Способ получения тонких металлических пленок на основе вольфрама

Авторы патента:

Горностай-Польский Вадим Станиславович (RU)

C23C14/35 - с использованием магнитного поля, например распыление магнетроном

C23C14/0641 - Покрытие вакуумным испарением, распылением металлов или ионным внедрением материала, образующего покрытие (разрядные трубки с устройствами для ввода объектов или материалов, подлежащих воздействию разряда H01J 37/00)

C22C27/04 - сплавы на основе вольфрама или молибдена

Владельцы патента RU 2775446:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (RU)

Изобретение относится к области нано- и микроэлектроники, а именно к созданию проводниковых межсоединений металлизации высокотемпературных кремниевых полупроводниковых приборов и ИС. Способ получения тонких металлических пленок на основе вольфрама включает магнетронное распыление в газовой среде, содержащей аргон, мишени на основе вольфрама для осаждения тонкой пленки двухкомпонентного сплава вольфрама, при этом в качестве мишени используют мишень на основе сплава вольфрама, содержащего 5-10 ат.% титана, и осаждают на окисленную поверхность кремниевой подложки тонкую пленку сплава, содержащего 5-10 ат.% титана, вольфрам - остальное. Если в качестве мишени используют вольфрамовую мишень, магнетронное распыление проводят в аргон- азотной среде и осаждают на окисленную поверхность кремниевой подложки тонкую пленку сплава вольфрама, содержащего 10-15 ат.% азота, вольфрам - остальное. Полученные пленки двухкомпонентных сплавов W(Ti) и W(N) характеризуются пониженным уровнем встроенных механических напряжений, повышенной пластичностью и удовлетворительной адгезионной способностью к оксиду кремния при незначительном повышении удельного объемного сопротивления. 1 ил., 1 пр.

Тонкие металлические пленки на основе вольфрама могут быть использованы в области микро- и наноэлектроники в качестве металлизации межсоединений высокотемпературных кремниевых интегральных схем. Это позволит существенно повысить надежность функционирования УБИС (атомные электростанции, аэрокосмические комплексы и средства, автомобилестроение и т.д.).

Известен способ получения тонких пленок на основе вольфрама [1]. Способ заключается в том, что изготавливают оригинальную мишень, содержащую вольфрам, кремний и титан. Магнетронным распылением мишени в среде аргона обеспечивают осаждение тонких пленок трехкомпонентного сплава состава, мас. %: кремний 0,1-1,3, титан 11-33, вольфрам - остальное. Данные пленки используются в металлизации ИС в качестве слоя диффузионного барьера, для препятствования взаимного проникновения кремния и материала проводникового слоя. Однако, если с одной стороны указанное количество примесей в сплаве обеспечивает эффективные свойства пленок в качестве диффузионного барьера, то с другой - наличие кремния в сплаве, существенно увеличивает шероховатость поверхности пленок. Пленки характеризуются повышенным сопротивлением из-за значительного содержания титана в сплаве. Удельное объемное сопротивление вольфрама составляет 5 мкОм⋅см, у титана - 42 мкОм⋅см, что снижает эффективность их использования в качестве проводниковых межсоединений металлизации ИС.

Известен способ получения тонких пленок на основе вольфрама [2]. Способ заключается в том, что изготавливают оригинальную мишень, содержащую вольфрам, рений и титан. Магнетронным распылением мишени в среде аргона обеспечивают осаждение тонких пленок трехкомпонентного сплава состава, мас. %: рений 0,04-9,78, титан 2.5-37, вольфрам - остальное. Данные пленки также используются в металлизации ИС в качестве слоя диффузионного барьера. Однако, как и в первом аналоге пленки характеризуются повышенным сопротивлением из-за наличия двух примесей в сплаве, в первую очередь титана. Кроме того, рений является редким элементом, что снижает ценность данного сплава при использовании пленок в металлизации ИС, а именно в качестве проводниковых межсоединений металлизации ИС.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения тонких металлических пленок на основе вольфрама [3]. Способ заключается в том, что изготавливают оригинальную мишень, содержащую вольфрам и титан. Магнетронным распылением мишени в среде аргона обеспечивают осаждение тонких пленок двухкомпонентного сплава состава, ат. %: титан 35-40, вольфрам - остальное. Данные пленки также используются в металлизации ИС в качестве слоя диффузионного барьера. Пленки характеризуются повышенным сопротивлением из-за значительного содержания титана в сплаве, что не позволяет использовать их в качестве проводниковых межсоединений ИС.

