10.2.4. Тонкопленочные конденсаторы

Тонкопленочиые конденсаторы, несмотря на кажущуюся простоту трехслойной структуры, являются наиболее сложными и трудоемкими по сравнению с другими пленочными пассивными элементами.

В отличие от резисторов, контактных площадок и коммутации, при изготовлении которых достаточно произвести осаждение одного или двух слоев (подслоя и слоя), изготовление тонкопленочных конденсаторов требует по меньшей мере осаждения трех слоев: нижней обкладки, пленки диэлектрика и верхней обкладки (применение большего числа обкладок затрудняет процесс изготовления конденсаторов и увеличивает их стоимость).

Материал, используемый для изготовления диэлектрических пленок, должен иметь хорошую адгезию с металлом, используемым для обкладок конденсатора, быть плотным и не подвергаться механическому разрушению при воздействии температурных циклов, обладать высоким пробивным напряжением и малыми диэлектрическими потерями, иметь высокую диэлектрическую проницаемость, не разлагаться в процессе испарения и осаждения и обладать минимальной гигроскопичностью.

Самыми распространенными материалами, применяемыми в качестве диэлектрика в пленочных конденсаторах, являются моноокись кремния (SiО) и моноокись германия (GеО). В последние годы для этой цели стали применять алюмосиликатные, боросиликатные и антимонидогерманиевые стекла.

Наиболее перспективными диэлектриками являются композиционные стеклообразные соединения, поскольку у них имеется возможность изменять в широких пределах электрофизические, физико-химические и термодинамические свойства путем подбора состава стекла и реализации особенностей агрегатного состояния стеклообразных систем в тонкопленочных структурах металл-диэлектрик-металл.

10.3. Тонкие диэлектрические пленки

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

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 Т = 900–1200∘C. Однако в настоящее время толщина подзатворных диэлектриков снизилась более чем на порядок и приблизилась к 5–10 нм. Сформировать такие окислы обычным термическим окислением сложно, т. к. 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) окислы 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 проблема: при толщине подзатворного диэлектрика меньше 1 нм токи утечки возрастают экспоненциально. Для преодоления этого ограничения предлагается использовать в качестве подзатворного диэлектрика диоксид гафния HfO₂, а также другие диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k диэлектрики). Преимуществами HfO₂ являются: относительно высокая константа диэлектрической проницаемости (ε = 14–25) при большой ширине запрещенной зоны (E_g = 8–5,7 эВ) и термодинамически стабильная граница раздела с кремнием.

Нитрид кремния Si₃N₄. Пленки нитрида кремния обладают меньшей проницаемостью для диффузантов, используемых в обычной планарной технологии, чем пленки диоксида кремния. Поэтому пленки нитрида кремния получают 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, в том числе:

‒ реакцией взаимодействия кремния с азотом (или аммиаком);

‒ реакцией взаимодействия силана (SiH₄) с аммиаком;

‒ 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.