Литература / (тоже супер) физосновы для экз

Рис. 2.15

Влияние способа получения пленок золота на зависимость их поверхностного сопротивления от толщины до (кривая 1) и после (кривая 2) термообработки

Рис. 2.16

Зависимость поверхностного сопротивления от толщины для испаренных пленок алюминия до (кривая 1) и после (кривая 2)

термообработки при температуре 450 °C

уменьшения электрического сопротивления в результате прогрева. По-видимому, это можно объяснить окислением поверхности алюминия. Аналогичные результаты характерны также для большинства других химически активных металлов.

Для очень тонких напыленных пленок алюминия (рис. 2.16) не происходит сколько-нибудь заметного уменьшения электрического сопротивления в результате прогрева. По-видимому, это можно объяснить окислением поверхности алюминия. Аналогичные результаты характерны также для большинства других химически активных металлов.

На рисунке 2.17 показано относительное изменение поверхностного сопротивления пленок хрома в резуль-

Рис. 2.17

Относительное изменение поверхностного сопротивления пленок хрома в процессе термообработки

тате прогрева. Для каждой температуры на приведенной кривой найдены соответствующие значения сопротивлений. Из рисунка видно, что наиболее резкое изменение поверхностного сопротивления происходит для хрома приблизительно при температуре 600°C, которую следует считать температурой превращения.

Температура превращения пленки обычно близка к температуре рекристаллизации металла и сильно зависит от толщины пленки. Степень изменения поверхностного сопротивления после прогрева при температуре превращения для данного металла определяется методом нанесения и толщиной пленки. У металлов, температура рекристаллизации которых близка к комнатной или ниже ее, поверхностное сопротивление изменяется незначительно, так как превращение в таких пленках происходит в процессе их осаждения. В таблице 2.4 приведены температура превращения и относительное изменение поверхностного сопротивления пленок различных металлов, полученных термовакуумным напылением и ионноплазменным распылением после термообработки при температуре превращения. Результаты приведены для пленок толщиной примерно 1000 Å.

На основе анализа приведенных в таблице данных можно сделать следующие выводы:

Температура превращения и отношение первоначального сопротивления к поверхностному после термообработки металлических пленок

а) температура превращения для пленок, полученных ионно-плазменным распылением, как правило, выше, чем для пленок, полученных термовакуумным напылением;

б) относительное изменение удельного сопротивления тонкой пленки в среднем составляет 65% от первоначального значения.

Тонкие металлические пленки и массивные металлы существенно различаются также по плотности. Как показывают результаты экспериментального исследования, плотность тонких пленок, изготовленных любым из двух рассматриваемых методов, значительно меньше плотности соответствующих массивных металлов. Кроме того, плотность тонких пленок зависит от условий их по-

лучения. В качестве примера на рисунке 2.18 приведена зависимость плотности тонкой пленки меди от толщины. Пунктирная линия на рисунке соответствует плотности массивной меди. Видно, что с увеличением толщины пленки ее плотность приближается к плотности вещества в массивном материале.

На плотность пленки существенное влияние оказывает также скорость осаждения вещества. При высоких скоростях осаждения образуются более крупные и рав-

сунка, при высоких скоростях нанесения пленки ее плотность стремится

к плотности массивного алюминия.

На основании изложенного можно заключить, что в общем случае удельное сопротивление и плотность металлических пленок зависят от их толщины. Для любой

174 Р А З Д Е Л 2

толщины пленки оказываются справедливыми следующие соотношения:

где R — сопротивление пленки; m — масса пленки; ρп — удельное сопротивление пленки при данной толщине; γп — плотность пленки при данной толщине; l, d, a — соответственно длина, толщина и ширина пленки.

Из (2.85) и (2.86) следует

Следовательно, если определить соотношение между электрическим сопротивлением слоя и его массой, то можно найти изменение произведения плотности на удельное сопротивление пленки при различной толщине. Анализ экспериментальных и теоретических данных позволяет заключить, что для тонких металлических пленок, полученных методом термовакуумного напыления, произведение удельного сопротивления на плотность является постоянной величиной, не зависящей от толщины пленки. Однако это произведение оказывается значительно больше соответствующего значения для массивного металла. В частности, для нихрома произведение удельного сопротивления на плотность тонкой пленки, нанесенной на стеклянную подложку при комнатной температуре, вчетверо превышает произведение удельного сопротивления на плотность массивного нихрома. При прогреве пленки ее удельное сопротивление уменьшается, а плотность увеличивается. Тем не менее произведение удельного сопротивления на плотность термообработанной пленки уменьшается и приближается к значению, соответствующему произведению этих параметров для массивного металла. Путем изменения режима обработки можно получить большее или меньшее приближение произведения γпρп для пленки к значению этого произведения для массивного металла. Чем больше произведение γпρп для пленки приближается к произведению γмρм для массивного металла,

