автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Формирование тонких пленок диоксида циркония методом анодирования, его свойства и применение в элементах микросхем

г^$)ру€ский го суда рсгвенный университет

9 ^ идоормлтики и радиозлектрон и кт 5

удк 621.382.002; 621.332.049.77.002; 621.37-973.002

ПЕТРОВ НИКОЛАЙ ПЕТРОВИЧ

формирование тонких пленок диоксида циркония методом анодирования, его свойства и применение в элементах микросхем

OS.27.Oi — твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроиика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1998

Работа выполнена в Белорусском государственном университете икформьтик и радиоэлектроники.

Научный руководитель:

д.т.н., проф. Лыньков Л.М.

Официальные оппоненты:

д.х.н., проф. Бодиарь И.В. к.т.н., с.н.с., Зеленин В.А.

Оппонирующая организация: Научно-исследовательский институт

электронно-вычислительных машин

Защита состоится 3 декабря 1998 г. в 14 час. на заседании совета по защи: диссертаций Д.02.15.03 при Белорусском государственном университет информатики и радиоэлектроники (220027, г. Минск, ул. П.Бровки, 6 тел. 239-89-89.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусско; государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Автореферат разослан 2-&октября \9Ms~-

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, д.ф.-м.н., проф.

Абрамов И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В полупроводниковой электронике, в том числе и микроэлектронике, все более широко применяются циэлектрические тонкие пленки из различных материалов. Обладая рядом уникальных физико-химических свойств, диоксид циркония используется в качестве буферных покрытий, стойких к воздействиям высокой температуры, плазмы, коррозионных сред, медленных нейтронов, в качестве материала твердотельных электролитов, а также тля многих других применений.

Достигнутый в последнее время прогресс в производстве изделий микроэлектроники, сверхпроводниковой электроники,

гопершенствотзании оборудования, технологических процессов и юздании новых высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов сделал возможным получение совершенно новых штегральных микроэлектронных устройств, использующих в своей шботе как квантово-механические эффекты наноразмерных структур, ак и специфические свойства различных сверхпроводниковых структур. Три разработке тонкопленочных конструкций и технологических фоцессо.ч создания отдельных криоэлементов возникло столько »азнообразных самостоятельных задач, что исследования и работы по !етодам создания многоуровневых систем сверхпроводниковых !ежсоединений, включающих активные структуры, в настоящее время ¡ыделились в самостоятельное технологическое и научное направление. I связи с этим возникла проблема создания сверхпроводниковых стройств в едином технологическом процессе с традиционными [етодами формирования полупроводниковых микроэлектронных стройств. Для этого потребовалось применение новых материалов и ехнологических подходов. При формировании ВТСП-структур на ремнии нужно было решить задачу по созданию буферных покрытий и азработке методов получения микрорельефа сверхпроводников до анесения сверхпроводящих материалов вследствие их ногокомпонентности, анизотропии свойств, реакционной природы и ногих других особенностей.

Изучение свойств оксидных пленок циркония, получаемых электрохимическим и термическим окисление^ тонких пленок 7л и легированных различными веществами пленок циркония, а также исследование влияния высокотемпературных (800-1000°С) импульсных термических обработок слоев анодного ЪхОг, металлического 2г и 2г, легированного иттрием, показали возможность применения формируемых данными методами покрытий 2гО2 в технологиях создания сверхпроводниковых устройств, наноразмерных структур, в качестве диэлектрического материала, пригодного для эксплуатации при повышенных температурах, в технологии обратной литографии и многих других применениях.

Важно отметить, что использование предлагаемых способов формирования высокостабильных и качественных слоев диоксида циркония в технологии получения микроэлектронных, криоэлектронных и наноразмерных структур, а также использование разрушения (охрупчивання) формируемого ЪхОг путем импульсной термообработки пленок Zr в технологии обратной литографии позволяет практически полностью или частично избавиться от необходимости применения сложных и дорогостоящих методов формирования устройств сложных конфигураций, включая наноразмерные структуры. Использование высокостабильных качественных покрытий кубического гЮ2(У203Ю%) в качестве буферного слоя при формировании устройств из ВТСП ш кремнии позволяет избежать влияния структуры и состава подложки ш характеристики ВТСП-материала и, следовательно, . получат* сверхпроводниковые приборы со стабильными параметрами. Такие свойства гЮг как охрупчивание при определенных режимах отжига 7л ^ увеличение объема при его окислении позволяют применять его I технологических процессах обратной литографии, а также разработан новые и усовершенствовать уже существующие методы формирован!» различных микроэлектронных структур. Поэтому изучение свойсп тонкопленочных покрытий 2тОг, разработка способов их получения I применение для решения ряда важных практических задач, связанных созданием структур микро-, крио- и наноэлектроники являются

{есомнснао, весьма значимыми, что и обуславливает актуальность санной работы.

