Волокитина ВКР(2)

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина»
Институт агробиотехнологий и технических систем
Кафедра агроинженерии, мехатронных устройств и систем
Методы получения диэлектрических пленок для интегральной
электроники
Выпускная квалификационная работа
обучающейся 4 курса
по направлению подготовки бакалавриата
11.03.04 Электроника и наноэлектроника
Направленность (профиль): Электроника и робототехника
очная форма обучения
Волокитиной Людмилы Витальевны
Руководитель:
Фортунова Наталия Александровна
Кандидат технических наук, доцент

2. Актуальность работы

Интегральная
занимающаяся
электроника
разработкой
—
ключевая
интегральных
область
схем
(ИС).
технологического
Важный
прогресса,
элемент
ИС
—
диэлектрические плёнки (ДП), обеспечивающие изоляцию и защиту компонентов.
Постоянное усложнение архитектуры микросхем и повышение требований к их
характеристикам приводит к особому вниманию при выборе и совершенствовании методов
получения ДП с заданными характеристиками, что становится приоритетной задачей
микроэлектроники.
Актуальность темы обусловлена необходимостью создания более надёжных и
производительных ИС для современного мира.

3. Цель и задачи работы

Целью выпускной квалификационной работы является изучение, систематизация
и сравнительный анализ методов получения диэлектрических пленок, обеспечивающих
высокое качество и необходимые функциональные характеристики для применения в
интегральной электронике.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Провести обзор основных методов получения диэлектрических пленок;
2) Изучить влияние технологических параметров на структуру и свойства пленок;
3) Проанализировать преимущества и недостатки различных технологий нанесения;
4) Определить перспективные направления совершенствования методов получения
диэлектрических пленок для интегральных схем.

4. Ключевые критерии классификации ДП

1. По составу и материалу:
3. По функциональному назначению:
•Оксидные (SiO₂, Al₂O₃).
•Подзатворные диэлектрики (изоляция затворов
•Нитридные (Si₃N₄, AlN).
транзисторов).
•Фторидные (CaF₂, MgF₂).
•Пассивирующие слои (защита кристалла от
2. По методам получения:
повреждений).
• Термическое выращивание (например,
•Оптические покрытия (управление оптическими
окисление кремния).
• Химическое осаждение из газа (CVD).
• Физическое испарение (PVD).
характеристиками).

5.

Табл. 1 Применение диэлектрических материалов в микроэлектронике.
Группа
Материал
Применение в ИС
Основные функции и свойства
материалов
Оксиды
SiO2, Al2O3, HfO2,
Подзатворные диэлектрики в МДП-транзисторах, Высокое
диэлектрическое
сопротивление,
Ta2O5
межслойная изоляция (ILD), создание ёмкостных высокая
электрическая
прочность,
структур
стабильность,
обеспечение
надежной
прочность,
химическая
изоляции
Нитриды
Si3N4, AlN
Пассивация поверхности, барьерные слои, защита Механическая
от диффузии и химических воздействий
стойкость,
защита
активных
элементов
микросхем
Фториды
CaF2, MgF2
Оптические
покрытия,
применение
оптоэлектронике
Полимеры
в Низкий
показатель
преломления,
прозрачность, устойчивость к износу
Полиимиды, BCB,
Гибкая электроника, межслойная изоляция, защита Термостойкость,
PTFE
и изоляция в сложных многослойных структурах
гибкость,
хорошая
диэлектрическая проницаемость, химическая
инертность
Композиты
SiO2+углерод
Межсоединения
в
многослойных
структурах, Оптимизация диэлектрических параметров,
(SiCOH),
снижение диэлектрических потерь и улучшение улучшение
организогель
механических свойств
механической
снижение паразитных емкостей
прочности,

6. Основные функции диэлектрических пленок

1. Изоляционная
2. Создание емкостных элементов
3. Активные функции
4. Защитные функции
5. Участие в техпроцессах
6. Обеспечение высокой интеграции

7.

Табл. 2 Технические требования и параметры к ДП
Параметр
Толщина
Описание
Значение и требования
Диэлектрическая
проницаемость (ε)
Размер слоя, критичный для устройств с высокой От нескольких нанометров до нескольких
плотностью интеграции.
микрометров.
Способность
материала
аккумулировать Обычно от 2 до 100 и выше, в зависимости
электрический заряд.
от назначения.
Потеря энергии (tgδ)
Мера потерь энергии при переменном поле.
Обычно
<0,01
приложений.
для
радиочастотных
Пробойное напряжение Максимальное
напряжение,
которое
может Зависит от толщины и материала; обычно
выдержать пленка без пробоя.
сотни кВ/см.
Термостойкость
Максимальная
температура,
при
которой Часто >400°C для высокотемпературных
сохраняются свойства.
процессов.
Механическая прочность Устойчивость к механическим повреждениям.
Определяется по показателю твердости и
адгезии.
Химическая стойкость Устойчивость к химическим воздействиям.
Важна для длительной эксплуатации и
технологических этапов.
Адгезия
Однородность и
отсутствие дефектов
Совместимость с
технологическими
процессами
Способность
пленки
прочно
сцепляться
с Высокое значение для предотвращения
подложкой.
отслаивания.
Минимизация пор, трещин, включений и других Практически полное отсутствие дефектов,
дефектов, ухудшающих свойства пленки.
пористость <1%, отсутствие трещин и
включений.
Обеспечение хорошей адгезии и стабильности Высокая адгезия (>90% по тестам
свойств при фотолитографии, травлении, осаждении отслаивания), стабильность параметров при
металлов и др. этапах производства.
воздействии технологических условий.