Задача изобретения - уменьшение уровня механических напряжений в пленках вольфрама, повышение пластичности и адгезионной способности тонких пленок на основе вольфрама при сохранении высокой проводимости материала пленок.

Это достигается тем, что в способе получения тонких металлических пленок на основе вольфрама, включающем магнетронное распыление мишени в газовой среде, содержащей аргон, осаждение тонкой пленки двухкомпонентного сплава вольфрама используют мишень на основе сплава вольфрама, содержащего 5-10 ат. % титана, вольфрам - остальное, а в результате магнетронного распыления пленки осаждается тонкая пленка сплава, содержащего 5-10 ат. % титана, вольфрам - остальное или используется вольфрамовая мишень, тогда магнетронное распыление мишени проводят в аргон - азотной среде для осаждения тонкой пленки сплава вольфрама, содержащего 10-15 ат. % азота.

Предполагается, что это связано с влиянием присутствующим в пленках вольфрама углерода. Поскольку растворимость углерода в вольфраме очень малая (0,01-0,05%), основная часть углерода содержится на границе раздела зерен вольфрама, что приводит к охрупчиванию материала и повышению его температуры хладноломкости. Введение примеси титана и азота (аналогично рению) способствует сегрегации поверхностных слоев зерен и диффузии углерода в объем зерен, что приводит к увеличению пластичности вольфрама и снижению температуры хладноломкости. Тем самым достигается снижение уровня механических напряжений в вольфраме, а также улучшаются его адгезивные свойства.

На фиг. 1 представлена зависимость распределений механических напряжений в латеральном направлении в структурах W - Si и W(10 ат. %Ti) - Si.

Способ осуществляется следующим образом. В качестве мишени используют мишень на основе сплава вольфрама, содержащего 5-10 ат. % титана, а после магнетронного ее распыления в среде аргона происходит осаждение тонкой пленки сплава, содержащего 5-10 ат. % титана, вольфрам -остальное. Если в качестве мишени используют чистую вольфрамовую мишень, магнетронное распыление проводят в аргон - азотной среде, а в результате магнетронного ее распыления происходит осаждение тонкой пленки сплава вольфрама, содержащего 10-15 ат. % азота, вольфрам -остальное.

Было проведено исследование механических напряжений в системах Si - W, Si - W(Ti), Si - W(N) и выявлено, что с содержанием концентрации примесей Ti от 5 ат. % и выше или N от 10 ат. % и выше уровень механических напряжений в пленках вольфрама снижался. Пленки вольфрама становились пластичнее. При содержании концентрации примесей Ti 10 ат. % или N 15% уровень механических напряжений снизился более, чем в 3 раза. При этом для контроля использовали неразрушающий метод оптического лазерного сканирования для измерения изменения кривизны пластин кремния из-за нанесенной пленки и определения уровня встроенных механических напряжений.

Также определяли адгезионную способность исследуемых пленок к кремниевым подложкам, покрытым оксидом кремния, методом равномерного нормального отрыва пленки от подложки. Для этого к пленкам ультразвуковым способом приваривали алюминиевую проволоку диаметром 40 нм и прикладывали нагрузку. Нагрузку увеличивали постепенно до момента разрушения сварного соединения или отрыва пленки от подложки. Величину нагрузки, вызвавшей разрушение, регистрировали. Выявили, что при введении примесей титана или азота с заявляемым процентным соотношением в объем пленок вольфрама адгезионная способность пленок вольфрама к кремниевым подложкам, покрытым оксидом кремния, является удовлетворительной для использования их при создании тонкопленочных проводниковых межсоединений ИС.

Однако, с увеличением процентного содержания титана более 10 ат. % или азота более 15 ат. % в пленках вольфрама механически напряжения остаются на том же уровне, но существенно увеличивается удельное объемное сопротивление сплава, что является неприемлемым при использовании пленок для создания проводниковых межсоединений ИС. В частности, в сравнение с чистой вольфрамовой пленкой сопротивление пленок вольфрама, содержащей 10 ат. % титана увеличилось не более, чем в 1,3 раза, а при содержании титана на уровне 40 ат. % в пленке вольфрама удельное объемное сопротивление увеличивается почти на порядок.

Пример.