Связь работы с гсруппыми научным;; программам», темами. Работа исполнялась в Белорусском государственном университете [нформатнки и радиоэлектроники в рамках проекта 04.06.01 Государственной научно-техническом программы "Информатика" и [сследовательского проекта Фонда фундаментальных исследований 'еспублики Беларусь Из МГ196-55.

Цель настоящей диссертационной работы — экспериментальное сследосате структурных особенностей тонких пленок диоксида ирконпя, формируемых высокотемпературным отжигом, включая гетоды импульсного отжига, электрохимически анодированных тонких ленок 2.т, и разработка технологических процессов формирования уферпых диэлектрических слоев ХтОг, обратной литографии, [ля достижения указанной цели необходимо было решить следующие спояиыс задачи:

провести анализ современных методов и средств получения тонкопленочных покрытий диоксида циркония; экспериментально исследовать процесс формирования диоксида циркония методом электрохимического анодирования тонких пленок циркония, пкшочая пленки, легированные иттрием; провести комплекс исследований по изучению влияния высокотемпературного термического отжига, включая импульсные методы, на свойства тонких пленок диоксида циркония; разработать технологические процессы формирования рельефа буферных покрытий на основе анодных оксидных пленок Ъх для формирования конфигурации ВТСП.

Выбор в качестве основного объекта исследования диоксида [ркония продиктован наличием у него ряда весьма интересных физико-мических свойств, позволяющих применять его в различных областях омышленности. Комплекс нерешенных проблем, возникающих при »рмировании конкретных сверхпроводниковых устройств, получении норазмерных структур и разработке технологических процессов

обратной литографии может быть успешно разрешен при использовании пленок '¿г и 2тС>1 в современных технологиях микроэлектроники.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Проведен комплекс исследований свойств высокостабильных термоустойчивых слоев диоксида циркония, формируемых термической обработкой тонких оксидных пленок циркония. Показано, что в результате легирования окисляемой электрохимическим анодированием пленки циркония 10% иттрия происходит стабилизация кубической фазы диоксида циркония при отжиге ее в температурном диапазоне 500-1000°С. Установлено, что в слоях пленки, кристаллизующихся непосредственно на подложке, содержание кубической модификации 2гО2 в два раза выше, чем в поверхностных слоях.

2. Предложена методика импульсной термической обработки тонких пленок Хх02, полученных электрохимическим анодированием, и пленок Ъх, с использованием которой получены слои поликристаллического 2Юг со степенью текстурированности до 94%.

. 3- Установлено, что при температуре отжига 700°С в течение 3 с распределение Ъх и О по толщине формируемой анодной пленки ЪхОг носит неравномерный характер. Показано, что увеличение продолжительности отжига до 10 с при той же температуре или температуры отжига до 900°С способствует формированию стехиометрического диоксида циркония по всей толщине покрытия. . Практическая значимость результатов диссертационной работы: 1. Разработан технологический процесс формирования беспористы* буферных слоев 2х0г кубической модификации методоь электрохимического анодирования тонких пленок 2,х, легированны; 10% иттрия.

2. Разработана методика импульсной (секундной) термической обработки топких пленок циркония и анодного диоксида циркония для формирования буферных слоев 2тОг.

3. Разработан технологический процесс обратной литографии по тонким обратным маскам Ъх. Удаление обратной маски производится в результате ее высокотемпературной термообработки термообработки, включая методы импульсного (секундного) термического отжига.

4. Разработаны базовые технологические операции формирования рельефа ВТСГТ с субмикронными размерами активных областей.

Результаты диссертационной работы использованы в Московском авиационном технологическом университете при изготовлении криомикроэлсктронных устройств специального назначения.

Оспознмг положения диссертация, зьшошмме на защиту:

1. Формирование тонкопленочных покрытий ЪтОг термической обработкой тонких пленок анодного диоксида циркония и металлического 7л, включая легированные 10% иттрия пленки, приводит к получению высокотекстурнропанных (степень текстурнрованносги до 78%) слоев поликристаллического диоксида циркония и кубического ХгОг (степень текстуриропанностн до 96%) в случае легированных пленок.

2. Использование импульсной высокотемпературной термической обработки тонких пленок анодного диоксида циркония позволяет формировать слои поликристаллического &02 со степенью текстурированности до 94%.

3. Отжиг тонких пленок анодного диоксида циркония при температурах 700°С в течение 10 с или 900°С в течение 3 с способствует завершению рекристаллизационых процессов в формируемой пленке и получению стехиометрического ХЮ2 по всей толщине покрытия.

4. Разработанные на основе изученных особенностей поведения диоксида циркония при термообработках технологические процессы получения пленочных покрытий с характеристиками,

пригодными для практического применения в изделиях электронной техники.

Личный вклад соискателя. Содержание диссерыции отражает личный вклад автора. Он заключается в непосредственном участии в подготовке и проведении автором экспериментов по электрохимическому анодированию, высокотемпературному термическому отжигу, включая импульсные методы отжига, в анализе, интерпретации и обобщении полученных экпернментальных результатов.