8. Основные группы методов получения ДП SiO2

Выбор метода получения пленок двуокиси кремния зависит от назначения
пленки, например:
Подзатворный диэлектрик термическое нанесение.
1. Методы окисления:
- Термическое (сухое/влажное/НРО).
- Электролитическое анодирование.
- Плазменное анодирование.
2. Методы осаждения:
- Пиролиз (TEOS).
- Гидролиз галогенидов.
- Окисление/гидролиз силана (SiH4).
- Золь-Гель.
- PЕCVD
- Испарение.
- Реактивное распыление

9.

Табл. 3 Сравнительный анализ методов получения диэлектрических пленок SiO
Метод и
универсальность
подложки
Скорость роста,
температура
Качество
Преимущества и недостатки
Применение
пленки
Термическое
Низкая-средняя Исключительно Преимущества: лучшее качество интерфейса, простота Затворный
окисление,
(0,1-1 мкм/ч), высокое (особенно процесса, высокая воспроизводимость.
диэлектрик,
подложка – только 800-1200 °C
Si/SiO2), низкая Недостатки: очень высокая температура, расход диффузионны
кремний
плотность дефектов, материала
е маски
подложки,
неприменимость
к
высокая Ep >107 В/см металлам/другим полупроводникам.
Электролитическое Очень низкая
Среднее (ниже
Преимущества: низкая температура, точный контроль Нишевые
анодирование,
(<0.2 мкм), 20–
термического),
толщины, ограниченная max толщина (0,1-0,2 мкм).
применения
подложка – только 30 (комн.) °C пористость, низкая Недостатки: низкая технологичность (электролиты),
на Si
кремний
Ep
неравномерность на больших пластинах.
Плазменное
анодирование,
подложка – только
кремний
Низкая (0,6
мкм за 10 ч),
200–500 °C
Высокое
(сопоставимо с
термическим при
~500°C)
Преимущества: качество близкое к термическому при Качественные
более низкой температуре, возможность большей оксиды на Si
толщины.
при ср. темп.
Недостатки: сложное и дорогое оборудование (вакуум,
плазма), расход подложки, низкая скорость.
CVD (LPCVD: СредняяВысокое (зависит от Преимущества: универсальность подложки, хорошая Межслойная
SiH4/O2,
Высокая (до 80
T и прекурсора), конформность, высокая скорость, контроль состава.
изоляция
SiH2Cl2/O2),
нм/мин), 300– возможны примеси Недостатки: высокая T для лучшего качества,
(ILD),
подложка – любая 900 °C
C, H
взрывоопасность SiH4, органические примеси (TEOS), защитные
(Si, металлы, др.
слои
пористость при низких T.
диэлектрики)

10.

Продолжение табл. 3
Метод и
универсальность
подложки
Скорость
роста,
температура
Золь-Гель,
Низкая, 400–
подложка – любая 700(отжиг)
(Si, металлы, др. °C
диэлектрики)
PECVD (SiH4/N2O, Средняя,
200–400 °C
TEOS/O2),
подложка – любая
Качество
Преимущества и недостатки
Применение
пленки
Средняя
(пористость),
высокий tgδ
Преимущества: простота и низкая стоимость оборудования, Легирующие
легкое легирование, применимость к сложным формам.
источники,
буферные
Недостатки: высокая усадка, пористость, ограниченная
слои,
толщина (<1 мкм), высокие диэлектрические потери, требует
простые
высокотемпературного отжига.
покрытия
Средняя (содержит Преимущества: низкая температура, отличная конформность Пассивация,
и высокая универсальность.
H: 10-35 ат.%,
защитные
SiOxHy), пониженная Недостатки: содержание водорода (ухудшает стабильность), слои, ILD
Eпр (3-6×106 В/см),
(низкие T)
пористость, более низкая электрическая прочность и
высокие напряжения термический/CVD.
Испарение
НизкаяНизкая-Средняя Преимущества: низкая температура осаждения, простота Оптические
(электронноСредняя, 50- (нестехиометрия, концепции.
покрытия,
1000 °C
лучевое,
SiO/Si включения, Недостатки: низкое качество (не подходит для масок), нишевые
высокая пористость) высокие внутренние напряжения, плохая конформность.
применения
резистивное),
подложка – любая
Реактивное
Низкая (~7,5 Хорошая (близка к Преимущества: низкая температура, хорошая адгезия, Специальны
распыление,
нм/мин), 25- плавленому кварцу стехиометрия (при распылении мишени SiO2).
е покрытия,
подложка – любая 300 °C
при оптим. условиях)
оптика
Недостатки: очень низкая скорость, риск дефектов
("островки"), сложность масштабирования, накопление
заряда в пленке.

