Методи одержання і вимоги до діелектричних плівок (стр. 2 из 4)

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.

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.