Апробации работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждапись на университетской научно-технической конференции, посвященной 100-летию радио "Современные проблемы радиотехники, электроники и связи" (БГУИР, Минск, 1995г.), международных научно-технических конференциях "Современные средства связи" (Нарочь, 1995г., 1997г., 1998г.), IV международной научно-технической конференции "Современные технологии гибридных интегральных микросхем включая элементы сверхпроводниковой электроники" (Нарочь, 1996г), республиканском научно-техническом семинаре-сессии "Организация и технология средств связи" (Минск, 1996г.), республиканских конференциях "Номатех-96, -98" (Минск, 1996г., 1998г.), V международном симпозиуме "Современные средства отображения информации" (Раков, 1996г.), международной конференции "Solid State Crystals in Optoelectronics and Semiconductor Technology" (Zacopane, 1996г.), V и VI республиканских научных конференциях студентов и аспирантов "Физика конденсированных сред" (Гродно, 1997г., 1998г.), международной конференции "Nanomeeting-97" (Минск, 1997г.), международной конференции "MIPRO'98, 21" International Convention" (Opatija, 1998).

Опублнкованность результатов. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи в научных журналах, 10 статей в научно-технических журналах и сборниках и 5 тезисов докладов в сборника* тезисов конференций. Подано 2 заявки РБ на изобретение, получено 1 положительное решение на получение патента РБ.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с краткими выводами но каждой главе, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Она включает 99 страниц машинописного текста, 60 рисунков, !1 таблиц и библиографию из 182 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

У обшей характеристике работы обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована ее цель и основные задачи, наложена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В нерпой главе описаны физико-химические свойства ZтO,. позволяющие применять его в различных областях техники. Приведен гшализ основных современных методов получения покрытий диоксида циркония.

Показано, что в настоящее время существует большое количество способов получения пленок диоксида циркония как пористых, так и плотных, использующихся з качестве различного рода покрытий — защитных, оптических, диэлектрических и других. В зависимости от условий получения (температура подложки, давление, глубина вакуума, скорость осаждения материала) и применяемого метода формирования можно получать покрытия с заданными свойствами.

Отмечено, что методом электрохимического анодирования металлического циркония возможно получение пленок 2тОг с требуемыми свойствами. Варьируя технологические параметры процесса анодирования, можно получать пленки различной толщины, тористости; в зависимости от легирующих примесей формируется зяоксид циркония определенной кристаллографической модификации.

Далее показано, что благодаря своему строению диоксид циркония эбладает рядом физико-химических свойств, весьма перспективных для трименения пленок 2гОг в технологии микроэлектроники. Это связано с

решением одной из важнейших задач современной технологии микро-, крио- н наноэлектроники, связанной с формированием качественных ВТСII-структур на кремнии, а также многослойных многоуровневых элементов крио-ИМС в едином технологическом процессе с полупроводниковыми интегральными устройствами. Дли решения такой задачи требуется принципиально новый подход к используемым технологическим процессам получения многоуровневых сверхпроводникоаых устройств с воспроизводимыми характеристиками, что связано с поиском новых материалов буферных слоев, установлением режимов их формирования. В заключении, на основе представленных данных сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены результаты экспериментального исследования процесса формирования тонкопленочных покрытий Хх02 методом электрохимического анодирования тонких пленок циркония.

Метод электрохимического окисления тонких пленок Ъх позволяет использовать высокие адгезионные свойства циркония к различным материалам подложки в сочетании с различными другими преимуществами процесса электрохимического анодирования, показанными в обзоре известных методов нанесения покрЫтин диоксида циркония. Характерной особенностью этого процесса является высокий уровень контроля электрических параметров (тока или напряжения), свойств электролита, длительности анодирования. Все это приводит к возможности получения пленок, однородных по структуре и физическим свойствам. Металлические пленки Ъх осаждали методами магнегронного распыления и электронно-лучевого распыления на кремниевые подложки. Качество осажденных металлических пленок зависит от множества параметров процесса получения пленки, одним из основных, от которого зависит адгезия пленки к подложке, ее равномерность и ориентированный рост, является температура подложки. Исследовано влияние температуры подложки на качество формируемых покрытий. Была установлена температура подложки 200-250°с, при которой осажденные пленки Ъх имели наилучшие характеристики — высокую

У

адгезию и равномерность пленки по толщине по всей площади подложки, а электрическая прочность анодных оксидных пленок на цирконии была максимальной и рапной Епр= 105 В/см.

Установлена оптимальная концентрация электролита для формирования анодных оксндоз на Ът — это 0.1% водный раствор лимонной кислоты. При меньших концентрациях электролита анодное окисление идет очень медленно, наблюдается низкий выход оксида. При более высоких концентрациях нзбшодаегся искрение, выделение газов, происходит отслаивание пленки от подложки.

Из анализа основных режимов анодирования — потенциостатического, гальваностатического и комбинированного был сделан вывод о преимуществе комбинированного режима анодирования. Анодирование тонких металлических пленок циркония проводили в комбинированном режиме.

