Курсовая работа: 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 германіюGeO, трьох сірчиста сурма Sb₂ S₃ ,

двоокис титану TiO₂ , окисел титану Ta₂ O₅ ,

окисел алюмініюAl₂ O₃ , 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 ^. 10¹² см^-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.

Окисний шар, одержаний анодним окисленням, характеризується головним чином аморфною структурою і великим опором пробою. Незважаючи на різносторонні дослідження різних металів в даний час в мікроелектроніці знаходять широке застосування тільки анодний алюміній і тантал.

Часто в структурі у вигляді другого шару використовують напівпровідниковий окисел, осаджений на діелектрик. Це покращує частотні і температурні характеристики плівок в порівнянні з тими плівками, для одержання яких використовується рідкий електроліт .

Тонкі плівки із розпиленого танталу внаслідок в наслідок її відносної високої частоти і гладкої поверхні в порівнянні з масивним матеріалом дозволяють формувати діелектричні шари такої високої якості, що електроди від випаровуваного матеріалу можна наносити без використання проміжного шару. Це напевне, найбільш легкий спосіб одержання плівок з великими постійними часу.

Хоча цей метод виготовлення діелектричних плівок і не зв’язаний з вакуумною апаратурою, та деякі результати цього методу заслуговують на його існування. Багато чого при виготовленні ІМС. Розробляється із застосуванням саме цього метод.

4.1 Окис алюмінію

Високо цінним в електроніці є анодування алюмінію. В загальному основними практичними вимогами при цьому процесі є:

· висока частота металу та електроліту при точному контролі напруги формування;

· густина струму;

· температура електроліту.

При дослідженні властивостей конденсаторів, які були виготовлені анодним методом дуже чистої алюмінієвої фольги і напиленням у вакуумі верхнього алюмінієвого електроду показано, що найкращі характеристики можна досягнути двохступінчастим анодуванням. При цьому переваги товстої пористої, яку одержують в щавелевокислому електроліті, доповнюються перевагами густої окисної плівки, яка утворюється в електролізі із борної кислоти. Для окисних плівок 10000Å, які можна використовувати при напрузі до 400В по амплітуді, досягнуті значення ємності порядку 0,006 мкФ/см² . Коефіцієнт втрат рівний 0,005 на частоті 50Гц, був менший, ніж у електролітичного конденсатора відповідної ємності. [4]

4.2 Окис танталу

Електролітично анодований тантал треба вважати одним із найкращих діелектриків для конденсаторів. При виготовленні конденсаторів як завжди спочатку наносять плівку танталу катодним розпиленням в атмосфері аргону, потім анодуванням нарощують шар діелектрика і на кінець зверху наносять алюмінієвий або золотий електрод.

Властивості танталових тонко плівкових конденсаторів вивчалися дуже довго. В результаті дослідження виявилося, що електрична стійість анодованого танталу становить приблизно 6 ^. 10⁶ В/см. Діелектрична проникність такої плівки 25 і практична ємність 0,1 мкФ/см² при робочій напрузі 50 В.

Як було встановлено, коефіцієнт втрат при 293 К не перевищує 0,01 в широкому інтервалі частот. При робочих частотах більше 50 кГц коефіцієнт втрат зростає із-за наявності ефективного послідовного опору нижнього танталового електроду.

Схеми на основі танталу мають перевагу сумісності, так як і опори, і конденсатори виготовляють із одного вихідного матеріалу і одним і тим же методом нанесення. Велика величина ємності на одиницю площі разом з високою стабільністю опорів із нітриду танталу є дуже цінною в мікроелектроніці. Головним недоліком треба вважати опір нижнього електроду конденсатора, який на високих робочих частотах є дуже чуттєвим. [4]

4.3 Окис вольфраму

Анодним методом також добилися виготовлення діелектричної плівки з вольфраму. На основі цих плівок були виготовлені опори і ємності. Анодування таким чином проводилося в 1%-ій сірчистій кислоті при напрузі 35В. В результаті виявився великий розкид струмів втечі, який складає коефіцієнт 0,6. розрахована по товщині окислу діелектрика стала була рівна 40. Ці результати виявились дуже поганими і ними не можна користуватися при виготовленні конденсаторів, але подальші дослідження і вивчення можуть призвести до одержання кращого діелектрика.

4.4 Окис титану

В практиці при виготовленні тонко плівкових конденсаторів на керамічній підкладці було використано нанесення плівок титану хімічним шляхом а потім анодуванням. Він призвів до значення ємності до 0,01 мкФ/см² при коефіцієнті втрат менше 1% в широкому інтервалі частот. Опір втрат при 50В перевищив 10¹⁰ Ом/см² , а температурний коефіцієнт ємності склав 0,08%/град.

