ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МАТИ» - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К.Э. Циолковского ________________________________________________________________ Кафедра «Наукоемкие технологии радиоэлектроники» В.В. Слепцов, В.М. Елинсон, В.М. Пролейко, А.М. Баранов Анизотропные низкотемпературные ионно-плазменные методы формирования пленок и пленочных структур Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МАТИ» - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К.Э. Циолковского ________________________________________________________________ Кафедра «Наукоемкие технологии радиоэлектроники» В.В. Слепцов, В.М. Елинсон, В.М. Пролейко, А.М. Баранов Анизотропные низкотемпературные ионно-плазменные методы формирования пленок и пленочных структур Учебное пособие МОСКВА 2004

УДК 621. 315. 592. 002: 621.794 (043)

ББК 22. 333 + 30.61

Рецензенты:

доктор технических наук, проф. Панфилов Ю.В.

доктор технических наук, проф. Нестеров С.Б.

Слепцов В.В., Елинсон В.М., Пролейко В.М, Баранов А.М.

Анизотропные низкотемпературные ионно-плазменные методы формирования пленок и пленочных структур: Учеб. пособие. – М.: «МАТИ»  РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2004. 48 с.

ISBN 5-93271-062-4

В учебном пособии рассмотрены методы осаждения пленок из паровой фазы ионно-плазменными методами.

В работе приведены основные принципы методов, основы их технической реализации, достоинства и недостатки.

Подробно рассмотрены технологические возможности методов. Наиболее подробно изложены технологические проблемы при синтезе пленок многокомпонентных соединений.

В работе использованы материалы открытой отечественной и зарубежной печати.

ISBN 5-93271-062-4  Слепцов В.В., Елинсон В.М., Пролейко В.М.,

Баранов А.М., 2004

• «МАТИ»  Российский государственный технологический университет

им. К.Э. Циолковского, 2004

Введение

Технический прогресс в области микроэлектроники приборостроения и микросистемной техники тесно связан с использованием при микроми-ниатюризации электронной аппаратуры тонких слоев полупроводников Ge, Si, GaAs, пленок нитридов, силицидов и окислов и интенсивным применением методов вакуумной, диффузионной и химической технологии.

Многообразны функции, выполняемые пленками в электронных приборах и интегральных схемах. Это омические контакты, для изготовления которых в приборах на основе кремния используют, в частности, алюминий, вольфрам, молибден.

Во многих случаях омический контакт представляет собой сложную многослойную композицию из нескольких разнородных металлов, так как при его изготовлении необходимо не только обеспечить соответствующие электрические свойства прибора, но и обеспечить его механическую прочность (адгезию пленки), стабильность (подавление процессов миграции атомов одного материала в другой), легкость подсоединения верхнего электрода (вывода) и.т.п. Именно с этой целью на вольфрам наносят никель, медь или алюминий. Для предотвращения диффузии кремния в алюминий используют разделительный подслой титана, платины или палладия.

Слои металлов используют в качестве токоведущих дорожек, резисторов (нихром, тантал, титан), электродов конденсаторов и затворов в МОП-транзисторах. В настоящее время для резисторов применяют металлокерамические пленки силицидов ряда металлов, нитридов, например, нитриды тантала (TaN, Ta₂ N) и др.

Диэлектрические пленки сложного состава служат для изготовления конденсаторов (SiO, Ta₂O₅, Al₂O₃ и др.), МДП-транзисторов, в качестве изоляции, в качестве защиты от воздействий внешней среды (SiO₂, Si₃N₄ и др.).

Из сказанного выше следует, что актуальной задачей в технологии микроэлектронных устройств является получение тонкопленочных покрытий сложного состава. Одним из наиболее распространенных методов, служащих этим целям, является вакуумное ионное распыление многокомпонентных структур. Далее будут рассмотрены особенности такого распыления и приведены конкретные примеры технологий.

Важным преимуществом метода ионного распыления является то, что пленки многокомпонентных материалов, полученные этим методом, как правило, имеют тот же химический состав, что и материал распыляемой мишени (за исключением случаев, о которых будет сказано ниже), в том числе и тогда, когда скорости распыления отдельных компонентов существенно различны. Это можно себе представить, если рассматривать механизм ионного распыления, в основе которого лежит передача атому, распыляемой мишени импульса от бомбардирующего эту мишень иона. Рассмотрим процесс передачи импульса. При бомбардировке мишени ионами малых энергий на поверхности возникает вторичная ионно-электронная эмиссия. При больших же энергиях ионов поверхностные атомы переходят в возбужденное состояние, в котором они могут вступать в различные химические реакции. При достижении некоторого порогового значения энергий ионы выбиваются в направлениях плотной упаковки, т.е. механизм распыления связан с непосредственной передачей импульса плотно упакованным рядам атомов в решетке. При передаче импульса под некоторым углом к плотноупакованному направлению в цепочке атомов возникают колебания, с помощью которых импульс передается строго вдоль цепочки на значительное расстояние. Распространяясь вдоль цепочки, импульс может достичь поверхности, где велика вероятность выбивания поверхностных атомов. После соударения атомы смещаются и угол между направлением передачи импульса и направлением цепочки уменьшается. Это способствует фокусировке импульса, направление передачи которого становится параллельным направлению цепочки. Поэтому для направления плотнейшей упаковки вероятность выбивания атомов с поверхности является максимальной.

Поскольку процесс ионного распыления сильно не сильно зависит от температуры мишени, то эту температуру можно выбрать достаточно низкой, чтобы исключить диффузию атомов в мишени, не допуская при этом сильного уменьшения скорости распыления. Так как при этом в мишени переноса масс не происходит, то следует ожидать, что состав испускаемых мишенью частиц будет идентичен составу мишени. Сказанное справедливо при условии одинаковости коэффициентов прилипания к подложке распыляемого вещества и углового распределения выброса для разных типов атомов сложной мишени. Кроме того, должна быть исключена ионная бомбардировка подложки.

К преимуществам метода ионного распыления следует отнести высокие энергии испускания (для этого давление газа должно быть меньше, чем 510^-3 мм рт. ст.). Это в свою очередь приводит к улучшению структуры и адгезии пленок, получаемых этим методом, при этом температура эпитаксии значительно ниже, чем для метода термического испарения в вакууме.

Основным недостатком метода ионного распыления являются относительно низкие скорости нанесения пленок. Типичные скорости нанесения лежат в интервале 50 – 3000 А / мин. Для получения более высоких скоростей необходимо эффективное охлаждение мишени.

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов по направлению 5511.00 и специальностям 2008.00 и 2303.00.

Данная работа рассчитана на студентов старших курсов при освоении ими дисциплин по специальности: «Технология производства изделий РЭС», «Физико-химические основы технологии РЭА» и ряда других курсов.