151276 (Методи одержання і вимоги до діелектричних плівок)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

Методи одержання і вимоги до діелектричних плівок

Зміст

Вступ

1. Термовакуумне напилення

1.1 Етапи термовакуумного напилення

1.2 Суть методу

2. Реактивне іонно-плазмове розпилення

2.1 Суть методу

2.2 Методика розпилення

2.3 Переваги іонно-плазмового розпилення

3. Термічне окислення

3.1 Методика окислення

3.2 Властивості термічного окислення

4. Анодне окислення

4.1 Окис алюмінію

4.2 Окис танталу

4.3 Окис вольфраму

4.4 Окис титану

5. Хімічне осадження

5.1 Двоокис кремнію

5.2 Нітрид кремнію

6. Вимоги до діелектричних плівок

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Осадження плівок широко використовується при розробці елементів сучасних інтегральних схем. Для цієї мети широко використовуються не лише напівпровідникові тонкі плівки але і діелектричні тонкі плівки.

Діелектричні плівки використовуються для ізоляції між різними шарами в мікросхемах, в якості масок при дифузії іонній імплантації, для дифузії із легованих плівок з метою запобігти втрат з них легуючих елементів і таке інше. Найбільш поширеним застосуванням діелектричних плівок є в конденсаторах, транзисторах, а також для захисних покрить. [1]

При формуванні ізоляційних шарів використовують такі наступні хімічні сполуки і елементи:

моно окис кремнію SiO, двоокис кремнію SiO₂,

моно окис германію GeO, трьох сірчиста сурма Sb₂S₃,

двоокис титану TiO₂, окисел титану Ta₂O₅,

окисел алюмінію Al₂O₃, а також халькогенідні стекла , кварц, вуглеводні, полімери та ряд інших. [2]

Існує ряд методів одержання тонких діелектричних плівок. Багато є також методів змішання, які бувають більш вдосконаленими. У даній курсовій роботі коротко розглянуто такі наступні п’ять методів:

• термовакуумне напилення;

• реактивне іонно-плазмове розпилення;

• термічне окислення;

• анодне окислення;

• хімічне осадження.

В даній роботі також розглянуто переваги і недоліки кожного з цих методів, як залежить тиск, температура та інші чинники на формування тонких діелектричних плівок, також схематично зображено кілька реакторів для різних методів одержання плівок, в яких відбувається осадження плівок, також коротко розглянуто переваги і недоліки таких реакторів.

Після короткого опису методів одержання тонких діелектричних плівок приведені основні вимоги які мають бути накладені при виготовленні діелектричних плівок їх властивостей.

В завершальній частині даної курсової роботи зроблено короткий висновок розглянутих методів одержання діелектричних тонких плівок і вимог до них.

1. Термовакуумне напилення [5]

Одним із найкращих методів одержання діелектричних плівок є термовакуумне напилення.

1.1 Етапи термовакуумного напилення

а) випаровування вихідної речовини; б) перенесення її від випаровувала до підкладки, в процесі якого частинки випаровуваної речовини стискаються з підкладкою, передають їй частину своєї енергії і осідають на ній; в) процеси адсорбції і десорбції; г) поверхнева дифузія адсорбованих частинок і утворення зароків; д) ріст зародків з утворенням гранул; е) зрощення зародків в суцільну плівку; є) ріст суцільної плівки і перекристалізація; ж) орієнтовне нарощування.

В процесі кристалізації тонких плівок по мірі їх росту проходять структурні зміни, які суттєво впливають на кінцеву структуру плівок. Так як і для розгляду тонких металічних плівок, структура діелектричних плівок залежить від швидкості осадження, температури підкладки, стану її поверхні, тиску, складу кінцевих газів.

1.2 Суть методу

Суть даного методу полягає в нагріві речовини у вакуумі до температури, при якій зростає кінетична енергія атомів і молекул достатня для їх виривання від поверхні і розповсюдження її в навколишнє середовище.

В даний час важливу роль відіграє моноокис кремнію. Його одержують напиленням у вакуумі; його типові діелектричні втрати становлять приблизно 0,4%. Є також можливість регулювати парціальний тиск, швидкість осадження, температуру підкладки і обробку після осадження. Точний хімічний склад такої діелектричної плівки визначити не можна.

Напилення двоокису кремнію має певні трудності внаслідок високої температури його плавлення. Випаровування можна здійснювати електронним бомбардуванням. В цьому випадку діелектричні шари по своєму складу близькі до двоокису кремнію. Але принципова різниця є в тому, що коефіцієнт втрат SiO₂ плівок набагато вищий коефіцієнту втрат в таких плівках як SiO. Були зроблені багаточисленні спроби для напилення діелектриків з високою діелектричною проникністю таких як титанат барію. Прямі напилення призводять до часткового розділення окислів, які можна попередити швидким випаровуванням невеликих зерен масивного матеріалу. Інший спосіб заснований на одночасному випаровуванні барію і окислів титану шляхом нагріву їх за допомогою електронного променя. Обидва методи дозволяють отримати плівки з високою діелектричною проникністю (500-1300), але з великими втратами (15% на частоті 1кГц). Були ткож визначені мінімальні значення опору пробою який становить 0,2 мВ ^. см^-1.