Цим же методом виготовлялись опори, причому для точної підгонки величини опору використовували анодування. Було виявлено, що титан забезпечує ті ж переваги при виготовленні пасивних кіл в мікроелектроніці що і титан. Про електрохімічне окислення поверхні титану пише Сіберт, який вивчив великий набір електроліті.

Найкращі характеристики анодування досягаються в одному електроліті метил етилового ефіру фосфорної кислоти зі швидкістю створення плівок 20Å/В. Нерівність поверхні плівок перешкоджала точному обрахунку величини діелектричної постійної при використанні срібного верхнього електроду. Усереднена по товщині діелектрична стала була рівна приблизно 20-ти.

Титанові плівки наносяться також випаровуванням. Поверхня титану анотувалася в електроліті, який містив етиленгліколь і водний розчин щавелевої кислоти. Процес анодування використовувався для підгонки величини титанових опорів і для виготовлення діелектричних шарів для конденсаторів і діодів. Швидкість створення окисних плівок складала 22Å/В, а їх діелектрична стала була рівна приблизно 40. температурний коефіцієнт ємності в інтервалі від -473 ­до +473 К складав +0,03%/град. Діелектричні втрати таких конденсаторів в інтервалі частот від 100 Гц до 400 кГц виростали при підвищенні частоти від tgδ = 0,02 до tgδ = 0,05, що було обумовлено існуванням ефективного послідовного опору нижнього електроду.

При виготовленні конденсаторів можна також анодувати нанесені випаровуванням титанові плівки. Було виявлено, що напруга пробою залежала від полярності прикладеної напруги. Конденсатори ємністю 0,05 мкФ/см² в прямому напрямі витримували сили від 2 до 14В, в той час як в затвірному режимі ця величина сягала до 50-ти В. Пробій будь-якому напрямку призводив до незворотного виходу конденсатора з ладу.

Діелектричні втрати такої плівки виявились дуже низькими менше 1% на частоті 1 кГц при 293 К, а діелектрична проникність 50.

5. Хімічне осадження

При хімічному осадженні можна вибирати й використовувати багато реакцій хімічних сполук. Вибір конкретної хімічної реакції часто залежить від температури осаджування, яка визначається з урахуванням властивостей матеріалів, які входять в структуру осаджуваної плівки. Найбільш розповсюдженим є термічний розпад тетраетоксилану при температурах 973 – 1173. такий процес нанесення тонких діелектричних плівок називається піролізом. Якість піролітичного виготовлення плівок можна покращити шляхом проведення цього процесу в присутності кисню. Піролітичний процес можна також проводити при більш низьких температурах, які не перевищують 673 – 773K. При зменшенні температури піролізу швидкість осадження плівок зростає. Плівки SiO₂ одержані цим методом мають аморфну структуру. Також ще використовують реакції окислення силану киснем при температурі 673 – 723 К для осадження двоокису кремнію. Часто для легування окислів в реакційну камеру добавляють легуючі елементи. Частіше всього для цього використовують такі гідриди як арсін, фосфін і дибо ран, так як процес їхнього одержання і очистки добре освоєний. Нітрид кремнію одержують реакцією силану з аміаком при атмосферному тискові і температурі 973 – 1173 К або реакцією дихлорсилану з аміаком при пониженому тискові і температурі до ~ 973 К.

На рис. 5.1. показані два типи реакторів, які використовують для процесів осадження плівок хімічним способом.

Рис. 5.1. Конструкції реакторів для методу хімічного осадження

На рис. 5.1. представлений реактор з горячими стінками, який працює при пониженому тискові і використовується в основному для осадження полі кремнію, двоокису кремнію і нітриду кремнію. Такий реактор складається з кварцової труби, що нагрівається трьохзонній печі. Газова суміш поступає з одного кінця труби і відкачується з другого. Для механічного насосу інколи підсилюється вентилятором Рутса. Тиск в реакційній камері звичайно складає від 30 до 250 Па, температура 573 – 1173К, а затрата газу 100 – 1000 см³ /хв. в перерахуванні на атмосферний тиск. Підкладки встановлюються вертикально, перпендикулярно газовому потокові, в кварцовій лодочці. Одночасно в реакторах такого типу можна обробляти від 50 до 200 підкладок. Для зміни динаміки газового потоку інколи використовують спеціальні обтікателі. Досягнута однорідність товщини плівок ± 5%. Реактори з горячими стінками, які працюють при пониженому тискові, можна легко збільшити (в масштабі) для обробки підкладок діаметром 150 мм. Основні переваги реакторів розглянутого типу – висока однорідність плівок по товщині, великий об’єм загрузки і здатність обробляти підкладки великого діаметра. До недоліків такого реактора відносяться низька швидкість осадження і часте використання ядовитих, легкозаймистих газів або газів які розвивають корозію [1]

