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]
5.1 Двоокис 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(OC2H5)4). Це з’єднання називається також тетраетил- ортосилікатом (ТЕОС), випаровується із рідкого джерела. Це можна записати такою реакцією:
Si(OC2H5)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.
SiC2H2 + 2N2O → 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. 5.2 Три типи відтворення ступінчатого рельєфу підкладки напиленого плівкою
На рис. 5.2 показано 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. 5.2 Представлений випадок, коли середня величина довжини вільного пробігу молекул на верхній горизонтальній поверхні підкладок в обох напрямках складає 180о. У верхній точці вертикальної поверхні кут падіння складає всього лиш 90о, 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, d – 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 27о. Це призводить до більш товстого шару в цій точці. Кут падіння на дно стугеньки рівний лише 90о, тому углублених місцях більш тонкий шар плівки.
Табл. 5.1. Властивості двоокис кремнію
|
Методи осадження |
Осадження із газової суміші при пониженому тискові |
Плазмохімічне осадження |
|
Температура К |
973 – 1073 К6 |
523 – 623 К |
|
Склад |
Si3N4(H) |
SiNx Hx |
|
Відношення Si/N |
0,75 |
0,8 – 1,2 |
|
Вміст H, ат % |
4 – 8 |
20 – 25 |
|
Коефіцієнт заломлення |
2,01 |
1,8 – 2,5 |
|
Густина г/см3 |
2,9 – 3,1 |
2,4 – 2,8 |
|
Діелектрична стала |
6 – 7 |
6 – 9 |
|
Номінальний опір Ом . см |
1016 |
106 – 1015 |
|
Електричнаміцність 106В/см |
10 |
5 |
|
Ширина забороненої зони еВ |
5 |
4 – 5 |
|
Пружні напруги |
100 (розтягуючі) |
20 стяг. – 50 розтяг. |
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 кремніюSi3N4 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 → Si3N4 + 12H2
3SiCl2H2 + 4NH3 → Si3N4 + 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.