Для оценки качества анодных оксидных пленок на Ъх использовали методики исследования МДМ-структур на микропробой. Была исследована структура А12Ю;-2г (верхняя обкладка из А1), максимальная величина и|,Шр = 42.5 В при площади обкладок 16 мм2, толщине оксида 0.08 мкм (Х1ф - 40 В).

Исследовано влияние термического отжига на структурные особенности диоксида циркония, получаемого электрохимическим окислением тонких пленок гг. Для изучения фазового состава пленок анодного ЪхОг, степени текстурированности и параметров кристаллической решетки проводилось рентгенографическое исследование структуры на аппарате ДРОН-З.О. Установлено, что формируемый диоксид циркония после отжига переходит из аморфного состояния в кристаллическое и содержит как кубическую, так и моноклинную фазу. С увеличением температуры отжига от 500°С до 800°С происходит увеличение доли 2т02 моноклинной модификации. Эти изменения зависят от толщины пленки.

Изучено изменение степени текстурированности кубического диоксида циркония по толщине пленок. Монокристаллнческая подложка

кремния обуславливает кристаллизацию кубического ZxOi преимущественно ориентации (111).

Для изучения влияния термического отжига на свойства тонкопленочных покрытий ZrÖ2 проводилось сравнение пленок анодного диоксида циркония с пленками ZrCh, формируемыми термическим окислением тонких пленок Zr. Методами рентгеновской дифрактометрии было определено, что диоксид циркония, формируемый высокотемпературным термическим отжигом тонких пленок Zr, представлен моноклинной модификацией с небольшим количеством кубической фазы. Текстура таких пленок трудно определима. Методами электронной сканирующей микроскопии было установлено, что при увеличении температуры отжига от 550 до 1000°С пленки диоксида циркония разрушаются. При температуре отжига 550°С пленка ZrCh обладает хорошей адгезией к кремниевой подложке (рис. 1). При температуре 800°С начинается отслаивание покрытия от подложки и его разрушение (рис. 2). Дальнейшее увеличение температуры вплоть до 1000°С приводит к практически полному разрушению пленки диоксида циркония и отслаиванию ее от поверхности подложки (рис. 3).

1 Поверхность пленки Рис. 2 Поверхность пленки Рис. 3 Поверхность пленки ОС*, сформированного тер- ХгОг на 81, сформированной 2гОг на сформирован-«нчееким отжигом метал- термическим отжигом метал- ной термическим отжигом

лического Zr (отжиг при температуре 550°С в течение I мни.).

лического Zr (отжиг при тем пературе 800°С d течение 15 мин.).

металлического Zr (отжиг при температуре 1000°С в течение 10 мин.).

Исследовано влияние легирования пленок циркония на структуру диоксида циркония. Предложено получение тонких пленок

стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония электрохимическим или термическим окислением пленок Ъх, легированного У. Методами рентгеновской дифрактометрии было определено, что структура пленок представлена диоксидом циркония преимущественно кубической модификации, причем для пленок, полученных анодированием, с увеличением напряжения формовки (соответственно толщины пленок) содержание моноклинного 7гО; уменьшается и это уменьшение значительно с повышением темературы отжига от 500 до 800°С (рис. 4,5). .

Для пленок, сформированных термическим окислением тонких пленок металлического циркония с 10% иттрия, содержание моноклинной модификации значительно больше, чем для анодированных пленок и ие изменяется с повышением температуры окисления от 500°С до 800°С. По распределению кремния, циркония и кислорода по толщине пленок 7лОг, снятом на вторично-ионном масс-спектрометре САМЕСА 1МБ4Р были оценены буферные свойства тонкопленочных покрытий гЮг на кремниевых подложках. Из распределения видно, что количество кремния, проникшего через пленку диоксида циркония ничтожно мало у анодных пленок и на полтора

Рис. 4 Днфрактограммы поверх- Рис. 5 Дифрактограммы поверх-

ностных слоев ТхОг, полученных постных слоев 2гО;, полученных

анодированием тонких пленок 2г(У 10%), (1 = 0.08 мкм.

анодированием тонких пленок

гг(У 10%), с1 = 0.24 мкм.

порядка меньше, чем у слоев Zx02, сформированных термическим окислением тонких пленок 2.x (рис. 6).

ю-

10'

"и" 15 10' -о

Й 'О-1,0-

10'

10'

10'

1 10'

10*

1 10'

10'

10'

0.6 мкм

~1—1--] ■ [ --Т—г-'

10

время, мин.

а

1 -г т -10

время, мин.

б

Рис. 6 ВИМС-распределения кремния, циркония и кислорода но толщине пленок диоксида циркония, а — 2хОг, полученный отжигом пленок Ъх,

б — анодный ЪхОг.

В третьей главе представлены экспериментальные результаты исследования влияния импульсного термического отжига на свойства тонких пленок диоксида циркония.

Проведен анализ методов и средств импульсной термообработки тонких пленок различных материалов. Отмечены неоспоримые практические преимущества термообработки секундной продолжительности по сравнению с традиционным длительным термическим отжигом.

