Программа учебной дисциплины «электрохимические методы осаждения металлов. Особенности осаждения меди»
Скачать 0.5 Mb.
|
Семинары 5-6. Катодное осаждение меди в технологии УБИС. LIGA- технологии. План проведения семинаров. 1. Достоинства меди в многоуровневой металлизации. 2. Анализ методов формирования тонких пленок меди. 3. Особенности катодного осаждения. Теоретическая часть Катодное осаждение меди в технологии УБИС Электрохимическое осаждение является одним из наиболее гибких и экономически эффективных технологических процессов в цикле производства интегральных устройств. В последнее время локальное катодное осаждение меди широко применяется в производстве ультрабольших интегральных схем при создании межсоединений элементов. Высокие требования к планарности и шероховатости поверхности, а также необходимость заполнения топологических окон с высоким аспектным отношением заставляют особое внимание уделять процессам массопереноса вблизи поверхности электрода с развитым рельефом. Катодное осаждение меди протекает согласно реакции  (1)Вблизи поверхности катода, где протекает реакция (1), электролит обедняется ионами меди. В первом приближении концентрационный профиль ионов у поверхности электрода может быть представлен в виде, изображенном на рис.1. В зависимости от температуры, вязкости и условий перемешивания электролита концентрация катионов у поверхности достигает значения средней по объему концентрации на расстоянии , называемом толщиной диффузионного слоя.  Рис.1. Концентрационный профиль катионов вблизи поверхности катода В пределах диффузионного слоя имеется ненулевой градиент концентрации, который определяет появление диффузионного потока ионов к поверхности электрода. В присутствии высокой концентрации фонового электролита дрейфом катионов можно пренебречь. Плотность диффузионного потока задается первым законом Фика  Данный диффузионный поток определяет плотность диффузионного тока jD  Очевидно, что концентрация катионов в непосредственной близости от поверхности не может принимать отрицательные значения, следовательно, существует максимальное значение плотности диффузионного тока, равное  Неоднородные условия диффузии приводят к росту морфологической нестабильности поверхности осаждения. В результате любые неоднородности исходного рельефа усиливаются в процессе катодного восстановления. Это явление наглядно иллюстрируется схемой, представленной на рис.2. Очевидно, что вблизи вершины выступа концентрация ионов, а, следовательно, и диффузионный поток ионов, оказываются значительно большими, чем у его основания. Т.е. выступы растут быстрее, чем зарастают впадины на поверхности.  Рис.2. Концентрационный контур  и  вблизи выпуклого участка поверхностиНаличие кривизны поверхности неизбежно приводит к неоднородному распределению напряженности электрического поля вблизи электрода. Напряженность поля возрастает в окрестности выступов с малым радиусом. Когда доставка ионов осуществляется совместно посредством электромиграции и диффузии, это приводит к развитию рельефа. Минимизировать этот эффект позволяют добавки фонового электролита, содержащего катионы с высокой подвижностью. Так при осаждении меди фоновым электролитом может выступать H2SO4. Подвижность ионов Н+ значительно превышает подвижность ионов Cu2+. Поэтому первые вносят основной вклад в дрейфовый ток, а вторые движутся к электроду в основном посредством диффузии. Помимо фоновых добавок электролиты меднения содержат ряд компонентов, которые за счет адсорбции на катоде влияют на протекание реакции осаждения. Наиболее часто в состав растворов вводят буферные добавки, обеспечивающие постоянство значения рН. Эти добавки часто содержат ионы Cl-, которые за счет адсорбции активируют процесс образования плоскостей, ориентированных в направлении [100]. Это приводит к образованию характерного рельефа покрытия, состоящего из кристаллитов кубической формы. Электролиты меднения также обязательно содержат блескообразующие добавки, понижающие шероховатость поверхности покрытия. Главную роль в процессе заполнения топологических окон и траншей при создании УБИС играют добавки, ускоряющие и замедляющие осаждение. В зависимости от состава электролита и режимов осаждения меди в окно с высоким аспектным отношением могут наблюдаться три различных вида заполнения: субконформное, конформное и суперконформное. Как показано на рис.3, в первых двух случаях в межуровневых соединениях образуются полости, которые повышают сопротивление проводников и при высоких плотностях тока могут приводить к выходу из строя систем металлизации в процессе работы схем.  Рис.3. Схема, иллюстрирующая морфологию заполняющего покрытия при субконформном, конформном и суперконформном осаждении меди Суперконформное заполнение основано на действии специальных добавок, которые ингибируют осаждение на выступах и ускоряют рост меди в углублениях. Действие ускорителей можно пояснить на основании схемы, представленной на рис.4. Так как катодное осаждение может протекать только на проводящей поверхности, то на поверхность структуры предварительно наносят конформную тонкую пленку металла (как правило, меди). При пропускании тока молекулы ускоряющей добавки равномерно распределяются по поверхности тонкого затравочного слоя (рис.4,а). В процессе роста пленки меди площадь поверхности электрода внутри окна уменьшается, а концентрация ускорителя увеличивается (рис.4,б). Это приводит к увеличению скорости осаждения внутри окна, при этом концентрация ускорителя непрерывно растет (рис.4,в). Ускоренный рост пленки в области окна приводит даже к образованию выступа над окном (рис.4,г). В качестве ускорителей осаждения меди наиболее часто применяют тиолы (другие названия - меркаптаны, тиоспирты), которые содержат в молекуле меркаптогруппу —SH (сульфгидрильную группу), непосредственно связанную с органическим радикалом. Концентрация таких добавок в электролитах обычно выбирается в диапазоне от 10-6 до 10-5 моль/л.  