тем более стабильной и механически прочной оказывается пленка. При разработке технологии изготовления тонкопленочных элементов интегральных микросхем по значению параметра γпρп можно судить о правильности выбора режима термообработки. Если произведение γпρп для пленки сильно отличается от произведения γпρп для массивного металла, то режим термообработки следует выбрать более интенсивным. Если произведение γпρп для пленки близко к произведению γпρп для массивного металла, то режим термообработки можно считать правильным.

Так как тонкие металлические пленки применяют для изготовления резисторов интегральных микросхем, весьма важным параметром для них является температурный коэффициент сопротивления (TKR). Как правило, его определяют для стабильных пленок, прошедших термообработку. Установлено, что TKR зависит от толщины пленок, чем с уменьшением толщины TKR уменьшается, а при увеличении толщины приближается к значению, характерному для соответствующего массивного металла. Для отдельных типов металлических пленок TKR имеет отрицательные значения. Толщина пленки, при которой TKR принимает отрицательное значение, может быть различной в зависимости от технологии получения пленок. На рисунке 2.20 приведена зависимость TKR от удельного поверхностного сопротивления для ряда металлических пленок.

Рис. 2.20

Зависимость TKR от удельного поверхностного сопротивления пленок из различных материалов

Наиболее важная задача при разработке резисторов интегральных микросхем — получение наименьшего значения TKR в диапазоне рабочих температур. Как показывают результаты исследования, существует область толщин пленок, для которой характерен малый TKR, близкий к нулевому значению. Эта область толщин, называемая переходной, для данного материала определяется условиями получения пленки и может перемещаться в зависимости от этих условий.

2.6.ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

При разработке элементов интегральных микросхем диэлектрические пленки используют в качестве изоляционных слоев (пленочные конденсаторы, МДПтранзисторы, многослойный электрический монтаж и др.)

изащитных покрытий. При формировании изоляционных слоев применяют моноокись кремния SiO, двуокись кремния SiO2, моноокись германия GeO, трехсернистую сурьму Sb2S3, двуокись титана TiO2, окись тантала Ta2O5, окись алюминия Al2O3, халькогенидные стекла, кварц, углеводородные полимеры (стирол, бутадиен) и ряд других материалов. Для получения тонких диэлектрических пленок используют следующие основные методы: термовакуумное напыление, реактивное ионно-плазменное распыление, распыление в высокочастотном разряде, термическое окисление, анодное окисление осаждаемых на подложку тонких металлических пленок, химическое осаждение из газообразной фазы, получение пленок из растворов.

Одним из важнейших методов получения диэлектрических пленок является метод термовакуумного напыления. Его можно разбить на следующие основные этапы: испарение исходного вещества; перенос его от испарителя к подложке, в процессе которого частицы испаренного вещества сталкиваются с подложкой, передают ей часть своей энергии и осаждаются на подложке; адсорбция

идесорбция; поверхностная диффузия адсорбирован-

ных частиц и образование зародышей; рост зародышей

споследующим образованием гранул; срастание гранул в сплошную пленку; рост сплошной пленки и рекристаллизация; ориентированное наращивание. В процессе кристаллизации тонких пленок по мере их роста происходят структурные изменения, которые существенно влияют на конечную структуру тонких пленок. Так же как и для рассмотренных тонких металлических пленок, структура диэлектрических пленок зависит от скорости осаждения, температуры подложки, состояния ее поверхности, давления и состава остаточных газов.

Метод ионно-плазменного распыления включает в себя реактивное распыление и распыление в высокочастотном разряде. Сущность этого метода состоит в следующем: мишень из распыляемого материала бомбардируется быстрыми ионами газа; при этом с ее поверхности выбиваются атомы, осаждающиеся на расположенные вблизи мишени подложки. В качестве источников ионов используют плазму тлеющего разряда, возникающего в атмосфере инертного газа. Состав плазмы, энергия ионов и характер процессов взаимодействия распыляемого вещества

сплазмой и материалов подложки определяют свойства получаемых тонких диэлектрических пленок. С помощью метода ионно-плазменного распыления получают пленки того же химического состава, что и материал, используемый для распыления.