Благодаря простоте технической реализации, а также всилу технологических преимуществ, связанных с минимальными температурными градиентами в обрабатываемых материалах, для проведения экспериментов по импульсному термическому отжигу был выбран режим теплового баланса. Типичная продолжительность такой термообработки составляет единицы — десятки секунд. Для проведения импульсного отжига использовали установку типа "Изоприн".

При проведении качественного фазового анализа было установлено, что в результате импульсной термообработки тонких пленок Ъх и анодного Ъх02 формируются пленки диоксида циркония, содержащие моноклинную и кубическую фазу. Количество моноклинной

фазы 2гОг больше, чем кубической. Степень текстурированноети отожженного анодного 2гСЬ лежит в пределах от 40% до 94% и уменьшается с увеличением времени отжига от I до 10 с.

По распределению ионов циркония, кислорода и кремния по толщине пленок оценивались барьерные свойства полученных покрытий диоксида циркония. Для оценки возможного проникновения ионов кремния через пленку диоксида циркония использовался метод Оже-электронной микроскопии. Показано, что как в случае оксида, полученного термическим окислением металлического Ъх, так и в случае анодного диоксида циркония, кремний из подложки не проникает через пленку ХхОг на поверхность.

Приведены результаты изучения влияния импульсного термического отжига на структурные особенности пленок диоксида циркония. Для этого был применен метод Оже-электронной микроскопии. Анализ Оже-профилей по глубине пленки анодного ХсОг позволил установить закономерности структурных превращений в изучаемых покрытиях при высокотемпературных импульсных отжигах.

Исследованиями растровой электронной микроскопии установлено, что термический оксид разрушается при проведении высокотемпературного импульсного отжига в "жестком режиме" при температурах 800- 1000°С. При этом с увеличением температуры от 800СС до 1000°С и времени термообработки от 3 до 20 с наблюдается более интенсивное разрушение пленки.

В четвертой главе представлены разработанные на основе изученных технологических режимов термической обработки тонких пленок циркония и анодного диоксида циркония методики формирования различных микроструктур.

В разработанном методе формирования рельефа диоксида циркония с использованием метода электрохимческого анодирования пленок циркония, методов химического травления 7х, обратной литографии по маскам алюминия и циркония, предложено применение импульсного термического отжига.

Для формирования рельефа пленок ВТСП на основе разработанных методик термообработки пленок циркония предложены способы формирования рельефа двухуровневых структур ВТСП, разноуровневых структур, слабосвязанных структур ВТСП, отличительной особенностью которых является возможность встраивания их в стандартные технологические процессы изготовления полупроводниковых устройств и создания на их основе гибридных иолупроводниково-криоэлектронных приборов и микросхем.

Показана перспектива использования импульсных методов термообработки для формирования межкомпонентной изоляции интегральных микросхем с использованием обратной литографии по маскам циркония. Предложены варианты возможного применения анодного стабилизированного диоксида циркония в конструкциях пленочных газовых датчиков и топливных элементов.

В приложении представлен акт об использовании разработанного технологического процесса формирования конфигурации ВТСП на кремниевой подложке, где в качестве буферного слоя использован стабилизированный оксидом иттрия гю2, сформированный электрохимическим анодированием легированных 10% иттрия пленок Ът.

ВЫВОДЫ

1. Исследованы процессы формирования тонкопленочных покрытий диоксида циркония методами электрохимического анодирования тонких пленок циркония и термического отжига пленок Тл и анодного ХЮ2, изучено влияние термического отжига на электрофизические свойства получаемых тонкопленочных покрытий.

2. Установлен характер фазообразования в пленках анодного ХЮг при их термическом отжиге. Показано, что с увеличением температуры отжига от 500°С до 800°С происходит увеличение содержания моноклинной модификации диоксида циркония, причем такие изменения в структуре оксида более существенны для тонких пленок (толщиной 80 нм) по сравнению с более толстыми пленками (толщиной 240 им). Установлено, что в глубинных слоях, кристаллизующихся

непосредственно на монокристаллической кремниевой подложке, содержание кубической модификации диоксида циркония выше, чем в поверхностных слоях, с удалением к поверхности пленки кубическая модификация становится менее выраженной.

3. Изучены структурные особенности диоксида циркония, формируемого высокотемпературным термическим окислением тонких пленок Zr. Установлено, что получаемые таким способом пленки ZrCh представлены диоксидом циркония моноклинной модификации с небольшим количеством кубической фазы. Текстура таких пленок трудно определима. При увеличении температуры окисления от 550 до 1000°С происходит охрупчивание пленки ZtOi. Показано также, что пленка Zr полностью переводится в оксид отжигом при температуре 550°С за 1 мин.