Рис.4. Схема протекания суперконформного заполнения в присутствии ускорительных добавок Для повышения качества заполнения применяют замедлители (ингибиторы), которые представляют собой молекулы полимеров, таких как полиэтилен гликоль. При протекании катодного тока замедлители образуют пассивирующую пленку на поверхности. Поверхностная концентрация ингибитора зависит обратно пропорционально концентрации ускорителя, поэтому ингибиторы преимущественно пассивируют внешнюю часть окон и препятствуют образованию пор в покрытии. Концентрация замедлителей обычно выбирается в диапазоне от 10-4 до 10-3 моль/л. Схема, иллюстрирующая совместное действие ускорителя и ингибитора, представлена на рис.5.  Рис.5. Схема совместного влияния катализирующих и ингибирующих добавок на скорость осаждения меди На основе катодного осаждения меди в технологии производства УБИС реализуются базовый процесс Damascene. Существуют две типичных разновидности процесса, схемы которых представлены на рис.6. Их принципиальное различие заключается в количестве операций осаждения и химико-механического полирования (ХМП). Операция ХМП всегда входит состав маршрутов, включающих химическое и электрохимическое осаждение меди. Это связано с тем, что медное покрытие формируется не только в области окна, но и на нерабочих внешних поверхностях. Поэтому для удаления избыточного слоя меди обязательно применяют ХМП.  Рис.6. Маршруты изготовления межуровневых соединений с использованием катодного осаждения меди LIGA-технологии В настоящее время наряду с методами оптической и электронной литографии широкое применение находят методы микроштампования сложных по форме структур, обеспечивающие прецизионную передачу геометрических размеров. Изготовление микроштампов подразумевает создание твердой негативной копии будущей микродетали. Для этой цели, особенно при создании трехмерных структур нашли методы, называемые LIGA-технологии. Название LIGA-технология происходит от немецкого акронима Lithographie, Galvanoformung, und Abformung, который подразумевает последовательное использование литографии, электрохимического осаждения и штампования. Этот метод может применяться для создания трехмерных структур и структур с высоким аспектным отношением на основе широкого класса материалов, таких как металлы, полимеры, керамика и стекла. На рис.7 представлена принципиальная схема маршрута изготовления микроштампа. Маршрут подразумевает литографический перенос изображения в объем толстого (до 1 мм) слоя резиста. Для этих целей применяют жесткое рентгеновское излучение, генерируемое источниками синхротронного излучения. Наиболее широко применяемым в этом процессе резистом является полиметилметакрилат (ПММА). Длина волны излучения порядка нескольких десятых нанометров позволяет создавать структуры с аспектным отношением до 1000:1 в резисте толщиной до 1 мм (рис.7).  Рис.7. Изображение трехмерной структуры высотой 1,5 мм, полученной рентгеновской литографией в ПММА LIGA-технология основана на локальном осаждении металла (наиболее часто Ni) в области, незащищенные ПММА. Толстые пленки ПММА наносят многостадийным центрифугированием или плазмохимическим осаждением. После осаждения металла пленку фоторезиста растворяют, оставляя на подложке микрореплики штампа. Комбинирование синхротронного излучения с традиционной УФ-литографией и растворением жертвенного слоя позволяет формировать в едином цикле трехмерные структуры (рис.8).  Рис.8. LIGA - процесс с использованием УФ-литографии и жертвенного слоя Задание на самостоятельную работу Общие положения На самостоятельную работу студентов в данном модуле отведено 36 часов. Основной задачей самостоятельной работы студентов в рамках данной дисциплины является проявление способности самостоятельно разработать технологию электрохимического процесса осаждения меди для металлизации УБИС. Задание по практической самостоятельной работе
Контрольные вопросы для тестов и зачета
|
Похожие:
 | Рабочая программа учебной дисциплины разработана на основе фгос и в соответствии с примерной программой учебной дисциплины для специальностей... | | Рабочая программа учебной дисциплины разработана на основе фгос и в соответствии с примерной программой учебной дисциплины для специальностей... |
| Рабочая программа учебной дисциплины разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта по специальности... |  | Рабочая программа учебной дисциплины одобрена на заседании кафедры трудового, экологического права и гражданского процесса |
| Рабочая программа учебной дисциплины составлена на основе требований Федерального государственного образовательного стандарта по... | | Требования к подготовленности обучающегося к освоению содержания учебной дисциплины (пререквизиты) |
| Интернет-ресурсов, основной и дополнительной литературы; контроль и оценку результатов освоения дисциплины | | Рабочая программа учебной дисциплины разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта (далее – фгос)... |
| Охватывают грамматические особенности немецкого языка | | Программа учебной дисциплины «Иностранный язык (профессиональный)» разработана на основе Федерального государственного образовательного... |