автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Синтез и исследование стекловидных диэлектрических материалов и пленок на их основе, полученных золь-гель методом

Введение.

Глава 1. Золь-гель метод синтеза особо чистых стекловидных материалов и формирование диэлектрических пленок

Литературный обзор).

1.1. Требования предъявляемые к стекловидным диэлектрическим пленкам в технологии микроэлектроники.

1.2 Низкотемпературные жидкофазные методы синтеза.

1.2.1. Метод соосаждения.

1.2.2. Топохимический метод.

1.2.3. Золь-гель метод.

1.3. Способы формирования пленок из растворов.

1.4. Применение стекловидных диэлектрических материалов и пленок на их основе, полученных золь-гель методом.

Перспективы развития золь-гель метода.

Вьшоды к главе 1.

Глава 2. Методики исследования и методы подготовки образцов.

2.1. Синтез материалов золь-гель методом.

2.2. Подготовка образцов к исследованию.

2.3. Методики исследования свойств растворов и стекловидных материалов.

2.4. Формирование стекловидньк пленок на кремниевых пластинах и исследование их свойств.

Вьшоды к главе 2.

Глава 3. Синтез стекловидных диэлектриков золь-гель методом и исследование их свойств.

3.1. Синтез материалов золь-гель методом.

3.1.1. Выбор составов стекловидных материалов.

3.1.2. Синтез материалов систем:

ЗЮз-ВзОз, ЗЮг-РгОз, ЗЮг-ВгОз-РзОз.

3.1.3. Синтез материала системы ВаО-А120з-8Ю2.

3.2. Исследование влияния режимов синтеза на процесс гидроксополимеризации.

3.3. Дериватографические исследования

3.4. Исследование термических и диэлектрических свойств синтезированньк стекловидных материалов.

3.5. ИК-спектроскопические исследования.

3.6. Исследование синтезированных материалов методом РФА.

3.7. Механизм золь-гель процесса синтеза гелей.

Вьшоды к главе 3.

Глава 4. Синтез стекловидных диэлектрических пленок методом золь-гель и исследование их свойств.

4.1. Выбор составов компонентов для синтеза полуколлоидных растворов и пленок на их основе.

4.2. Исследование влияния режима синтеза полуколлоидных растворов на процесс гидроксополимеризации.

4.3 Исследования оптического показателя преломления.

4.4 Исследования щзисталлизационной способности стекловидных пленок методом рентгенофазового анализа.

4.5 ИК-спектроскопические исследования пленок.

4.6 Исследования влагостойкости пленок.

4.7 Исследования скорости химического травления стекловидных пленок.

4.8 Исследование механических напряжений в стекловидных пленках.

4.9 Исследование электро-физических свойств стекловидньк пленок.

4.10 Исследование пористости стекловидных пленок.

Вьшоды к главе 4.

Глава 5. Применение стекловидных диэлектрических пленок.

5.1 Заполнение ступенчатого рельефа подложки стекловидными диэлектрическими пленками.

5.2 Применение стекловидных диэлектрических пленок для планаризации межслойного диэлектрика в многоуровневых СБИС.

Вьшоды к главе 5.

Обгцие выводы.

Список использованных литературных источников.

В связи с вьппеизложенным, применение стекловидных диэлектрических материалов для межслойной изоляции многоуровневой проводниковой разводки, планаризации топологического рельефа, пассивации, бескорпусной защиты и создания структур 1фемний-на-изоляторе (КНИ), комплексное исследование их свойств, разработка надежной технологии их получения представляют значительный интерес и определяют актуальность настоящей работы.

Цель работы.

Исследования направлены на изучение золь-гель метода синтеза стекловидных диэлектрических материалов с комплексом заданных свойств и пленок на их основе, получение субмшфонных пленок посредством данного метода для целей микроэлектроники, комплексное исследование зависимости свойств этих материалов и стекловидных пленок на их основе от состава, режимов синтеза, технологических параметров их формирования с последующей оптимизацией состава диэлектриков и технологических режимов нанесения стекловидных пленок.

Для достижения этой цели в работе бьши поставлены и решены следующие задачи:

- синтез стекловидньк диэлектрических материалов, КТЛР которых совпадает с КТЛР монокристаллического кремния;

- исследование и разработка режимов синтеза стекловидных материалов золь-гель методом;

- комплексное исследование свойств полученных стекловидных материалов;

- исследование и разработка режимов синтеза золь-гель методом полуколлоидных растворов для получения стекловидных диэлектрических пленок;

- синтез стекловидных пленок из полуколлоидных растворов и исследование их физико-химических свойств;

- разработка рекомендаций по использованию материалов и стекловидных диэлектрических пленок на их основе, синтезированных золь-гель методом, в технологии микроэлектроники.