5.1Двоокис кремнію

Плівки двоокис кремнію можна осаджувати як з легуючими добавками, так і без них. Нелегований двоокис кремнію використовують у вигляді ізолюючої плівки між многорівневою металізацією, в якості маскуючої плівки в процесах дифузії та іонної імплантації, як захисна плівка, що оберігає нелеговані області від автолегування в процесі термоциклування, а також для збільшення товщини підзатвірного діелектрика. Леговані фосфором плівки окислу використовуються в якості ізолятора між металічними шарами, як пасивуючі покриття та поверхні уже сформованих приборів і в якості гетеруючих шарів.

Для формування плівок двоокис кремнію використовують декілька методів осадження. Вони характеризуються різними хімічними реакціями, типом реактора який використовується і температурою процесу осадження. Плівки, що осаджуються при низьких температурах (нижче 773 К), формуються за рахунок реакцій між силаном, легуючими добавками і киснем. Хімічні реакції, що проходять при формуванні легованих фосфором плівок окислу, можна записати таким чином:

Si₄ + O₂ → SiO₂ + 2H₂

4PH₃ + 5O₂ → 2PO₅ + 6H₂

При нормальних умовах осадження, водень утворюється скоріше ніж вода. Осадження може бути здійснено при атмосферному тискові в реакторах неперервного типу (див. рис. ) або при пониженому тискові в реакторах типу представлених на рис. . Основна перевага реакцій силану з киснем - низька температура осадження, що дозволяє осаджувати плівки поверх алюмінієвої металізації.

Ці плівки можуть використовуватись для пасивуючих покрить і діелектричної ізоляції. Основним недоліком реакції силану з киснем є погане відтворення ступінчатого рельєфу в наявності частинок, які осідають у вигляді хлоп’їв на стінках хімічного реактора.

Крім того, двоокиси кремнію осаджують при температурі 933 – 1033К в газофазних реакторах при пониженому тискові шляхом розкладу тетраетоксилану (Si(OC₂ H₅ )₄ ). Це з’єднання називається також тетраетил- ортосилікатом (ТЕОС), випаровується із рідкого джерела. Це можна записати такою реакцією:

Si(OC₂ H₅ )₄ → SiO₂ + інші продукти

де іншими продуктами є складні суміші органічних і неорганічних сполук. Переваги осадження плівок із ТЕОС це висока однорідність, велика якість плівок і певна відтворюваність рельєфу структури. До недоліків відносяться висока температура процесу і необхідність у застосуванні рідких джерел.

Двоокис кремнію можна осаджувати при температурі ~1173 К при пониженому тискові шляхом реакції дихлорсилану з закиссю азоту.

SiC₂ H₂ + 2N₂ O → SiO₂ + 2N₂ + 2HCl

Цей процес осадження, що забезпечує хорошу однорідність плівок, використовують для осадження ізолюючих шарів на полі кремнію. Але такі окисли часто містять невелику кількість хлору, який може реагувати з полі кремнієм або визивати розтікання плівок.

Легування плівок здійснюється шляхом добавлення в процесі осадження невеликої кількості гідридів (фосфіну, арсіну і диборану). Можна також використати інші легуючі матеріали, наприклад галегоніди або органічні сполуки, але вони менш зручні, так як більше всього їх треба випаровувати із твердих або рідких джерел.

При осадженні двоокис кремнію спостерігаються три основні типи відтворення ступінчатої поверхні підкладки. На рис. 5.2 показано графічно всі три типи відтворень.

Рис. 5.2Три типи відтворення ступінчатого рельєфу підкладки напиленого плівкою

На рис. 5.2показано повністю конформне відтворення рельєфу ступники підкладки, тобто товщина плівки на стінках стугеньки не відрізняються від товщини плівок на дні і на поверхні стугеньки. Конформне відтворення рельєфу спостерігається в таких випадках, коли реагенти або реактиви на проміжнім стані реакції адсорбуються на поверхні і потім починають швидко мігрувати вздовж неї перед тим, як вступить в реакцію.

