5.3. Методы получения диэлектрических пленок в технологии гибридных ис

5.3.1. Термовакуумное реактивное испарение

Получение диэлектрических пленок в технологии гибридных ИС и микросборок существенно отличается от методов производства полупроводниковых ИС. Элементы гибридных ИС менее чувствительны к влиянию различных внешних энергетических полей и излучений, чем их полупроводниковые аналоги. Поэтому в производстве гибридных ИС используются практически все известные способы формирования диэлектрических пленок: термовакуумное испарение, анодное окисление, ионно-плазменное и плазмохимическое осаждение, химическое осаждение при относительно невысоких температурах.

Характеристики диэлектрических пленок, изготовленных этими методами, как правило, хуже, чем в производстве полупроводниковых ИС, но они гораздо полнее удовлетворяют требованиям, предъявляемым к элементам гибридных ИС и микросборок.

Термовакуумное реактивное испарение применяется для получения оксидов кремния, алюминия, тантала, титана, ванадия.

Обычно испарение металла проводится при очень низком давлении кислорода (133-665)·10^-4 Па. Далее происходит реакция металла с кислородом на поверхности подложки и в результате образуется пленка оксида. Полученная пленка обладает сравнительно невысоким качеством из-за высокой дефектности и неоднородности структуры, а также нарушениями стехиометрии. Например, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, тангенс угла диэлектрических потерь и другие характеристики у пленок Al₂O₃ в среднем на 10-20% хуже, чем массивных образцов Al₂O₃.

5.3.2. Анодное окисление

Анодное окисление в электролите также широко используется для получения таких оксидов, как Ta₂O₅ и Al₂O₅. Процессом, лимитирующим скорость анодирования, как и в случае термического окисления, является диффузия ионов окислителя через уже образовавшуюся пленку оксидов. Эмпирическое соотношение между плотностью тока анодирования и напряженностью электрического поля описывается уравнением:

, (5.9)

где J – текущая плотность тока анодирования А/см²; J₀ – плотность тока в начале процесса анодирования; В – электрическая константа (постоянная роста); Е – напряженность электрического поля. При этом скорость роста оксида пропорциональна плотности тока, а массу выращенного оксида можно определить по формуле Фарадея.

5.3.3. Ионно-плазменное окисление

Ионно-плазменное окисление металлов осуществляется в кислородной плазме при низком давлении. При этом на образец подается положительный потенциал. На первой стадии окисления достаточно быстро образуется пленка толщиной в несколько десятков нанометров. На второй стадии окисление идет медленнее и скорость процесса становится пропорциональной напряжению, а ток через образец уменьшается со временем. Толщина пленок металла остается пропорциональна напряжению в широком диапазоне толщин: 10-300 нм.

Следует отметить, что скорость роста пленок в плазме значительно ниже, чем в электролите, но они получаются более чистыми и однородными. Кроме того, ионно-плазменное окисление можно применять и при окислении металлов, окислы которых легко растворимы.

4. Ионно-плазменное распыление

Данный процесс позволяет получать пленки практически любых

диэлектриков. Для этого мишени распыляемых диэлектриков располагаются на расстоянии 4-7 см от подложек. Для отвода объемного заряда от мишени используется взаимодействие высокочастотного напряжения (13,56 МГц) с плазмой, что приводит к стеканию заряда с диэлектрика и поддержанию разряда. Мощность высокой частоты передается плазме с помощью волновода или другим способом и стимулирует распыление мишени, увеличивая скорость осаждения пленки. Заметим, что повышение скорости осаждения обычно отрицательно сказывается на свойствах пленки.

Таким образом, после краткого описания методов получения диэлектрических пленок, возможность их применимости в микроэлектронике для изготовления конкретных конструктивных элементов ИС и элементной базы можно изобразить в виде таблицы.

Таблица 5.1

Использование методов получения диэлектрических

пленок в микроэлектронике

Назначение пленок	Химическое осаждение из газовой фазы	Анодное окисление	Термическое окисление	Термовакуумное реактивное испарение	Ионно-плазменные методы
Проводники, резисторы	+	−	−	++	+
Конденсаторы	+	++	+	++	+
Активные приборы	++	−	−	+	−
Магнитные элементы	−	−	−	+	+
Сверхпроводники	+	−	−	++	−

(+) возможно использование данного метода, (++) широко используется, (–)не применяется.