Распыляемые мишени из высокочистых сплавов на основе переходных металлов и способ их производства
Изобретение относится к области производства распыляемых металлических мишеней для микроэлектроники. Способ производства распыляемой мишени из сплава на основе высокочистого переходного металла из ряда: титан, ванадий, кобальт включает последовательное глубокое вакуумное рафинирование электронно-лучевым капельным переплавом металлокерамической заготовки высокой чистоты с получением слитка высокочистого переходного металла, формирование из него дуговым вакуумным переплавом с одновременным легированием кремнием в пределах 0,0005-0,15 м.% в вертикальном кристаллизаторе при интенсивном электромагнитном перемешивании затвердевающего расплава заготовки мишени в виде слитка и механическую обработку полученной заготовки. Распыляемая мишень из высокочистого сплава на основе переходного металла из ряда: титан, ванадий, кобальт содержит переходный металл и кремний при следующем соотношении указанных компонентов, м.%: кремний - 0,005-1,0 и металл из ряда: титан, ванадий, кобальт - остальное. Технический результат - повышение качества и надежности барьерных и проводящих пленок дисилицидов тугоплавких металлов. 3 н.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области производства распыляемых металлических мишеней для микроэлектроники. Стехиометрические силицидные пленки переходных металлов представляют значительный интерес как материал низкоомных контактов, электродов затворов, межсоединений и диффузионных барьеров между кремниевой подложкой и металлизацией в интегральных схемах.
В настоящее время используются две основные промышленные технологии получения пленок силицидов. Первая - магнетронное распыление мишеней, изготовленных из силицидов. Для изготовления таких мишеней обычно используется технология порошковой металлургии, в результате чего возможно неконтролируемое загрязнение распыляемых мишеней и ухудшение электрофизических свойств получаемых пленок. Использование литых силицидных мишеней оказалось более прогрессивным путем получения стехиометрических пленок, поскольку сразу же наносился дисилицидный слой с заранее известными электрофизическими параметрами [Патент РФ №2356964, 16.08.07]. Вторая технология - напыление чистых металлических пленок на поверхность кремния с последующим высокотемпературным отжигом (до 1000°С), приводящих к получению силицидных слоев. При использовании этой технологии в производстве сверхбольших интегральных схем с субмикронными размерами возможно возникновение проблем, связанных с деградацией мелкозалегающих р-n-переходов из-за диффузии атомов примеси в пленку силицида при отжиге и, как следствие, увеличения контактного сопротивления. Тем не менее, в технологии производства интегральных схем с целью селективного нанесения силицидной пленки используется метод нанесения на кремний тонких слоев металла, а последующая термообработка приводит к получению слоя стехиометрического дисилицида. В этих случаях использование дисилицидных мишеней, полученных в соответствии с упомянутым изобретением, оказывается малотехнологичным.
Техническая задача - повышение качества и стабильности электрофизических и адгезионных свойств силицидов переходных металлов, полученных вжиганием.
Это достигается тем, что используется способ производства распыляемой мишени из сплава на основе высокочистого переходного металла высокой чистоты из ряда: титан, ванадий, кобальт, включающий последовательное глубокое вакуумное рафинирование электронно-лучевым капельным переплавом заготовки высокой чистоты с получением слитка высокочистого переходного металла, формирование из него дуговым вакуумным переплавом с одновременным легированием кремнием в пределах 0,0005-0,15 м.% в вертикальном кристаллизаторе заготовки мишени в виде слитка и механическую обработку полученной заготовки.
Это достигается тем, что распыляемая мишень из высокочистого сплава на основе переходного металла из ряда: титан, ванадий, кобальт получена указанным способом.
Это достигается тем, что распыляемая мишень из высокочистого сплава на основе переходного металла из ряда: титан, ванадий, кобальт содержит переходный металл и кремний, при следующем соотношении указанных компонентов, м.%: кремний - 0,005-1,0 и металл из ряда: титан, ванадий, кобальт - остальное.
Нижний предел выбранного соотношения ограничен низкой устойчивостью предлагаемого материала к окислению при термообработке и химической обработке, когда содержание кремния в высокочистом сплаве оказывается менее 0,0005 м.%. Верхний предел содержания кремния в сплавах ограничен необходимостью иметь низкое удельное электросопротивление предлагаемого материала, а также возможностью воспроизводимого получения тонкопленочных элементов при фотолитографической обработке.
