УСТАНОВКА ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H01L21/203 

Изобретение относится к технике получения пленок в вакууме и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных схем, в частности, на основе кремния молекулярно-лучевым осаждением.

Одним из способов, применяемых для выращивания эпитаксиальных слоев кремния, является способ, основанный на сублимации напыляемого материала путем резистивного нагрева источника испаряемого материала в вакууме. Этот способ в отличие от газофазной эпитаксии и молекулярно-лучевой эпитаксии, основанной на испарении электронной бомбардировкой наносимого материала из тигля, характеризуется возможностью получения более совершенных полупроводниковых структур за счет возможности генерации источником напыляемого материала осаждаемых частиц с одинаковой энергией, а также за счет уменьшения вероятности загрязнения выращиваемых слоев примесями, образующимися вследствие разложения газов и испарения материала, из которого выполнен тигель. Повышение качества изготавляемых структур путем резистивного нагрева источника испаряемого материала связано также с тем, что рост слоев структуры осуществляется в условиях испарения атомарного потока. Кроме того, установки вакуумного напыления, реализующие сублимационную молекулярно-лучевую эпитаксию, более просты конструктивно и более удобны в эксплуатации.

При изготовлении полупроводниковых структур стоит задача обеспечения воспроизводимости их параметров, которая связана, в частности, с необходимостью поддержания постоянной скорости осаждения напыляемого материала на подложку. Последняя определяется в большой степени скоростью испарения частиц из резистивного испарителя. Поэтому одной из задач, возникающих при изготовлении полупроводниковых структур с применением резистивных испарителей, является поддержание постоянной скорости испарения, поскольку в процессе испарения из-за уменьшения толщины резистивного источника повышается его температура и, следовательно, повышается скорость испарения. Это обстоятельство обуславливает необходимость контроля таких технологических параметров, как температура резистивного источника напыляемого материала или скорость испарения напыляемого материала из источника. Знание этих параметров позволяет изменением температуры резистивного источника напыляемого материала стабилизировать скорость испарения и, как следствие, скорость осаждения.

Известны устройства, с помощью которых проводят контроль и регулирование скорости испарения и контроль толщины осаждаемой пленки в процессе изготовления полупроводниковой структуры сублимационным способом.

Известны устройства, которые оценивают скорость испарения резистивного испарителя по интенсивности молекулярного потока, формируемого испарителем. Так, известно применение для этих целей квадрупольного масс-спектрометра (Rupp Т., Messaroch J., Eisele I. J. Cryst. Growth 1998. v.183. p.99). Количественная связь между показателями масс-спектрометра и реальной скоростью испарения оценивается на основе тестовых структур и результатов исследований их другими методами (например, рентгеноструктурного анализа, кварцевого резонатора или атомно-силовой микроскопии). Квадрупольный масс-спектрометр с использованием компьютера с помощью специальных программ позволяет получить высокую стабильность скорости испарения резистивного испарителя на заданном уровне. Программное обеспечение позволяет осуществлять рост структур полностью в автоматическом режиме без вмешательства оператора.

Недостатками, возникающими при использовании квадрупольного масс-спектрометра, являются снижение точности измерения скоростей испарения при изменении их величии в процессе одного цикла напыления, а также высокая стоимость квадрупольного масс-спектрометра оборудования, приводящая к удорожанию установки вакуумного напыления в целом.

Более широко распространен контроль скорости испарения с помощью ионизационных датчиков, выходной сигнал которых пропорционален скорости испарения (например, А.С.Борисенко, Н.И.Бавыкин. Технология и оборудование для производства микроэлектронных устройств. Москва, Машиностроение, 1983). Эти датчики характеризуются малой инерционностью, что позволяет использовать датчик для его обратной связи с испарителем и осуществить автоматическую регулировку скорости испарения. Кроме того, регистрация измеренных параметров не требует коррекции с привлечением контрольных образцов.