4. Исследовано влияние легирования пленок циркония иттрием на структурные свойства формируемых на их основе покрытий ZrCh. Предложено получение тонких пленок стабилизированного оксидом нггрия диоксида циркония электрохимическим или термическим окислением пленок Zr, легированных 10% У. В результате термического отжига пленок Zr(Y10%) и анодного ZrO^YjOj) происходит формирование кубической фазы диоксида циркония, такие пленки имеют степень текстурированности от 80 до 93%. Установлено, что диффузия атомов кремния через слой ZrCh на полтора порядка меньше в анодной пленке по сравнению с покрытием, полученным термическим окислением пленки Zr(Y10%).

5. Предложены методики импульсной термической обработки пленок Zr и пленок анодного ZrCh. Исследовано влияние различных условий термообработки на кристаллические свойства формируемых покрытий. Установлено, что в результате импульсной термообработки тонких пленок Zr и его анодного оксида формируются пленки диоксида циркония, содержащие моноклинную и кубическую фазу. Количество моноклинной фазы ZrCh больше, чем кубической. Относительное содержание моноклинной фазы диоксида циркония в покрытии, полученном термическим окислением тонкой пленки Zr больше по сравнению с пленкой анодного оксида. С увеличением времени отжига

соотношение моноклинной и кубической фаз растет в термическом оксиде. Степень тскстурованностн анодного 7л Ог лежит в пределах о г 40% до 94% и уменьшается с увеличением времени отжига от 1 до 10 с, а в гю2, полученном термическим окислением пленок Ъг трудно определима.

6. Изучены барьерные свойства покрытий диоксида циркония, получаемых нмпульной термической обработкой пленок циркония и пленок анодного диоксида циркония. Установлено, что для покрытий обоих типов кремний из подложки не проникает через них на поверхность.

7. Установлены закономерности структурных превращений в тонкопленочных покрытиях анодного 7л02 при высокотемпературных (700-900°С) секундных отжигах. При кратковременном (3 с) огжнге наблюдается неравномерное распределение циркония и кислорода по толщине, что свидетельствует о незавершенности структурных превращений в полученной пленке. С увеличением продолжительности отжига и увеличении температуры отжига до 900°С происходит завершение рекристаллизации в формируемом слое ЪхОг.

8. На основе установленных оптимальных режимов анодного окисления циркония и термического отжига пленок Ъх и Ъ\Ог предложены технологические процессы формирования рельефа тонкопленочных покрытий ВТСП, слабосвязанных сверхпроводниковых структур, многоуровневых структур ВТСП, межкомпонентной изоляции полупроводниковых структур с использованием методов обратной литографии.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Лыньков Л.М., Петров П.П. Влияние высокотемпературной импульсной термообработки на свойства тонких пленок анодных и термических оксидов циркония // Докл. АН Беларуси. — 1997. — Т.41, № 4. — С. 117121.

2. Лыньков. Л.М, Петров Н.П. Структурные особенности пленок оксидов циркония, получаемого импульсной термообработкой // Докл. АН Беларуси. — 1998. — Т.42, № 4, — С. 118-120.

3. Parkoun V.M., PetrovN.P., and LynkovL.M. Nanosize microstructure formation by anodizing the thin film structures // Solid State Crystals in Optoelectronics and Semiconductor Technology, Proceedings of SPIE — 1997. — Vol. 3179. — P. 56 - 58.

4. Lynkov. L.M, Soloviev V.V., Zhdanovich S.V., PetrovN.P., Bogush V.A. Structural characteristics and applications of zirconium dioxide formed by super high-speed thermal treatment // Solid State Crystals in Optoelectronics and Semiconductor Technology, Proceedings of SPIE — 1997. — Vol. 3179. — P. 180-183.

5. Glyabin V., Svirko L., Lynkov L., Petrov N., Zacharov V., Boldysheva I. On the problem of evaluating adhesion of oxide coatings on metals / Physics, Chemistry and Application of Nanostructures, Review and Short Notes to Nanomeeting '97, World Scientific Publishing Co. Pie. Ltd., 1997, P. 159-162.

3. Petrov N., Bogush V., Gurov A. ZrOi buffer layers on the glass substrates // Современные средства связи: материалы MI ГТК, Нарочь, 1995. — С. 157—160.

7. Лыньков JI.M., Жданович С.В., Петров Н.П., ПрудникА.М., Болдырева И.П. Материалы для обратной литографии в технологии нанесения покрытий // Современные средства отображения информации: материалы V Международного симпозиума, Минск 1996, —С. 158-161.

!. Лыньков Л.М., Жданович С.В., Петров ПЛ., Богуш В.А. Применение циркония и его окислов в технологии интегральных микросхем // Известия Белорусской инженерной академии.— 1996. — № 1(1). — С. 178-181.

>. Лыньков Л.М., Жданович С.В., Петров П.П., Боицышева И.П., ПрудникА.М. Конструктивно-технологические методы получения компонентов интегральных микросхем с субмикронными размерами // Известия Белорусской инженерной академии. — 1997. — № 1(3)/3. — С. 225-229.

0. L. Lynkov and N. Petrov Impulse thermal annealing of Zr and Zr02 thin films on Si substrates // Proceedings of 21sl International Convention MIPRO'98, Vol. I MEET, P. 1-3, Opatija, Croatia, 1998.