Научная новизна:

Проведено комплексное исследование процесса синтеза золь-гель методом стекловидных материалов в системах: ВгОз-ВЮг, ЗЮг-РгОз, ЗЮг-ВгОз-РгОз и Ва0-А120з-8102 и установлено влияние химического состава, температуры, вязкости раствора на время гелеобразования в указанньк системах.

Определены зависимости свойств стекловидных диэлектрических материалов и пленок на их основе от температуры и времени термической обработки.

Разработаны режимы синтеза золь-гель методом стекловидных диэлектрических материалов боро-, фосфоро-, борофосфоросиликатных и барийалю-мосиликатных систем.

Проведен синтез и исследования полуколлоидных растворов в системах ТЭОС-С2Н5ОН-Н2О и ТЭОС-С2Н5ОН-Н2О-Н3ВО3-Н3РО4. Разработанны составы полуколлоидных растворов в указанных системах с длительньв! временем хранения, не имеющих отечественных аналогов.

Разработаны режимы синтеза и формирования стекловидных пленок непосредственно из полуколлоидных растворов, синтезированных золь-гель методом, длительного хранения.

Практическая значимость.

Разработаны режимы синтеза стекловидных диэлектрических материалов боро-, фосфоро-, борофосфоросиликатньк и барийалюмосиликатных систем методом золь-гель. Указанные стекловидные материалы имеют более низкие температуры формирования (до 800°С) по сравнению с аналогичными материалами, полученньми по традиционной технологии, что является более экономически вькодным. Синтезированные материалы согласованны по КТЛР с монокристаллическим кремнием. Результаты исследования легли в основу разработки лабораторной работы, для студентов 4-5 курсов ЭТМО факультета, по синтезу боро-силикатных гелей для целей микроэлектроники.

Полученные результаты исследований могут использоваться для разработки материалов золь-гель методом в других системах.

Разработаны режимы синтеза полуколлоидных; растворов с целью получения на их основе стекловидных пленок в системах ЗЮг и ЗЮг-ВгОз-РгОз.

Разработаны технологии получения методом центрифугирования полуколлоидных растворов, синтезированных золь-гель методом, борофосфоросили-катных и силикатных диэлектрических стекловидных пленок, предназначенных для формирования межслойной изоляции СБИС, планаризации топологического рельефа, и создания структур КНИ. Разработанный технологический процесс для планаризации двухуровневой металлизации СБИС используется в ГЦ НИК «Технологический центр». Ожидаемьш экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы при использовании полуколлоидньк растворов для планаризации межслойного диэлектрика при производстве ИС, составит 1750000 руб./год.

Практическая значимость работы подтверждена соответствующими актами внедрения.

Результаты исследования зависимости электрической прочности и диэлектрической проницаемости стекловидных пленок на основе полуколлоидных растворов составов К-100 и БФК-5.10 от температуры их термообработки, представлены на рисунках 4.27 и 4.28. Анализ полученных данных позволяет отметить, что повьппение температуры отжига полученных покрытий приводит к увеличению значения электрической прочности и уменьшению диэлектрической проницаемости стекловидных пленок. Так, значение г для не отожженных пленок К-100 равняется 7,8, а после их термообработки при 450°С в течение 30 минут составляет 4,7; для покрытий на основе раствора состава БФК-5.10 значения в равны 8,2 - для стекловидных пленок не прошедших термообработ!л, и 4,6 - для отожженньЕх при 750°С в течение 30 минут. Следует отметить, что значения диэлектрической проницаемости и электрической прочности у не термо-обработанных пленок достаточно высоки. Для пленок, полученных из растворов на основе состава К-100, - Епр=2,5*10л В/см и £=7,8, а для БФК-5.10 -Епр=3,4*10лв/сми£=8,7.

В таблице 4.3 приведены значения электрофизические параметров МДП-структур при различных температурах их термообработки, а именно, Смах., Стш./Смах, плотности повсрхностных СОСТОЯНИЙ И тангснса угла диэлектрических потерь. состав стекл. пленок

К-100

К-100

К-100

К-100

БФК-5.10

БФК-5.10

БФК-5.10 тем-ра т/о

СО 1=30 мин.

450

500

550

600

450

750

850 пФ)

23,43 21,36 18$5 18,73 35,31 19,65 19,71 пФ)

0Д7 0Д9 0,22 023 0Д2 022 022

N33 (смл)

3,62*10" 3,34*10" 2,76*10" 1,82*10" 1,25*10Л 5,53*10" 5,31*10"