автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование процессов низкотемпературного плазмостимулированного роста пленок диоксида циркония, стабилизированного иттрием

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ г.Ярославль

НАУМОВ Виктор Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПЛАЗМОСТИМУЛИРОВАННОГО РОСТА ПЛЕНОК ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ИТТРИЕМ

Специальность 05.27.01 "Твердотельная электроника, микроэлектроника и

наноэлектроника"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, с.н.с. Бочкарев В.Ф.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................................................4

1. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ФИАНИТА (обзор).........................................................................................................11

1.1 Свойства фианита и его использование в микроэлектронике и других областях техники......................................................................11

1.2 Методы получения пленок фианита..........................................................................1.9

1.3 Способы стимуляции упорядоченного роста пленок и эпитаксии..................................................................................................................................................................................................25

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................................................54

2.1 Ионно-плазменная напылительная

установка....................................................................................................................................................................................................54

2.2 Магнетронная напылительная установка..........................................................57

2.3 Оборудование и методика изготовления мишеней..........................61

2.4 Оборудование и методика исследования структуры.................64

2.5 Оборудование и методика исследования химического

состава пленок..................................................................................................................................................................................69

2.6 Методики измерения толщины пленок..................................................73

2.7 Стенд и методика измерения токов утечки и пробойного напряжения.....................................................................................................................................................................................75

2.8 Методика измерения параметров плазмы........................... 77

3. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ........................... 86

3.1 Технология получения пленок фианита............................... 86

3.2 Влияние содержания У203 в мишени на структуру и свойства пленок фианита........................................................................ 88

3.3 Влияние технологических параметров на структуру поликристаллических пленок фианита................................................. 89

3.4 Метод получения высокотекстурированных пленок

фианита.................................................................................................... 92

3.5 Исследование влияния параллельного подложке ВЧ поля

на рост пленок фианита......................................................................... 115

3.6 Исследование электрофизических свойств пленок

фианита.................................................................................................... 124

4. МОДЕЛЬ РОСТА ПЛЕНОК ФИАНИТА В УСЛОВИЯХ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ СТИМУЛЯЦИИ......................................... 127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................... 135

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................... 139

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы наметился значительный интерес к проблеме низкотемпературной эпитаксии. Современное состояние в данной области исследований характеризуется большим количеством работ, в которых используется дополнительная стимуляция как самой поверхности подложки с растущей пленкой, так и падающего потока наносимого вещества. При этом используются различные виды воздействий. К ним относятся электромагнитные (радиоволны, свет, рентгеновское излучение) и корпускулярные (электроны, нейтроны, ионы и т.д.) воздействия, воздействие электрических и магнитных полей и т.д. При этом установлено наличие эффекта изменения структуры растущих пленок при этих воздействиях. Интерес к таким исследованиям обусловлен как перспективами применения данного эффекта в микроэлектронной технологии для снижения температуры эпитаксиального роста пленок, так и для выяснения фундаментальных механизмов роста пленок. Как известно, процессы упорядоченного роста при низких температурах в обычных условиях подавлены из-за малой подвижности адатомов и наличия диффузионных барьеров для межслойного транспорта возле моноатомных ступеней. Стимуляция ориентированного роста пленок путем ионной бомбардировки является весьма перспективной по ряду параметров (низкая стоимость технологии, высокая локализация воздействия в приповерхностном слое, широкие пределы варьирования энергии и направления воздействия). В ряде работ показана возможность стимуляции двухосевого упорядочения (формирование ограниченной текстуры) при напылении фианита - диоксида циркония, стабилизированного иттрием (yttria stabilized zirconia, YSZ), на кремний, стекло и поликристаллические подложки с использованием бомбардировки

пучком низкоэнергетичных ионов аргона. Этот же эффект продемонстрирован на примере пленок ниобия. Подобные условия (ионная бомбардировка растущей поверхности) реализуются и при ионно-плазменном распылении в вакууме. При этом условия плазменной стимуляции роста пленок реализуются в случае подачи на подложку потенциала смещения. В условиях ионно-плазменного напыления со смещением на подложке другим важным фактором, влияющим на рост пленок, является внешнее параллельное поверхности подложки электро-магнитное поле, приводящее к изменению угла бомбардировки. В качестве основного материала для исследований выбран фианит (УЭг). Тонкие пленки фианита являются перспективным материалом для применения в микроэлектронной технологии. Благодаря своим уникальным характеристикам, эти пленки могут использоваться в качестве диэлектрических и буферных слоев в многослойных пленочных структурах, а также для формирования защитных и оптических покрытий. Как твердый электролит с ионной проводимостью при высоких температурах он используется в элементах питания. Важным свойством фианита является очень незначительное различие масс иттрия и циркония, не приводящее к изменению химического состава как при переносе материала из мишени в пленку, так и в процессе ионной бомбардировки (травления) пленки. В данной работе исследования были направлены на получение пленок фианита плазмо-стимулированным методом при низких температурах подложки для КНИ (кремний на изоляторе) структур.