Способ осуществляют следующим образом.
Исходные заготовки помещают в плавильную вакуумную камеру электронно-лучевой печи и постепенно расплавляют, подводя заготовки под электронный луч, создаваемый аксиальной пушкой. Затем вдоль полученного слитка переходного металла высокой чистоты крепят полосу кремния и производят второй переплав в электродуговой вакуумной установке с интенсивным электромагнитным перемешиванием расплава. Вращение расплава способствует уменьшению, усреднению химического состава по кремнию, устранению температурных градиентов и получению мелкозернистой литой структуры вследствие разрушения кристаллитов и появления дополнительных центров кристаллизации.
Пример реализации способа.
Реализацию способа осуществили при изготовлении литых мишеней из высокочистых сплавов на основе переходных металлов (титан, ванадий, кобальт). Рафинирование исходного материала производили с помощью электронно-лучевой плавки в высоком вакууме на установке ЕМО-250 в вертикальных кристаллизаторе с получением поликристаллических слитков. Далее вдоль каждого слитка высокочистого переходного металла через каждые 90-100 мм крепили полосы монокристаллического кремния. Масса закрепленных полос кремния зависела от заданной концентрации кремния в сплаве в пределах 0,0005-0,15 м.%. Второй вакуумный переплав слитка переходного металла с закрепленными полосами кремния производили в электродуговой вакуумной установке ДДВ, оснащенной устройством для электромагнитного перемешивания затвердевающего расплава. В результате получали слиток сплава на основе высокочистого молибдена с заданным содержанием кремния. Диаметр слитка - до 200 мм при длине 500 мм. Слиток разрезали на ленточном электроискровом станке на плоские заготовки мишеней. Затем производили механическую обработку заготовок распыляемых мишеней. Содержание кремния в образцах определяли масс-спектрометрически.
1. Выплавлено пять слитков высокочистого сплава на основе титана с содержанием кремния 0,0004, 0,0005, 0,01, 0,15 и 0,16 м.%, а также один слиток титана высокой чистоты без легирования кремнием. Изготовлено по 1 мишени из каждого слитка - 6 круглых распыляемых мишеней для установки «Оратория-5».
2. Выплавлено пять слитков высокочистого сплава на основе ванадия с содержанием кремния 0,0004, 0,0005, 0,01, 0,15 и 0,16 м.%, а также один слиток ванадия высокой чистоты без легирования кремнием. Изготовлено по 1 мишени из каждого слитка - 6 круглых распыляемых мишеней для установки «Оратория-5».
3. Выплавлено пять слитков высокочистого сплава на основе кобальта с содержанием кремния 0,0004, 0,0005, 0,01, 0,15 и 0,16 м.%, а также один слиток кобальта высокой чистоты без легирования кремнием. Изготовлено по 1 мишени из каждого слитка - 6 круглых распыляемых мишеней для установки «Оратория-5».
Проведено комплексное исследование процессов магнетронного распыления мишеней из всех трех сплавов, а также структурных и электрофизических параметров тонких пленок, полученных распылением мишеней всех трех сплавов. Кремниевые пластины (100) р-типа проводимости окисляли термическим способом, в результате чего получали маскирующую пленку диоксида кремния толщиной 0,3 мкм (на некоторых участках - толщиной 50 нм) и последующей фотолитографией шины из поликристаллического кремния толщиной 0,4 мкм. Затем на кремниевой пластине с фотолитографически сформированными пленочными элементами в соответствии с топологическим рисунком тестовых структур вскрывали окна в защитной пленке диоксида кремния и создавали ионным легированием при энергии ионов фосфора 30 кэВ и дозе 400 мкКл/см2 (с последующим отжигом при 950°С) области n-типа проводимости. Далее открытым травлением в 1% HF удаляли тонкую оксидную пленку на участках вскрытых окон и в магнетронной установке «Оратория-5» в среде чистого аргона при давлении 0,26 Па наносили металлизацию при следующих режимах для мишеней на основе титана и ванадия: напряжение на аноде 450±50 В, ток 5,5 А. Для мишени на основе кобальта напряжение на аноде 420±30 В, ток 4,5 А. Температура подложек при нанесении пленок указанных металлов, легированных кремнием, до толщины 0,12 мкм составляла 543±10 К. Последующую термообработку проводили в среде аргона при температуре пленок сплава на основе титана 993 К, на основе ванадия 1023 К и на основе кобальта 893 К, причем продолжительность процесса определялась формированием дисилицида на всю толщину нанесенной исходной пленки. На каждой пластине насчитывалось до 180 тестовых кристаллов с однотипными элементами, что позволяло оценивать воспроизводимость формирования пленок дисилицидов с использованием статистических методов. На изготовленных тестовых образцах при испытаниях определяли (1) разброс величины сопротивления полицидных структур; (2) устойчивость пленок и контактов из дисилицидов к электромиграции при протекании тока с плотностью 8·105 А/см2 по сечению вдоль пленки и 3·105 А/см2 по сечению контактов; а также процент короткозамкнутых мелкозалегающих р-n-переходов на пластине. Экспериментальные результаты приведены в таблице.
