Методи одержання і вимоги до діелектричних плівок (стр. 3 из 4)

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(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. 5.2Три 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, d – відстань від верхньої поверхні. При такому методі відтворення рельєфу товщини плівок на вертикальній поверхні стугеньки можливе утворення тріщини, що обумовлено ефектом самоекранування.