксида кремния // Микроэлектроника. 2002. Т. 31. № 4. С. 263–273.
Vasilyev V.Yu., Chung S., Song Y.W. Quantifying ALD technology for High Aspect Ratio Structures // Solid State Technol. 2007. V. 50. N 8. P. 53, 54, 56.
Leskela M., Ritala M. Atomic layer deposition (ALD): from precursors to thin film structures // Thin Solid Films. 2002. V. 409., N 1–2, P. 138–146.
Johnson R.W., Hultqvist A., Bent S.F. A brief review of atomic layer deposition: from fundamentals to applications // Materials today. 2014. V.17, N.5. P. 236–246.
Dendooven J., Ramachandran R.K., Devloo-Casier K., et al. Low-Temperature Atomic Layer Deposition of Platinum Using (Methylcyclopentadienyl)trimethylplatinum and Ozone // J. Phys. Chem. C, 2013, V. 117. , P. 20557–20561.
Puurunen R.L., Gao F. Influence of ALD Temperature on Thin film Conformality: Investigation with Microscopic Lateral High-Aspect-Ratio structures // Proc. 14th Int. Baltic Conf. on Atomic Layer Deposition (BALD), 2016, St. Petersburg, Russia, paper # 16774638, 5 pages.
Okada S., Matsumura H. Properties of Cat-CVD silicon nitride films and their application as passivation films // Proc. Mat. Res. Soc. Symp.1997. Vol. 446. P. 109–114.
Dendooven J., Deduytsche D., Musschoot J., et al. Conformality of Al2O3 and AlN Deposited by Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition // J. Electrochem. Soc., 2010,. V. 157. , N 4, P. G111-G-116.
Mattinen M., Hamalainen J., Gao F., et al. Nucleation and Conformality of Iridium and Iridium Oxide Thin Films Grown by Atomic Layer Deposition //
Langmuir, 2016, Vol.32, N 41. P. 10559–10569.
Отзывы читателей