На рис. 1.1 схематично зображена установка для напилення плівок термовакуумним методом.

Рис1.1. Конструкція реактора для термовакуумного напилення.

1 – Газовий потік (в камеру) при гетеруванні; 2 – десорбція газів з нагрітих стінок арматури; 3 – область мінімальної швидкості конденсації на підкладці; 4 – підкладка; 5 – напилена плівка; 6 – газ; 7 – випаровував; 8 – відбивач; 9 – насос.

2. Реактивне іонно-плазмове розпилення

Метод іонно-плазмового розпилення включає в себе реактивне розпилення і розпилення в високочастотних розрядах.

2.1 Суть методу

Суть методу полягає в тому, що мішень із розпилюваного матеріалу бомбардують швидкими іонами газу; при цьому з її поверхні вибиваються атоми, які осаджуються на підкладку, що знаходиться близько до мішені.

Для джерел іонів використовують плазму тліючого розряду, що виникає в атмосфері інертного газу. Склад плазми, енергія іонів і характер процесів взаємодії розпалюваної речовини з плазмою і матеріалом підкладки визначають властивості одержаних тонких діелектричних плівок. За допомогою метода іонно-плазмового розпилення одержують плівки того ж хімічного складу, що і матеріал, який використовують для розпилення.

2.2 Методика розпилення

Системи для іонно-плазмового розпилення називають трьохелектродним або тріодним. На рис. 2.1а, показана схема установки для розпилення матеріалів в плазмі газового розряду низького тиску з штучним катодом. У верхній частині вакуумного ковпака поміщають анод 4, в нижній вольфрамовий катод 7. Третім електродом або зондом Ленгмюра служить мішень 5, яку використовують, як джерело розпилювального матеріалу. Підкладка 2 є електродом, на поверхні якого конденсується розпилений матеріал. Піч 3 служить для підігріву підкладки. Перед підкладкою закріплений нерухомий екран 1, а поряд з мішенню – рухомий екран 6. камеру відкачують за допомогою дифузійного насосу до тиску 1,3 ^. 10^-4 Па, підігрівають підкладку і включають струм накалу на катод. Катод розігрівають до температури, достатньої для одержання термоелектричного струму високої частоти (густини) порядку декількох ампер на квадратний сантиметр); між накаленим катодом і анодом прикладають напругу. Після цього в камеру подають інертний газ при тискові 1,33 ^. (10^-1-10^-2) Па.

Запалювання розряду здійснюють за допомогою високочастотного трансформатора Тесла, а при досить великому термоелектронному струмі розряд виникає сам або треба лише невелике додаткове підвищення анодної напруги. Після виникнення розряду розрядний струм сягає декількох ампер, а напруга на аноді падає до 60 – 40 В, тобто для розряду характерна падаюча вольт-амперна характеристика.

Позитивні іони що виникають в розряді з низькою енергією бомбардують підкладку вибиваючи з її поверхні велику частину слабо зв’язаних забруднень шляхом нагріву та «іонного травлення». Після цього на джерело розпилювального матеріалу (мішень) подається від’ємний потенціал. Витягнуті з плазми додатні іони бомбардують мішень з енергією, достатньою для розпилення атомів матеріалу мішені. [3]

При великих енергіях бомбардуючи іонів вибиті з мішені атоми рухаються в напрямку, перпендикулярно до її поверхні і можуть бути скомпенсовані на поверхні підкладки, яка знаходиться навпроти мішені. Рухомий екран дозволяє одночасно або послідовно попередньо очищувати поверхні підкладки і мішені шляхом розпилення поверхневих забруднень. Якість очистки поверхні мішені і особливо підкладки є одним із важливих факторів в процесі плівки із конденсую чого розпиленого матеріалу.

Великою перевагою іонно-плазмового напилення є його універсальність, можна регулювати швидкість напилення з мішені. Розпилювати можна як чисті напівпровідникові матеріали (кремній та інші), так і напівпровідникові сполуки (наприклад, сульфід кадмію).

Для розпилення не провідникових матеріалів, феритів і діелектриків потрібно застосовувати високочастотні електричні поля. Напруга В4 в цьому випадку прикладається до металічної пластини, яка розміщена за нерухомою мішенню.

На рис. 2.1б показана схема основної частини установки для напилення діелектричних тонких плівок. На цій установці діелектрик бомбардується почергово іонами і електронами тліючого розряду, що виникає в газі при дії на нього високочастотного поля. Іони вибивають із діелектрика молекули, які потім осідають на підкладку. Електрони запобігають утворенню на підкладці позитивних зарядів. Електрони та іони створюються в аргоні, який оточує діелектрик, що є матеріалом для осадження.