Швидка міграція призводить до однорідної поверхневої концентрації незалежно від рельєфу і забезпечує повністю однорідну товщину плівки по всій поверхні підкладки.

Коли реагенти адсорбуються і реагують у відсутність помітної поверхневої міграції, швидкість осадження пропорційна кутові падіння молекул газу. На рис. 5.2Представлений випадок, коли середня величина довжини вільного пробігу молекул на верхній горизонтальній поверхні підкладок в обох напрямках складає 180^о . У верхній точці вертикальної поверхні кут падіння складає всього лиш 90^о , тому товщина плівки зменшується в 2 рази. Вздовж вертикальної стінки кут падіння Ф визначається шириною вікна, а товщина плівки, яка пропорційна кту падіння, може бути визначено по формулі :

де ω – ширина вікна, в – відстань від верхньої поверхні. При такому методі відтворення рельєфу товщини плівок на вертикальній поверхні стугеньки можливе утворення тріщини, що обумовлено ефектом самоекранування.

На рис. Приведена діаграма, яка відтворює випадок відсутності поверхневої міграції і малих значень середньої довжини вільного пробігу молекул. Як видно із діаграми, при цьому кут падіння молекул реагентів у верхній точці стугеньки складає 27^о . Це призводить до більш товстого шару в цій точці. Кут падіння на дно стугеньки рівний лише 90^о , тому углублених місцях більш тонкий шар плівки.

Табл. 5.1. Властивості двоокис кремнію

В таблиці приведені властивості плівок двоокису кремнію осаджених різними методами включаючи плазмохімічне осадження. [1]

В основному плівки окисла, осаджені при високих температурах, проявляють властивості, подібні з термічно вирощеними плівками двоокисів кремнію. Але високотемпературне осадження не може бути використано на поверхні алюмінієвої металізації і тому не застосовується для пасивування поверхні сформованих пристроїв. В зв’язку з цим для пасивування використовують низькотемпературне осадження легованих фосфором плівок двоокису кремнію, не дивлячись на погане відтворення ними рельєфу поверхні і гірші властивості плівок.

5.2 Нітрид кремнію

Стехіометричний нітрид кремніюSi₃ N₄ використовують для пасивування поверхні напівпровідників та приладів з цих сформованих на кремнієвих підкладках. Вибір нітриду кремнію для цієї мети пояснити тим, що він представляє свій надійний бар’єр для дифузії молекул види та іонів натрію, які можуть привести до корозії металізації ІС або до нестабільності її електричних характеристик. Нітрид кремнію також використовується в якості маски для локального окислення кремнію, що обумовлено низькою швидкістю окислення самого нітриду кремнію. Тому при створенні фотолітографічного малюнку на маскую чому покритті на основі нітриду кремнію і послідуючим термічним окисленням закритті маскуючою плівкою шари не окислюються. Це є процес локального окислення, використовується в мікроелектроніці для формування ізопланарних структур.

Хімічне осадження нітриду кремнію здійснюють за рахунок реакції між силаном і аміаком при атмосферному тискові і температурі 973 – 1073К. Процеси які при цьому проходять можна записати наступними формулами^

3SiH₄ + 4NH₃ → Si₃ N₄ + 12H₂

3SiCl₂ H₂ + 4NH₃ → Si₃ N₄ + 6HCl + 6H₂

Потрібно замітити, що переваги методу осадження при пониженому тискові полягає в хорошій однорідності формованих плівок і високого виробництва використаної апаратури. Були проведені експерименти по термічному нарощенню плівок нітриду кремнію шляхом утримання кремнієвих підкладок в аміачній атмосфері при температурі в інтервалі 1273 – 1373. але виготовлені плівки містять кисень і мають дуже малу товщину.

Процесами осадження плівок нітриду кремнію можна керувати шляхом зміни температури, загального тиску в реакторі, концентрації реагентів і градієнта температури в печі. Температурна залежність швидкості осадження нітриду кремнію складає ~ 1,8 еВ. З’ясовано , що швидкість осадження зростає зі збільшенням загального тиску в системі або парціального тиску дихлорсилану і зменшується при збільшенні концентрації аміаку в реакційній суміші. Для одержання більш однорідних по товщині плівок кінець проекційної труби має нагріватися до більш високих температур.

Опір плівок нітриду кремнію при кімнатній температурі складає ~10¹⁶ Ом ^. см. Їх електрична провідність залежить від температури осадження, співвідношенням реагентів в газовій фазі, кількості кисню в плівці і наявності домі шків кисню.