Магнетронным распылением в среде аргона вольфрамовой мишени, содержащей 10 ат. % титана, на окисленную поверхность кремниевой подложки осаждают тонкую (0.45 мкм) пленку двухкомпонентного сплава: 10 ат. % титана, вольфрам - остальное.

Магнетронным распылением в аргон - азотной среде (10 л/час - аргон, 3 л/час - азот) вольфрамовой мишени на окисленную поверхность кремниевой подложки осаждают тонкую (0.45 мкм) пленку двухкомпонентного сплава: 15 ат. % азота, вольфрам - остальное.

При исследовании адгезионной способности исследуемых пленок к кремниевым подложкам, покрытым оксидом кремния, установлено, что средняя величина усилия на отрыв приваренной к пленкам алюминиевой проволоки составила 1150 Г/мм², 3747 Г/мм², 3953 Г/мм² для пленок W, W(Ti-10 ат. %) и W(N-15 ат. %), соответственно. В соответствие с 109-4 ОСТ 11 073.013-2008 «Микросхемы интегральные, методы испытаний. Испытания на воздействие механических факторов», часть 1, для 40 мкм алюминиевой проволоки величина усилия на отрыв должна составлять не менее 3580 Г/мм².

Таким образом, пленки рассмотренных двухкомпонентных сплавов W(Ti) и W(N) характеризуются пониженным уровнем встроенных механических напряжений, повышенной пластичностью и удовлетворительной адгезионной способностью к оксиду кремния при незначительном повышении удельного объемного сопротивления.

Источники информации:

1. Патент РФ №2454481,

2. Патент РФ №2454482,

3. Патент РФ №2352684 - прототип.

Способ получения тонких металлических пленок на основе вольфрама, включающий магнетронное распыление в газовой среде, содержащей аргон, мишени на основе вольфрама для осаждения тонкой пленки двухкомпонентного сплава вольфрама, отличающийся тем, что в качестве мишени используют мишень на основе сплава вольфрама, содержащего 5-10 ат.% титана, и осаждают на окисленную поверхность кремниевой подложки тонкую пленку сплава, содержащего 5-10 ат.% титана, вольфрам - остальное, или в качестве мишени используют вольфрамовую мишень, магнетронное распыление проводят в аргон-азотной среде и осаждают на окисленную поверхность кремниевой подложки тонкую пленку сплава вольфрама, содержащего 10-15 ат.% азота, вольфрам - остальное.

Изобретение относится к области технологии функциональных материалов и устройств нанофотоники, оптоэлектроники и конвертеров излучения с высокой термической стабильностью на базе наноразмерных тонкопленочных структур оксидов редкоземельных элементов. Способ получения оптического тонкопленочного покрытия из оксида гадолиния Gd2O3 на подложке из кварцевого стекла методом высокочастотного реакционного магнетронного распыления включает следующие операции.

Способ получения оптических тонкопленочных функциональных покрытий gd2o3 на подложке кварцевого стекла // 2772770

Способ антикоррозионной защиты лопаток двигателей и турбин // 2772538

Способ антикоррозионной защиты лопаток двигателей и турбин относится к области авиадвигателестроения и может использоваться для защиты лопаток двигателей и турбин от высокотемпературной оксидно-сульфидной и газовой коррозии. Способ нанесения антикоррозионного защитного покрытия на лопатки двигателей и турбин включает ионную очистку поверхности деталей в вакууме, нанесение слоев упомянутого покрытия магнетронным напылением и термообработку покрытия из нанесенных слоев в вакууме.

Способ изготовления сверхпроводящего провода // 2771662

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления сверхпроводящего провода, и может быть использовано при изготовлении сверхпроводящих проводов методом реактивного магнетронного напыления. Повышение скорости изготовления буферных слоев сверхпроводящего провода с высоким критическим током является техническим результатом изобретения.

Способ получения коррозионностойкого покрытия // 2768092

Изобретение относятся к способу получения коррозионностойкого покрытия на детали пары трения и может быть использовано в химической, машиностроительной, горно- и нефтедобывающей промышленности, в инструментальном и ремонтном производствах для повышения защитных свойств поверхности инструмента и пар трения в агрессивной среде, а также повышения их теплостойкости при обработке в условиях сухого трения.

Способ получения коррозионностойкого покрытия // 2768053

Изобретение относится к способу получения коррозионностойкого покрытия на детали пары трения и может быть использовано в химической, машиностроительной, горно- и нефтедобывающей промышленности, в инструментальном и ремонтном производствах для повышения защитных свойств поверхности инструмента и пар трения в агрессивной среде.