Принцип действия ионизационных датчиков основан на том, что скорость осаждения пленки напыляемого материала и число ионов, образующихся при его облучении пучком электронов постоянной интенсивности, пропорциональны плотности молекулярного потока испаряемого вещества. Ионизационный датчик устанавливают в объеме вакуумной камеры; его основным элементом является ионизатор, который представляет собой анод в виде цилиндрической сетки с расположенной вдоль его оси нитью накала, выполняющей функцию катода, при этом один торец сетки обращен к источнику напыляемого материала, а другой закрыт диском, выполняющим функцию коллектора ионов. В этом датчике используется эмиссия электронов из накаленной вольфрамовой нити. Электроны ускоряются в пространстве катод-анод, между которыми прикладывается напряжение 150-200 В. На коллектор подается отрицательное напряжение 20-50 В. Поток испаряемых частиц поступает в ионизатор параллельно аноду и ионизируется при столкновении с электронами. Образованные ионы захватываются коллектором, вызывая ионный ток коллектора, пропорциональный плотности потока частиц. Датчик калибруется на основании эмпирических данных. Для стабильной работы датчика эмиссионный ток должен быть стабилизирован. Ошибки в показаниях датчика могут вызваться паразитными электронами из горячего испарителя. Чтобы исключить эти ошибки, на испаритель подают положительный потенциал 150-200 В относительно датчика. При использовании ионизационных датчиков одной из проблем является оценка вклада в общий ионный ток тока, обусловленного ионизацией молекул остаточного газа, который приводит к искажению регистрируемой информации. С целью устранения влияния тока, обусловленного ионизацией молекул остаточного газа, на регистрируемую информацию осуществляют механическую модуляцию молекулярного потока, поступающего в датчик, с помощью вращающейся с постоянной частотой металлической заслонки, установленной на входе в датчик.

Недостатком установки вакуумного напыления с использованием ионизационных датчиков является необходимость введения в вакуумный объем специального устройства для формирования потока ионов испаряемого вещества, которое с целью увеличения чувствительности датчика располагают в пространстве между резистивным источником и подложкой, на которой формируют полупроводниковую структуру. Наличие этого устройства приводит к загрязнению растущего слоя и оказывает отрицательное влияние на параметры изготавляемой структуры.

Известна установка вакуумного напыления, в которой предусмотрены средства для стабилизации скорости испарения напыляемого материала, содержащая подключенный к блоку питания резистивный источник, установленный напротив подложки, на которой формируют полупроводниковую структуру, и средство контроля температуры резистивного источника, выполненное в виде термопары, подключенной к блоку формирования управляющих сигналов, выход которого подключен к блоку питания (JP 6158287 (A), 1994-06-07). Для фиксации термопары резистивный источник напыляемого материала включает токопроводящую подложку, на которую помещен напыляемый материал, при этом термопара контактирует с этой токопроводящей подложкой. Стабилизация скорости испарения напыляемого материала осуществляется путем регулирования тока, подаваемого на резистивный источник, в соответствии с его температурой, измеряемой термопарой.

Недостаток этой установки обусловлен использованием термопары для контроля температуры резистивного источника. Необходимость жесткого крепления термопары на резистивном источнике напыляемого материала требует использования подложки, которая является источником загрязняющих примесей, влияющих на качество формируемой полупроводниковой структуры. К тому же термопары, как измерители температуры, имеют специфические недостатки (необходима индивидуальная градуировка, на показания термопар оказывают влияние токоподводящие элементы и др.). Эти обстоятельства влияют на характеристики изготавляемых полупроводниковых структур и, следовательно, на их воспроизводимость.

Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является повышение стабилизации скорости испарения, воспроизводимости слоев напыляемого материала по толщине и повышение качества изготовляемых структур, в том числе за счет снижения опасности загрязнения напыляемой структуры примесями, источником которых являются элементы, вводимые в вакуумный объем для стабилизации скорости испарения.

Технический результат достигается тем, что в установке вакуумного напыления, содержащей резистивный испаритель напыляемого материала, обращенный первой стороной к подложке, на которой формируют полупроводниковую структуру, и средство контроля, последнее включает приемник заряженных частиц, подключенный к отрицательной клемме источника ускоряющего напряжения, и сопротивление, подключенное к положительной клемме источника ускоряющего напряжения, при этом приемник заряженных частиц обращен ко второй стороне источника испаряемого материала.

В простейшем варианте приемник заряженных частиц может быть выполнен в виде пластины из тугоплавкого металла.