6. Вимоги до діелектричних плівок

Знаючи про фізику діелектричних плівок і в загальних нарисах опису областей їх застосування, можна зробити висновок про класифікацію діелектриків в залежності від їх використання. Діелектрики середнього класу, які мають tgδ = 1%, використовуються в основному в ізоляторах і конденсаторах. Але зараз є великий не достаток високоякісних діелектриків (tgδ ≤ 0,1% t> 1000с), які йдуть на виготовлення конденсаторів з малими втратами, затворів в польових транзисторах і т.д.

Для того, щоб вважати плівки високоякісними потрібно дотримуватись багатьох умов. По-перше потрібно, щоб плівка мала високу механічну міцність. Як уже досліджено після напилення тонкі плівки знаходяться в стані механічного напруження, яке може бути викликано або напругою стиску (викликає розтріскання плівки). Очевидно, що розтягання потрібно уникати, так як в таких плівках можуть виникати короткі замикання. Було доведено, що розтягуючи напруги значно збільшують втрати конденсаторів на плівках SiO₂

Якщо навіть механічні напруги знизити до рівнів, які піддають коректуванню, плівка має бути стабільною і по іншим параметрам. Зміна хімічного складу електродів і діелектрика не має здійснюватись за великий проміжок часу.

Технологія одержання плівок повинна забезпечити потрібну електричну стабільність, тобто в плівках не має бути стабільних місць, які можуть стати зонами провідності (наприклад, мікропори). Як уже було пригадано мікропори можна ліквідувати використанням тонких (<1500Å) електродів, з яких мікропори можна "виманити" приклавши до плвки високу напругу. Але не всі структури можна так обробляти, але у всякому випадку спочатку потрібно видалити мікропори. Знаючи це, можна скласти наступну класифікацію плівкового діелектрика задовільної якості. Він має задовольняти вимоги:

1. Висока механічна стійкість.

2. Висока хімічна стабільність.

3. По мірі можливості розумна товщина (>1000Å).

4. Мінімальне число дефектів і домішок.

5. Слаба чутливість до вологи.

6. Відсутність проколів або слабих місць.

7. Невелика здатність до фізичної зміни (старіння і температурна залежність).

8. Велика ширина забороненої зони.

9. Аморфна структура.

В загальному кажучи плівки з великою діелектричною проникністю не слід використовувати із-за їх високої поляризації, і великих втрат. [2]

Висновок

В даній курсовій роботі розглянуто декілька з основних методів одержання тонких діелектричних плівок. Нi один з розглянутих й існуючих взагалі всіх методів не є ідеальним, але кожен метод має свої переваги і має право на існування незважаючи і на недоліки.

Хоча метод термовакуумного напилення і має такі недоліки, як неоднорідність одержаних плівок недостатню їх стабільність і щоб одержати високий вакуум для напилення потрібно важку схему, то цей метод є найпоширенішим із-за того, що він має відносну простоту, високу швидкість осадження і можливість одержання плівок з мінімальними забрудненнями в умовах високого вакууму (1 ^. 10^-8 – 1 ^. 10^-7 Па).

При іонно-плазмовому розпиленні перевагою є його властивість неінерційність. Тобто розпилення матеріалу відбувається лиш тоді коли ми подаємо напругу. Якщо відключити напругу розпилення матеріалу зразу перестає, на відміну від інших методів.

Перевагою термічного окислення є те, що ми можемо регулювати швидкість окислення і розпилення вихідної речовини і напилення плівки за допомогою добавки домішки, зміною тиску або температури.

Анодне окислення ще можна назвати електролітичним тому, що використовується електроліт, який містить від’ємно заряджені іони кисню. Властивості таких плівок залежить від вмісту електролітів. Товщину плівок можна змінювати величиною прикладеної напруги, а якість плівок можна збільшити шляхом їх згущення у парах води при підвищеній температурі.

При хімічному осадженні плівок їх якість можна підвищити якщо процес осадження розбити в присутності кисню. Сам процес називається піролізом – це термічний розклад тетраетоксилану при температурах 973 – 1173 К.

Список використаної літератури

1. С . Зн. Технология СБИС. – М.: "Мир", 1991.-133с.

2. Л. Холлэнд. Пленечная технология. – М.: "Мир", 1989.-254с.

3. И. С. Ефимов, И. Я. Козырь, Ю. И. Горбунов. Микроэлектроника. – М.: "Высшая школа", 1994.

4. Парфенов О. Д. Технология микросхем. – М.: "Высшая школа". – 1999.

5. Малишева І. А. Технологія виробництв інтегральних мікросхем. – М.: Радіозв’язок. – 2001.