Способ получения многофункционального многослойного покрытия // 2768046

Изобретение относится к способу получения многослойного покрытия на подложке в виде детали пары трения или режущего инструмента и может быть использовано в машиностроительной, горно- и нефтедобывающей промышленности, в инструментальном и ремонтном производствах для упрочнения поверхности инструмента и пар трения.

Способ нанесения электропроводящего твердосмазочного износостойкого покрытия на кинематические контактные пары из медных сплавов // 2767922

Изобретение относится к способу нанесения композиционного электропроводящего твердосмазочного износостойкого покрытия на кинематические контактные пары из медных сплавов и может быть использовано в авиапромышленности, машиностроении и других областях. Осуществляют импульсное магнетронное распыление катода из меди марки М1 с кольцевыми концентрическими пазами, в которые запрессован порошок дисульфида молибдена для ионно-плазменного осаждения слоя системы Cu-Mo-S, содержащего дисульфид молибдена, легированный медью, и имеющего волокнисто-глобулярную структуру, состоящую из смеси нанозерен фазы Шевреля Cu2Mo6S8 и нанокубоидов чистой меди.

Способ создания медного покрытия на стальной фольге для приемной пластины дивертора токамака // 2767920

Изобретение относится к области термоядерной техники и может быть использовано для создания приемной пластины дивертора токамака, основанного на концепции текущего слоя жидкого лития. Способ создания медного покрытия на стальной фольге для приемной пластины дивертора токамака включает размещение образца в зоне обработки, создание вакуума в зоне обработки, очистку поверхности ионами инертного газа, осаждение промежуточного слоя из меди в магнетронном разряде постоянного тока, горящем в среде инертного газа при мощности разряда 1,0-2,5 кВт, и последующее создание основного покрытия из меди, при этом очистку поверхности образца осуществляют ионами аргона в плазме аномального тлеющего разряда при напряжении разряда до 700 В, мощности разряда до 2,5 кВт и рабочем давлении 1,0 Па в течение времени до 30 минут, при нагреве образца до температуры до 500°С, осаждение промежуточного слоя меди осуществляют на нагретую свыше 500°С поверхность образца в течение периода времени более 60 мин, после чего образец охлаждают в среде аргона до достижения комнатной температуры, развакуумируют, покрывают всю поверхность образца с осажденным на него промежуточным слоем медной стружкой, создают вакуум, обрабатывают поверхность образца вместе со стружкой в плазме аномального тлеющего разряда при напряжении разряда до 700 В, мощности разряда до 2,5 кВт и рабочем давлении 1,0 Па в течение времени до 30 мин, и создают основное покрытие из меди толщиной до 10 мм методом нагрева образца, покрытого медной стружкой, с помощью нагревателя до температуры плавления меди, после чего нагреватель выключают и образец охлаждают в среде аргона до достижения им комнатной температуры.

Способ нанесения карбонитрида титана на стеклянные изделия // 2766419

Изобретение относится к области декорирования стекла и изделий из него, а именно к способу нанесения карбонитрида титана на стеклянные изделия, и может быть использована в стекольной промышленности. Из камеры для напыления откачивают воздух до вакуума 0,02 Па и вращают корзину со стеклянными изделиями со скоростью вращения корзины 2 оборота в минуту.

Способ непрерывного выращивания полупроводниковых пленок алмаза // 2773320

Изобретение относится к области выращивания кристаллов и может быть использовано для получения пленок алмаза большой площади на подложках из кремния. Способ непрерывного выращивания полупроводниковых пленок алмаза включает нагрев порошка алмаза 5 в графитовом контейнере в среде вакуума с осаждением пленки алмаза 8 на поверхности кремния, при этом под нижней поверхностью контейнера посредством бобин 2, 9 перемещают ленту из графитовой фольги 3 с предварительно полученным слоем мультикристаллического кремния, днище контейнера выполняют в виде приваренного к его граням слоя 7 углеродной ткани с саржевым плетением, нагрев порошка алмаза осуществляют до температуры 1050°С графитовым нагревателем 6, затем создают разность потенциалов между корпусом контейнера и подающей бобиной 2 с упомянутой лентой 3, а ленту с полученной пленкой алмаза 8 наматывают на приемную бобину 9.