Методтермического окисления приполучениидиэлектрических пленок применяют в основном в кремниевой

технологии. В этом случае кремниевую пластину нагревают до температуры 800–1200°C в атмосфере сухого или влажного кислорода. Атомы кислорода адсорбируются на поверхности кремниевой пластины и в результате взаимодействия с атомами кремния возникает тонкая пленка SiO2. При последующей адсорбции атомов кислорода на поверхности пластины происходит их диффузия через образовавшийся слой SiO2 и взаимодействие с атомами кремния на границе раздела «кремний — двуокись кремния». Скорость процесса окисления зависит от температуры и давления кислорода или паров воды. Кроме того,

на скорость окисления оказывает влияние присутствие примеси на поверхности пластины, причем более высокой концентрации примесей соответствует более высокая скорость окисления. Рост пленки SiO2 зависит от ориентации поверхности подложки. Наибольшей скоростью роста характеризуется кристаллографическая поверхность (111), наименьшей — (100). На границе раздела «кремний — двуокись кремния» в случае ориентации (100) плотность поверхностных состояний оказывается наибольшей. Такое свойство поверхности (100) используют при разработке элементов интегральных микросхем. Структура пленок SiO2 зависит от способа их получения. Так, во влажном кислороде, как правило, получаются аморфные пленки, а в сухом — кристаллические.

Одно из важнейших свойств термически выращенных пленок двуокиси кремния — присутствие в них большого положительного заряда (1011–1012 см–2), который возникает на поверхности независимо от типа электропроводности полупроводниковой пластины. Величину этого заряда можно изменять под действием низкотемпературной обработки (200–500°C). Особенно эффективной такая термообработка оказывается при наличии перпендикулярного электрического поля. При анодном окислении используют электролит, содержащий отрицательно заряженные ионы кислорода. В качестве анода служит окисляемая пластина полупроводника. Свойства получаемых пленок зависят от состава электролита. В растворах кислот вырастают пленки, имеющие значительную толщину и большую пористость. Если в качестве электролита использовать растворы солей, то вырастают плотные и химически стойкие аморфные пленки. Скорость процесса окисления увеличивается, если в электролите присутствуют ионы хлора и фтора. Кроме того, присутствие этих ионов локализует положительный заряд вблизи границы раздела «кремний — двуокись кремния». При наличии ионов хлора плотность заряда составляет около 4,6 1012 см–2 и с ростом концентрации ионов хлора возрастает. Плотность заряда можно уменьшить путем низкотемпературного отжига. Эти эффекты обусловлены внедрением ионов гало-

генов в пленку SiO2, причем существование заряда объясняется захватом дырок ловушками вблизи границы раздела «кремний — двуокись кремния». Толщина пленок определяется приложенным напряжением и длительностью процесса окисления. Качество пленок можно повысить путем их уплотнения в парах воды при повышенной температуре.

Из методов химического осаждения наиболее распространенным является термическое разложение тетраэтоксисилана при температуре 700–900°С. Такой процесс нанесения тонких диэлектрических пленок называется пиролизом. Качество пиролитически выращенных пленок можно улучшить путем проведения процесса в присутствии кислорода. Пиролитический процесс можно проводить при более низких температурах, не превышающих 400–500°С. При уменьшении температуры пиролиза скорость осаждения пленок увеличивается. Пленки SiO2, полученные этим методом, обычно имеют аморфную структуру.

Независимо от способа получения все используемые в микроэлектронике диэлектрические пленки характеризуются такими параметрами, как диэлектрическая проницаемость, напряжение пробоя, критическая напряженность электрического поля, тангенс угла диэлектрических потерь, высота потенциальных барьеров на границах с металлическими электродами. Согласно современным теоретическим представлениям, диэлектрическая проницаемость диэлектрических пленок не должна зависеть от толщины при уменьшении ее до нескольких атомных слоев. С этой точки зрения наиболее изученными являются пленки, полученные методом термовакуумного напыления. В процессе роста таких пленок образуются скопления атомов, в результате чего очень тонкие пленки (толщиной менее 200 Å) обычно имеют пористую структуру. Экспериментально доказано, что для некоторых пористых диэлектрических пленок, в частности для пленок сульфида цинка, диэлектрическая проницаемость быстро убывает с уменьшением толщины. Толщина пленки, ниже которой пористость оказывает существенное влияние на ее параметры, зависит от способа