| Таблица | |||||
| Результаты испытания тестовых структур | |||||
| № п/п | Состав материала, м.% | Относит. отклонение сопротивления полицидных структур на пластине, % | Время безотказной работы проводящих элементов (а) и контактов (б), ч | Число структур с короткозамкнутыми р-n-переходами на пластине | |
| а | б | ||||
| 1 | Ti-Si (0,0004) | 7 | 52 | 68 | 10 |
| 2 | Ti-Si (0,0005) | 3 | 88 | 116 | 2 |
| 3 | Ti-Si (0,01) | 2 | 96 | 120 | - |
| 4 | Ti-Si (0,15) | 2 | 94 | 112 | 2 |
| 5 | Ti-Si (0,160) | 6 | 48 | 72 | 14 |
| 6 | Ti | 12 | 36 | 48 | 25 |
| 7 | V-Si (0,0004) | 5 | 48 | 72 | 18 |
| 8 | V-Si (0,0005) | 2 | 96 | 120 | 5 |
| 9 | V-Si (0,012) | 1 | 102 | 124 | 2 |
| 10 | V-Si (0,15) | 2 | 98 | 118 | 6 |
| 11 | V-Si (0,160) | 5 | 48 | 78 | 21 |
| 12 | V | 10 | 42 | 52 | 37 |
| 13 | Co-Si (0,0004) | 6 | 46 | 72 | 12 |
| 14 | Co-Si (0,0005) | 3 | 84 | 106 | 2 |
| 15 | Co-Si (0,01) | 2 | 98 | 120 | - |
| 16 | Co-Si (0,15) | 3 | 86 | 112 | 3 |
| 17 | Co-Si (0,16) | 8 | 48 | 76 | 17 |
| 18 | Co | 14 | 36 | 48 | 28 |
Результаты испытания тестовых структур, выполненных из пленок высокочистых сплавов на основе титана, ванадия и кобальта, однозначно свидетельствуют в пользу того, что с помощью магнетронного распыления этих сплавов удается получить пленки дисилицидов наиболее высокого качества с высокой воспроизводимостью процесса их формирования.
1. Способ производства распыляемой мишени из сплава на основе высокочистого переходного металла высокой чистоты из ряда: титан, ванадий, кобальт, включающий последовательное глубокое вакуумное рафинирование электронно-лучевым капельным переплавом металлокерамической заготовки высокой чистоты с получением слитка высокочистого переходного металла, формирование из него дуговым вакуумным переплавом с одновременным легированием кремнием в пределах 0,0005-0,15 м.% в вертикальном кристаллизаторе при интенсивном электромагнитном перемешивании затвердевающего расплава заготовки мишени в виде слитка и механическую обработку полученной заготовки.
2. Распыляемая мишень из сплава на основе высокочистого переходного металла из ряда: титан, ванадий, кобальт, полученная способом по п.1.
3. Распыляемая мишень из высокочистого сплава на основе переходного металла из ряда: титан, ванадий, кобальт, содержащего переходный металл и кремний, при следующем соотношении указанных компонентов, м.%: кремний 0,005-1,0 и металл из ряда: титан, ванадий, кобальт остальное.