П. Лыньков Л.M., Парку» В.М., Петров II.П. Термический отжиг тонких пленок сплавов Zr—Ti на кремнии // Известия Белорусской инженерной академии,— 1998.—№ 1(6)/2. — С. 88-91.

12. Лынькои Л.М., Петров II.П. Импульсная термообработка тонких пленок Zr и его анодных окислов // Современные проблемы радиотехники, электроники и связи: тезисы докладов НТК, Минск, 1995. — С. 277-278.

13. Лыньков Л.М., ЖдановичС.В, Петров Н.П., Прудник Л.М., Богуш В.Л. Материалы для обратных масок технологии литографии и методы их термодеструкции // Научно-технический журнал "Материалы, технологии, инструмент". — 1996. — № 2. — С. 88.

14. Соловьев В.В., Жданович C.B., Петров H.H., Богуш В.Л., Дешковская A.A. Формирование покрытий диоксида циркония с повышенной термо- и абразивоустончнвостью на стеклах // Весшк Сувязь — 1996. — № 2, — С. 41.

15. Жданович C.B., Петров Н.П., Богуш В.Л., Захаров В.И., Гуров А.И. Использование тонких пленок циркония для формирования микроструктур из высокотемпературных сверхпроводников // Вестк Сувяз1. — 1996. —№ 2. — С. 45.

16. Петров II.П. Структура и свойства анодного диоксида циркония // Физика конденсированных сред: тезисы докладов V Республиканской НК студентов и аспирантов, Гродно, 1997с. 129,.

17. Н.П. Петров Материалы буферных слоев для ВТСП-керамик на кремнии и методы их получения // Научно-технический журнал "Материалы, технологии, инструменты" 1998, Т.З, № 2, с. 104.

18. Лыньков Л. М., ЖдановичС.В., Петров Н. П., Прудник А.М., Богуш В.А. Способ обратной литографии. Заявка РБ на изобретение №960170, 1996.(положительное решение на получение патента РБ от 13.04.1998г.).

19. Лыньков Л.М., ЖдановичС.В., Петров Н.П., Богуш В.А. Способ создания конфигурации тонких пленок высокотемпературных Сверхпроводников //Официальный бюллетень № 2 (17). — 30.06.1998. —

Заявка РБ на изобретение №961183, 1996. 7 / ^

/

РЭЗЮМЕ Пятроу М1калан Пнтрови Утварэине топки шендк дыаксша цыркошл методам анаднраианнл, иго уласцтасщ! прымяненне у элементах мкрасхем

Ключавыя словы: дыаксщ цыркошя, гонюя пленю, электр;шм1чнае анадз1раьанне, тэршчны водпал, анодны акад, ¡мпульсны подпал, структура, буферные уласщвасш, тэхналопя.

Даследаваны працэсы утварэння тонкапленачных пакрыццяу дыаксща цыркошя метадам1 электрахшчнага аиадз1раваиня тонюх пленак цыркошя I тэркпчнага водпалу пленак Ъх 1 аноднага ЪхОг.

Вынайдзены характар фазаутварэння у пленках ЪхОг, утворанага анадз1раваинем, пры ¡х термшным водпале.

Вывучаны структурныя асаб;нвасщ дыаксща цыркошя, утвараемага пысокатэмпературным тэрм1чным аюсленнем тонюх пленак Ъх. Пынайдзена, што атрымл1ваемы так1м чынам ЪхОг прадстаулены манаклшнан мадыфкацыяй з невялжай колькасцю куб1чнан фазы.

Вывучана уздзеянне лепруточых дабауленняу у пленкч цыркошя на структурныя асабл1васщ утвараемых на ¡х аснове пленак ЪхОг. Прапанавана утварэнне тонки пленак стабинзаванага ¡трыям дыаксща иыркош'я электрах1.\ичньш або тэрмнпгым аюсленнем пленак Ъг, леправаным 10% У.

Прапанавани методы к 1 ¡мпульснай тэркпчнай апрацоук1 пленак Ъх I плепак ЪхОг, атрымл1ваемага анадзфаваннем. Даследаваны уплыу розных умоу тэрмаапрацоуы на крышталевыя уласщпасщ утвараемых пакрыцця^. Вызначана, што у вышку ¡мпульснай тэрмаапрацоум тонюх пленак Ъх [ яго аноднага аксща утвараюцца пленю дыаксща цыркошя, змяшчаючыя монаклшную 1 кубичную фазу.

Вывучаны бар'ерныя уласщвасщ пакрыццяу дыаксща цыркошя, атрымл1ваемых ¡мпульснай тэрм1чнай апрацоукай пленак 7х ) пленак аноднага ЪхОг. Вызнычана, што крэмнш з падложю не праходзщь праз пленку ЪхОг. Вызначаны законамернасш структурных пераутварэння^ у

тонкапленачных пакрыццях аноднага ТлОг пры высокатэмпературных (700~900°С) ¡мпульсных (сякундных) водпалах.