Діелектрик закріплюють на електроді, який працює на частоті 13,6 мГц. Підкладку прикріплюють на відстані 25мм від електрода. Розрядний проміжок знаходиться в магнітному полі. В результаті електрони рухаються по спіральним траєкторіям навколо силових ліній магнітного поля в межах області тліючого розряду, що значно збільшує концентрацію іонів. Завдяки використання магнітного поля швидкість осадження виростає приблизно в два рази. Таким чином швидкість можна регулювати змінюючи потужність В4 – генератора, потужність магнітного поля і температуру підкладки.

2.3 Переваги іонно-плазмового розпилення

Одержані таким чином плівки мають велику міцність і хорошу однорідність і не кришаться при розрізанні підкладки на пластини. При високочастотному розпиленні немає необхідності нагрівати підкладку, так як найбільша швидкість осадження при цьому досягається при температурі підкладки 313 К.

Великою перевагою методу іонно-плазмового розпилення є його неінерційність. Неінерційність полягає в тому, що розпилення починається зразу при подачі напруги і після її відключенні розпилення припиняється повністю.

Метою іонно-плазмового напилення є найбільш поширеним у виробництві ІМС для осадження плівок із матеріалів з різними властивостями.

Рис. 2.1. Конструкції реакторів для іонно-плазмового напилення.

3. Термічне окислення

Метод термічного окислення при одержанні діелектричних плівок в основному застосовують в кремнієвій технології. В цьому випадку в атмосфері вологого або сухого окислення кремнієву пластину нагрівають до температури 1073 – 1473 К.

3.1 Методика окислення

Атоми кисню адсорбуються на поверхні кремнієвої пластини, і в результаті взаємодії з атомами кремнію виникає тонка плівка SiO₂. при подальшій адсорбції атомів кисню по поверхні пластини проходить їх дифузія через створений шар SiO₂ і взаємодія з атомами кремнію на границі розділу кремнію-двоокис кремнію. Швидкість процесу окислення залежить від температури і тиску кисню або парів води. Крім того, на швидкість окислення має вплив присутності домішок на поверхні пластини. Причому більш високій концентрації домішок відповідає більш велика швидкість окислення. Ріст пластинки SiO₂ залежить від орієнтації поверхні підкладки.

Найбільшою швидкістю росту характеризується кристалографічна поверхня (111), найменшою (100). На границі розділу кремнію-двоокис кремнію у випадку орієнтації (100) густина поверхневих станів є найменшою. Така властивість поверхні (100) використовується при розробці елементів ІМС.

Структура плівок SiO₂ залежить від способу їх одержання. Так, у вологому кисні, як правило, одержують аморфні плівки, в сухому-кристалічні.

3.2 Властивості термічного окислення

Однією з важливіших властивостей термічного окислення полягає в тому, що термічно нарощені плівки двоокису кремнію мають присутній в них великий позитивний заряд (10¹¹ – 10¹² см^-2), який виникає на поверхні незалежно від типу електропровідності напівпровідникової плівки. Величину цього заряду можна виміряти під дією низькотемпературної обробки 473 – 773 К. особливо ефективною така термообробка є при наявності перпендикулярного електричного поля.

Деякі окисні діелектрики задовільного класу можна отримати шяхом термічного окислення металу у відповідній атмосфері.

Метали, подібні танталу або алюмінію, утворюють дуже тонкі аморфні окисли товщиною 50 – 100 Å при температурах порядку 773 К. при більш високих температурах утворюються змішані аморфно-кристалічні окисли з поганими діелектричними властивостями. Але діелектрики задовільного класу, що мають високу електричну стійкість були одержані на кремнію при температурах 1173 – 1473 К. основною перевагою їх в зменшенні станів по границі розділу внаслідок тісного хімічного зв’язку, що виникає в процесі вирощування плівки. [3]

4. Анодне окислення

При одному окисленні використовують електроліт, який має негативно заряджені іони кисню. Самим анодом служить пластинка напівпровідника, що окислюється. Властивості плівок які можна одержати цим методом залежить від складу електроліта. В розчинах кислот виростають плівки, які мають значну товщину і велику шершавість поверхні. Якщо в якості електроліта використати розчин солей, то виростуть міцні і хімічно стійкі аморфні плівки. Швидкість процесу окислення збільшується, якщо в електроліті є іони хлора і фтора. Крім того, прсутність цих іонів локалізує позитивний заряд поблизу границі розділу кремній – двоокис кремнію. При наявності іонів хлору густина заряду складає біля 4,6 ^. 10¹²см^-2 і з зростанням концентрації іонів хлору зростає. Густину заряду можна зменшити шляхом низькотемпературного відпалу. Ці ефекти обумовлені проникненням іонів галогенів в плівку SiO₂, причому існування заряду можна пояснити захватом дирок ловушками поблизу границі розділу кремній – двоокис кремнію.

Товщина плівок визначається прикладеною напругою і протяжністю процесу окислення. Якість плівок можна збільшити шляхом їх згущення в парах води при підвищеній температури.