Тонкие диэлектрические пленки

В современной микроэлектронике широко используются различные виды тонких диэлектрических пленок. Наиболее широко применяются тонкие пленки SiO₂, Si₃N₄ и тонкие пленки поликристаллического кремния (которые, строго говоря, не являются диэлектрическими, но методы их получения аналогичны методам получения тонких пленок).

Диоксид кремния SiO₂.Чаще всего применяется в качестве подзатворного диэлектрика. Наиболее распространенным способом получения тонких пленок SiO₂ является термическое окисление. Слой двуокиси кремния формируется на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры 900÷1200 ^оC. Однако в настоящее время толщина подзатворных диэлектриков снизилась более чем на порядок и приблизилась к 5÷10 нм. Сформировать такие слои окисла обычным термическим окислением сложно, так как процессы нагрева и охлаждения полупроводниковых пластин в диффузионных печах очень инерционны, что не позволяет точно контролировать технологические режимы окисления и, следовательно, приводит к разбросу электрофизических параметров полупроводниковых структур.

Поэтому тонкие (10÷20 нм) и ультратонкие (менее 10 нм) слои окисла формируют методом быстрой термической обработки (БТО). Особенностью этого метода является быстрый нагрев и охлаждение подложек с использованием некогерентных источников света. Обработка полупроводниковых пластин осуществляется в режиме теплового баланса с длительностью нагрева от единиц до десятков секунд. Существенным достоинством технологии БТО является возможность отслеживать процесс окисления в реальном режиме времени с точностью до долей секунды.

Но и это не решает всех проблем. При дальнейшей миниатюризации микросхем на основе SiO₂ возникает еще одна проблема: при уменьшении толщины подзатворного диэлектрика до 1 нм и ниже токи утечки возрастают экспоненциально. Для преодоления этого ограничения в качестве подзатворного диэлектрика используют диоксид гафния HfO₂, а также другие диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью. Преимуществами HfO₂ являются: относительно высокая величина диэлектрической проницаемости (ε » 25) при большой ширине запрещенной зоны (E_g » 5,7 эВ) и термодинамически стабильная граница раздела с кремнием.

Нитрид кремния Si₃N₄.Наряду с защитными диэлектрическими пленками диоксида кремния в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем все более широкое применение находят пленки нитрида кремния. Пленки нитрида кремния обладают меньшей проницаемостью для диффузантов, используемых в обычной планарной технологии, чем пленки диоксида кремния. Поэтому пленки нитрида кремния получаются более тонкими. Это является важным фактором для фотолитографии, способствующим увеличению ее разрешающей способности. Пленки нитрида кремния можно выращивать во много раз быстрее, чем пленки диоксида кремния, и при более низких температурах. Их можно выращивать различными способами, например:

− реакцией взаимодействия кремния с азотом (или аммиаком);

− реакцией взаимодействия силана (SiH₄) с аммиаком;

− методом открытой трубы;

− методом реактивного катодного осаждения.

Нитрид кремния используется в микроэлектронике для маскирования поверхности кремниевой подложки при проведении процессов локальной диффузии, локального окисления, локального травления, а также для защиты готовых структур от окружающей среды.

Толстопленочными называются интегральные микросхемы с толщиной пленок 10÷70 мкм, изготавливаемые методами трафаретной печати (сеткография).

Сущность процесса изготовления толстопленочных микросхем заключается в нанесении на керамическую подложку специальных проводниковых, резистивных или диэлектрических паст путем продавливания их через сетчатый трафарет с помощью ракеля и в последующей термообработке (вжигании) этих паст, в результате чего образуется прочная монолитная структура.

Проводниковые и резистивные пасты состоят из порошков металлов и их окислов, а также содержат порошки низкоплавких стекол (стеклянную фритту). В диэлектрических пастах металлические порошки отсутствуют. Для придания пастам необходимой вязкости их замешивают на органических связующих веществах (этил-целлюлоза, вазелины).

При вжигании паст стеклянная фритта размягчается, обволакивает и затем при охлаждении связывает проводящие частицы проводниковых и резистивных паст. Диэлектрические пасты после термообработки представляют однородные стекловидные пленки.

Относительная простота технологии при сравнительно низких затратах на оборудование и материалы, достаточно высокая эксплуатационная надежность и другие достоинства толстопленочных микросхем способствуют увеличению их производства и расширению областей применения. Конструктивно подобные микросхемы выполняются в виде наборов резисторов или конденсаторов, а также в виде гибридных микросхем, т.е. могут содержать навесные активные и пассивные компоненты. Широкое применение находит толстопленочная многоуровневая разводка межэлементных соединений в гибридных микросхемах.