Целью настоящей работы является:

Исследование процессов роста пленок фианита в условиях ионно-плазменной стимуляции, направленное на выявление

механизмов стимулированного роста, изучение ориентирующего воздействия ионной бомбардировки, поиск путей снижения температуры ориентированного и эпитаксиального роста. Были поставлены следующие задачи.

1. Исследование влияния ВЧ смещения на подложке на рост пленок.

2. Исследование влияния динамики уменьшения ВЧ смещения на

§

структуру пленок на ранних стадиях роста.

3. Исследование влияния параллельного поверхности подложки ВЧ поля на структуру пленок.

4. Исследование совместного воздействия ВЧ смещения на подложке и параллельного поверхности подложки ВЧ поля на структуру пленок.

5. Разработка феноменологической модели роста пленок в условиях плазменной стимуляции.

Научная новизна.

Исследовано влияние ионно-плазменной стимуляции в процессе роста на структуру пленок фианита в рамках магнетронного метода. Было обнаружено, что при ионной стимуляции существенное изменение структуры пленок происходит при изменениях параметров стимуляции на ранних стадиях роста. Впервые предложен метод формирования аксиальной текстуры пленок фианита с изменяющимся во времени (на ранних стадиях роста) ВЧ смещением на подложке охлаждаемой водой. Таким методом получены пленки фианита на кремнии с осью текстуры [100] перпендикулярной поверхности подложки. Установлено, что текстура пленок не зависит от кристаллической ориентации подложки. Для лучших образцов разориентировка зерен от оси текстуры (полуширина кривой качания)

составляет 6°. Последующий отжиг таких пленок не приводит к значительному изменению соответствующих рентгеновских отражений, что свидетельствует о высоком упорядочении в пленках. Напыление на нагретую до 500°С подложку, так же приводит лишь к незначительному улучшению структурного совершенства пленок.

Исследовано влияние на структуру пленок фианита параллельного подложке ВЧ поля. В условиях ионно-плазменной стимуляции без ВЧ смещения на подложке, но с приложением параллельного поверхности подложки ВЧ поля получены аксиально текстурированные пленки фианита с осью текстуры [111] перпендикулярной поверхности подложки. В этом случае напыление на нагретую до температуры 500°С подложку приводит к значительному улучшению структурного совершенства пленок (интенсивность соответствующих дифракционных пиков возрастает примерно вдвое).

Исследовано совместное влияние ВЧ смещения на подложке и параллельного подложке ВЧ поля на структуру пленок фианита. При определенных параметрах этих полей получены пленки с двухосевой (ограниченной) текстурой на охлаждаемых водой подложках кремния. Ось [111] расположена перпендикулярно поверхности подложки, а ось [110] фиксирована в плоскости подложки.

Практическая значимость.

Продемонстрирована возможность управления процессами роста пленок фианита при низких температурах подложки в условиях ионно-плазменной стимуляции. Полученные результаты дают основания полагать, что при определенном сочетании параметров параллельного и перпендикулярного ВЧ полей и их динамики будет происходить эпитаксиальный рост пленок при температурах

подложки значительно меньших, чем требуется для стандартных методов получения эпитаксиальных пленок. Кроме того, использование ростовых механизмов (изменение ориентации растущей пленки при одновременном ионном травлении) позволит получать высоко ориентированные пленки на неупорядоченных подложках.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 150 страниц машинописного текста, включая 53 рисунка, 14 таблиц и список литературы из 106 наименований.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы, цель и научная новизна работы. Излагается содержание диссертации и формулируются выносимые на защиту научные положения.

В первой главе на основе литературных данных рассматриваются свойства фианита, как основного материала исследований, способы получения плёнок фианита, основные результаты, достигнутые в мире по использованию различных стимулирующих воздействий на пленку в процессе роста и, в частности, ионной стимуляции.

Во второй главе рассматривается технологическое и измерительное оборудование, а также основные методы исследования пленок, использовавшихся в работе.

В третьей главе представлены результаты исследований роста пленок фианита в условиях ионной стимуляции и их анализ. Рассмотрено влияние перпендикулярного и продольного ВЧ полей (как раздельное, так и совместное) на структуру пленок. Представлен

метод получения аксиально текстурированных пленок фианита с высоким структурным совершенством на охлаждаемые водой подложки.

В четвертой главе представлена феноменологическая модель роста пленок в условиях ионно-плазменной стимуляции и проверка ее с помощью компьютерного моделирования.

В заключении изложены основные результаты работы, сделан вывод о научной и практической ценности работы, отмечен личный вклад автора.

Защищаемые научные положения.

1. В условиях ионной стимуляции растущих пленок фианита значительное изменение их структуры происходит при изменении скорости уменьшения ВЧ смещения на подложке на ранних стадиях роста.

2. Используя медленное уменьшение ВЧ смещения на подложке, получены аксиально текстурированные (с осью текстуры [100] перпендикулярной поверхности подложки) пленки фианита на кремниевой подложке не зависимо от ориентации ее поверхности и температуры в пределах 20-500°С. Также такие пленки получены на подложках сапфира и др.