Целесообразно ввести в установку последовательно соединенные подключенный к сопротивлению усилитель, блок сравнения с источником опорного напряжения и формирователь управляющего сигнала, при этом блок питания выполнить управляемым, а его управляемый вход соединить с выходом формирователя управляющего сигнала.

Целесообразно также блок питания через сетевой выключатель соединить с таймером.

В основе изобретения лежит предложение использовать для стабилизации скорости испарения напылямого материала приемник заряженных частиц (ионов), которые при нагреве резистивного источника вследствие термоионной эмиссии испаряются с его поверхности наряду с нейтральными атомами и молекулами. При подаче на приемник ускоряющего напряжения в цепи резистивный источник - приемник течет ионный ток, пропорциональный температуре резистивного испарителя и, следовательно, пропорциональный скорости его испарения, что позволяет осуществить контроль скорости испарения измерением ионного тока. Однако наиболее целесообразно использовать ионный ток для стабилизации скорости испарения, поддерживая его постоянным путем изменения тока, протекающего через резистивный источник. Для этого предлагается использовать источник ускоряющего напряжения, к отрицательной клемме которого подключен приемник заряженных частиц, а к положительной клемме - сопротивление, при этом контроль ионного тока осуществляется по изменению протекающего через сопротивление тока, т.е. по падению напряжения на сопротивлении.

Стабилизация скорости испарения в соответствии с заявляемым изобретением осуществляется средствами, не вносящими в формируемый поток напыляемого материала загрязняющих его примесей, поскольку единственный потенциальный источник таких примесей, введенный в вакуумный объем установки и являющийся элементом схемы стабилизации, вынесен из зоны формируемого потока и расположен со стороны резистивного источника, противоположной той, которая обращена к подложке, на которую осаждается напыляемая пленка.

На прилагаемом рисунке схематично изображен вариант заявляемой установки вакуумного напыления, снабженный схемой автоматической стабилизации скорости испарения резистивного источника.

Установка содержит помещенные в объем вакуумной камеры 1 резистивный испаритель 2 напыляемого материала, обращенный одной (первой) стороной к подложке 3, на которой изготавливается полупроводниковая структура, расположенную между испарителем 2 и подложкой 3 заслонку 4, которая в режиме формирования полупроводникой структуры смещается и открывает доступ на подложку 3 испаряемым с источника 2 частицам. Вблизи испарителя 2 со стороны (второй стороны), противоположной стороне, обращенной к подложке 3, установлен приемник 5 заряженных частиц. В простейшем варианте приемник 5 выполнен в виде пластины из тугоплавкого металла (вольфрама, молибдена и др.).

Испаритель 2 подключен к блоку 6 питания, выполненному управляемым и запитываемому от сети через сетевой выключатель 7. Приемник 5 заряженных частиц подключен к отрицательной клемме источника 8 ускоряющего напряжения, положительная клемма которого соединена с сопротивлением 9, второй конец которого заземлен.

Схема автоматической стабилизации скорости испарения резистивного источника включает последовательно соединенные подключенный к сопротивлению 9 усилитель 10, устройство 11 сравнения и формирователь 12 управляющего сигнала, выход которого соединен с управляемым входом блока 6. Второй вход устройства 11 сравнения соединен с источником 13 опорного сигнала.

Для автоматической остановки процесса формирования на подложке 3 слоя напыляемого материала заданной толщины можно использовать таймер 14, подключенный к сетевому выключателю 7.

Блок 15 является источником питания нагревателя (не приведен) подложки 3.

Стабилизация скорости испарения резистивного источника 2 осуществляется следующим образом.

В начальный момент времени испаритель 2 подключен к блоку 6 для нагрева его до температуры, при которой происходит испарение материала испарителя 2, при этом заслонка 4 находится в положении, перекрывающем доступ частицам, испаряемым с источника 2, на подложку 3. Одновременно с испарением нейтральных атомов и молекул с поверхности испарителя 2 вследствие термоионной эмиссии испаряются ионы, которые в пространстве испаритель 2 - приемник 5 формируют ионный ток при подаче на приемник 5 ускоряющего потенциала 100-300 В от источника 8. Вследствие возникновения ионного тока на сопротивлении 9 появляется напряжение, используемое в дальнейшем в качестве опорного для поддержания ионного тока постоянным. Затем к блоку 15 подключается нагреватель подложки 3 для нагрева ее до заданной температуры, включается таймер 14, заслонка 4 переводится в положение, открывающее доступ частицам, испаряемым с источника 2, на подложку 3, и начинается процесс осаждения пленки на подложку 3.