На аснове вызначаных аптымальных рэжымау аноднага аюслення 7л \ тэрмшнага водпалу пленак 7л I ЪхОг нрапанаваны тэхналапчныя працесы утварэння рэльефа тонк1х пленак высокатэмпературных звышправадшкоу (ВТЗП) 5 ВТЗП-сгруктурау з выкарыстаннем метадау зваротнаи л1таграфн. Прапанаваны спосаб стварэння межкампанентнай ¡заляцьн пауправадшковых структурау з выкарыстаннем разбурэння Ъх.

РЕЗЮМЕ Петров Николай Петрович Формирование тонких пленок диоксида цирконии методом аподиропапня, его свойства и применение в элементах микросхем Ключевые слова: диоксид циркония, тонкие пленки, электрохимическое анодирование, термический отжиг, анодный оксид, импульсный отжиг, структура, буферные свойства, технология.

Исследованы процессы формирования тонкопленочных покрытии диоксида циркония методами электрохимического анодирования тонких пленок циркония и термического отжига пленок Zr и анодного ЪхОъ

Установлен характер фазообразования в пленках ЪхОг, полученного анодированием, п'ри их термическом отжиге.

Изучены структурные особенности диоксида циркония, формируемого высокотемпературным термическим отжигом тонких пленок Ъх. Установлено, что получаемый таким методом Zr02 представлен моноклинной модификацией с небольшим количеством кубической фазы. Текстура таких пленок трудно определима.

Исследовано влияние легирующих добавок в пленки циркония на структуру формируемых на их основе пленок ТхОъ Предложено получение тонких пленок стабилизированного иттрием диоксида циркония электрохимическим или термическим окислением пленок 2.x, легированного 10% У.

Предложены и» исследованы методики импульсной термической обработки пленок Zr и пленок ZrCh, полученного анодированием. Исследовано влияние различных условий термообработки на кристаллические свойства формируемых покрытий. Установлено, что в результате импульсной термообработки тонких пленок Zr и его анодного оксида формируются пленки ZrCh, содержащие моноклинную и кубическую фазу.

Изучены барьерные свойства покрытий диоксида циркония, получаемых импульсной термической обработкой пленок Zr и пленок анодного Zr02. Установлено, что кремний из подложки не проникает через пленку Z1O2. Установлены закономерности структурных превращений в тонкопленочных покрытиях анодного Z1O2 при высокотемпературных (700-900°С) импульсных отжигах.

На основе установленных оптимальных режимов анодного окисления Zr и термического отжига пленок Zr и ZrCh предложены технологические процессы формирования рельефа тонких пленок ВТСП и ВТСП-структур с использованием методов обратной литографии. Предложен способ создания межкомпонентной изоляции полупроводниковых структур с использованием охрупчивания Zr.

summary Petrov Nicolai Petrovich Zirconia thin film formation by anodization process, its properties and application in microcircuits Key words: zirconia, thin films, electrochemical anodization, thermal treatment, anodic oxide, rapid thermal treatment, structure modification, buffer features, technique.

The processes of zirconia thin film formation by electrochemical anodization of Zr thin films and thermal treatment of zirconium and anodic Zr02 films are investigated.

General rule of structural modifications in anodic Zr02 thin films under thermal treatment is ascertained.

Structural features of zirconia formed by high temperature thermal annealing of Zr thin films are investigated. It is determined that formed Zr02 is inonoclinic with a little quantity of cubic phase.

The phenomenon of doping of Zr by ittrium films on zirconia structural features is studied. The formation of yttria stabilized zirconia by electrochemical or thermal oxidation of 10% Y doped zirconium is proposed.

The methods of impulse thermal treatment of Zr thin films and anodic Zr02 are proposed and investigated. Different factors of thermal treatment affecting the crystalline properties of formed coatings are distinguished. It is ascertained that impulse thermal annealing of Zr thin films and anodic zirconium oxide causes formation of zirconia thin films containing monoclinic and cubic phases.

The barrier properties of Zr02 coatings formed by rapid thermal annealing of Zr and anodic zirconia films are studied. It is determined that substrate Si atoms don't penetrate through the Zr02 film. The rules of structural transformations in anodic Zr02 films under high-temperature (700-900°C) impulse thermal annèaling are ascertained.

Some technique processes of formation high temperature superconductors configuration on thé base of optimal regimes of zirconium anodic oxidation and Zr and Zr02 films thermal annealing are proposed. The method of semiconductor structure interdevice isolation using embrittlement of Zr under thermal treatment is also proposed.

ПЕТРОВ НИКОЛАЙ ПЕТРОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ МЕТОДОМ АНОДИРОВАНИЯ, ЕГО СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ В ЭЛЕМЕНТАХ МИКРОСХЕМ

Специальность 05.27.01 —Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 15.10.98. Формат 60x84 1/16

Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. иеч. л. 1,63.

Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ 506 .

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники. Отпечатано в БГУИР. Лицензия ЛП №156. 220027, Минск, П.Бровки, 6