3. Использование одного продольного ВЧ поля (ш = 0.78 Мгц, Е = 3 кВ/см) в процессе роста пленок фианита на кремнии приводит к формированию аксиальной текстуры с осью [111] перпендикулярной к поверхности подложки. В этом случае ориентация подложки сильно влияет на степень текстурированности пленок.

4. При совместном использовании перпендикулярного и параллельного поверхности подложки ВЧ полей получены пленки фианита на кремнии с двухосевой (ограниченной) текстурой.

5. Все вышеприведенные ориентационные эффекты можно объяснить в рамках модели, основанной на различии в скоростях роста зерен с различной ориентацией, и анизотропии ионного травления кристаллитов в зависимости от угла бомбардировки.

Апробация работы.

По результатам исследований были сделаны доклады на Ярославской областной научной конференции «Современные проблемы естествознания», 1997 г., на трех международных симпозиумах «Тонкие пленки в электронике» в 1996 году Йошкар-Ола, в 1997 году Харьков, в 1998 году в Иваново, на IV Российской конференции «Высокие технологии в промышленности России», МГУ, 1998 г., на 5 Европейской конференции по Термическим Плазменным Процессам (Fifth European Conference on Thermal Plasma Processes), июль 1998, Санкт Петербург.

Публикации.

По теме диссертации получено 2 патента на изобретение, опубликованы 22 печатных работы, в том числе 3 работы в центральной печати, 3 работы в сборнике "Труды ФТИ РАН" и 16 работ в трудах конференций.

1. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ФИАНИТА (обзор)

1.1. Свойства фианита и его использование в микроэлектронике и других областях техники.

Кристаллическая структура диоксида циркония и диоксида циркония стабилизированного иттрием.

Диоксид циркония встречается в природе в виде минерала бадделеита. Этот минерал был открыт в 1892 г. и вскоре была установлена его принадлежность к моноклинной сингонии [1], близкой к флюоритовой, но принципиально отличающейся от неё семерной координацией катиона. В 1929 г. Руфф и Эберт [2] установили, что существующий до 800°С моноклинный (а) диоксид циркония при более высокой температуре превращается в тетрагональную (|3) форму. Структурные исследования этой модификации были выполнены Тейфером [3]. Позднее [4] при теемпературах выше 2000°С у 2Ю2 было доказано существование кубической (у) формы, принадлежащей к структурному типу флюорита. Все эти формы диоксида циркония при определенных температурах обратимо переходят одна в другую по схеме а<-»Р<-»у. В настоящее время экспериментально установлены следующие границы превращений ос<-»р:

нагрев охлаждение

появление исчезновение появление а- исчезновение

фазы а-фазы фазы (3-фазы

930-1150°С 1170-1250°С 950-1250°С 550-1000°С

*

Многими экспериментаторами доказано, что а-»|3 превращение ЪхОг является бездиффузионным (мартенситным), т.е. взаимно переходящие структуры близки и переходят одна в другую без разрыва связей. При а-»р превращени происходит сжатие структуры на 3.25-3.42%. Обратимое Р<-»у превращение ЪхОг происходит в интервале температур 2285-2350°С с минимальным гистерезисом в 30°. Наличие узкого гистерезиса позволяет полагать, что это превращение не связано с существенной перестройкой структуры, а происходит за счет незначительного смещения атомов в решетке. Оно осуществляется с поглощением тепла и характеризуется сжатием структуры (плотность Р^гОг равна 6.1, а у^Юг - в.21 г/см3). Для стабилизации кубической фазы при низкой температуре в вводятся добавки различных оксидов, в частности У20з. От величины этих добавок зависит и тип элементарной ячейки, и ее размер.

Точечные дефекты в оксидах со структурой типа флюорита.

В структуре кубической модификации Ъх02 имеется несколько позиций, пригодных для размещения примесных катионов. Более того, в случае гетеровалентного изоморфизма валентный баланс может быть достигнут как за счет анионной, так и катионной части структуры путем образования вакансий или фаз внедрения. В результате в каждом случае изоморфного замещения Ъс примесным катионом возникает несколько возможных вариантов структуры твердого раствора.

Еще Вагнер [5] для объяснения ионной проводимости массы Нернста высказал предположение, что растворение У203 в Хх02 должно сопровождаться возникновением кислородных вакансий. Позднее Хунц [6], а затем Брэттон [7], использовав метод сравнения рентгеновской и пикнометрической плотностей, подтвердили правильность вакансионной модели, предложенной Вагнером для этих растворов. В работе [8]

аналогичный вывод был сделан в отношении модели распределения катионов в кубических твердых растворах оксида кальция в 2Ю2. Примеры определений плотностей приведены в табл. 1.1.1.

Таблица 1.1.1. Сравнение пикнометрических и рентгенографических плотностей оксида со структурой флюорита [9].

Система; состав, % Постоянная решетки, А Плотность экспе