Напряжение на сопротивлении 9 в начальный момент времени соответствует температуре испарителя 2 и, следовательно, скорости испарения источника 2.

Во избежание повышения скорости испарения испарителя 2 при уменьшении его размеров вследствие испарения осуществляется уменьшение тока, пропускаемого через испаритель 2, при поддержании постоянным ионным тока между источником 2 и приемником 3. Для этого напряжение на сопротивлении 9, пропорциональное ионному току, после усиления усилителем 10 поступает на устройство 11 сравнения, которым оно сравнивается с опорным напряжением, соответствующим напряжению на сопротивлении 9 в начальный момент времени, и разностный сигнал с выхода устройства 11 подается на формирователь 12 управляющего сигнала, который управляет блоком 6, снижающим ток, протекающий через испаритель 2.

По достижении времени, необходимого для получения слоя полупроводниковой структуры заданной толщины, таймер 14 выдает сигнал на сетевой выключатель 7 для выключения блока 6 питания.

Таким образом, в заявляемой установке происходит стабилизация скорости испарения, способствующая изготовлению качественных полупроводниковых структур с воспроизводимыми параметрами, что особенно важно при использовании в качестве напыляемых материалов материалов, легированных примесью. Разброс формируемых пленок по толщине не превышает 6 нм при толщине пленки 0,3 мкм.

Изобретение может быть также использовано и для управления концентрацией легирующей примеси в пленке формируемой полупроводниковой структуры, в частности, на основе кремния. При резистивном испарении кремниевой пластины образуется поток ионов Si⁺, количество которых зависит от температуры резистивного источника кремния и при постоянном ускоряющем потенциале на подложке легко контролируется по величине ионного тока.

Заявляемую установку целесообразно использовать для испарения кремния, в то же время она применима и для испарения других материалов, для которых характерна термоионная или термоэлектронная эмиссия, в том числе и для испарения металлов.

Схему стабилизации скорости испарения можно использовать и в установках с испарением напыляемого материала из тигля, нагреваемого электронным лучом. При испарении частиц вещества из расплава часть их подвергается воздействию электронов и ионизируется. Этот поток ионов зависит от потока атомов испаряемого вещества и может быть также проконтролирован.

Изобретение относится к технике получения пленок молекулярно-лучевым осаждением и использованием резистивных источников напыляемого материала. Техническим результатом изобретения является повышение стабилизации скорости испарения, воспроизводимости слоев напыляемого материала по толщине и повышение качества изготовляемых структур. Сущность изобретения: установка вакуумного напыления содержит подключенный к блоку питания резистивный источник испаряемого материала, обращенный первой стороной к подложке, на которой формируют полупроводниковую структуру, а второй - к приемнику заряженных частиц, подключенному к отрицательной клемме источника ускоряющего напряжения, к положительной клемме которого подключено сопротивление. Приемник заряженных частиц может быть выполнен в виде пластины из тугоплавкого металла. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка вакуумного напыления, содержащая подключенный к блоку питания резистивный источник испаряемого материала, обращенный первой стороной к подложке, на которой формируют полупроводниковую структуру, и средство контроля, отличающаяся тем, что средство контроля включает приемник заряженных частиц, подключенный к отрицательной клемме источника ускоряющего напряжения, и сопротивление, подключенное к положительной клемме источника ускоряющего напряжения, при этом приемник заряженных частиц обращен ко второй стороне источника испаряемого материала.

2. Установка вакуумного напыления по п.1, отличающаяся тем, что приемник заряженных частиц выполнен в виде пластины из тугоплавкого металла.

3. Установка вакуумного напыления по п.1, отличающаяся тем, что в нее введены последовательно соединенные подключенный к сопротивлению усилитель, блок сравнения с источником опорного напряжения и формирователь управляющего сигнала, при этом блок питания выполнен управляемым, управляемый вход которого соединен с выходом формирователя управляющего сигнала.

4. Установка вакуумного напыления по п.1, отличающаяся тем, что блок питания через сетевой выключатель соединен с таймером.