11. Методы получения ДП Al2O3 и Si3N4

Оксид алюминия (Al2O3) применяется в МАОП-транзисторах благодаря
управляемому заряду и ε ~8-10.
Основные методы получения:
- Термическое испарение (ЭЛИ).
- Ионно-плазменное распыление.
- Электролитическое анодное окисление.
- MOCVD и CVD.
Нитрид кремния (Si3N4) ключевой материал для пассивации и масок, также
обладает химстойкостью, барьерными и маскирующими свойствами (LOCOS),
применяются в МНО структурах.
Основные методы:
- Прямое взаимодействие (ограничено).
- LPCVD.
- PECVD.

12. Табл. 4 Сравнительный анализ методов получения ДП Al2O3 и Si3N4

Метод
Скорость роста,
температура (°C)
Термическое
Средняя, 50–600
испарение Al2O3
°C
Качество пленки
Преимущества и недостатки
Применени
е
Преимущества: хорошая чистота (из сапфира), контроль состава при доп.
Высокое (чистота),
Спец.
хорошие эл. свойства окислении.
применения
(ε~8,5-9, низкий tgδ)
, оптика,
Недостатки: риск диссоциации, сложность контроля стехиометрии,
емкости
высокая стоимость, плохая конформность.
Низкая, 25–300 °C Хорошая (при распылении Преимущества: низкая температура, хорошая адгезия и конформность, Защитные
Реактивное
распыление Al2O3
Al2O3 мишени), возможна стехиометрия (из мишени Al2O3.
покрытия,
стехиометрия
оптика
(мишень Al2O3, Al)
Недостатки: очень низкая скорость, риск дефектов ("островки"), высокие
внутренние напряжения
MOCVD Al2O3
Средняя (~15 Очень высокое (плотность, Преимущества: высокое качество, хороший контроль состава и толщины, High-k
нм/мин), 300–900 чистота), отличные эл. хорошая конформность.
затвор,
(органо-Al)
°C
свойства
барьерные
Недостатки: высокая температура для оптимального качества, дорогие и
слои
чувствительные прекурсоры, взрывоопасность
Высокое
Преимущества: низкая температура, хорошие качество конформность.
CVD Al2O3
Средняя, 180–400
Затворный
(AlCl3/O2/NO)
°C
диэлектрик
Недостатки: коррозионные (токсичные) газы (AlCl3, HCl, NO), сложный
(низкие T),
контроль газовых соотношений, остаточные примеси Cl.
барьеры
LPCVD
Высокая, 750–850 Исключительно высокое Преимущества: превосходные барьерные и маскирующие свойства,
(SiH2Cl2/NH3)
С°
(плотность, стехиометрия), высокая плотность, химическая стойкость.
отличные барьерные
Недостатки: очень высокая температура, непригодность после
свойства, высокая Ep >10⁷
металлизации, высокое напряжение сжатия в пленке.
В/см
PECVD Si3N4 Средняя, 200–400 Средняя (SiNxHy, H=10-35 Преимущества: низкая температура, отличная конформность, хорошие Пассивация
(SiH4/NH3)
С°
пассивирующие свойства.
ат. %), пониженные
(финальная)
, защита
барьерные свойства и
Недостатки: содержание водорода (приводит к нестабильности), худшие
LPCVD
барьерные свойства, пониженная плотность и Ep

13. Алгоритм выбора технологии

1. Идентификация основной функции диэлектрической пленки.
2. Определение критических параметров (толщина, ε, Ep , Т стойкость,
конформность и т.д.).
3. Учет технологических ограничений (max Т, тип подложки, совместимость).
4. Анализ
экономических
и
производственных
оборудования, скорость процесса, безопасность и т.п.).
факторов
(доступность

14.

Табл.5 Рекомендации по выбору методов получения для ключевых функций ДП
Приоритетные методы
Функция Критические требования
пленки
Подзатворный - качество интерфейса (D <1010 см⁻2·эВ⁻1); 1. ALD (Al2O3)
диэлектрик - высокая ε (k> 20);
2. Термическое окисление
- толщина 1–3 нм;
(SiO2)
- Ep> 5 МВ/см
Межслойная - низкая ε (k <3,5); - конформность> 90%; 1. PECVD органические
изоляция (ILD - механическая прочность;
low-k
- термостабильность (> 450°C)
2. HDP-CVD SiO2
3. LPCVD TEOS
Пассивация - Барьер для H2O/Na⁺;
1. PECVD SiNxHy
(финальный - Низкая температура процесса (<400°C); 2. PECVD Al2O3
слой)
- Покрытие металла;
3. Распыление Al2O3
- Механическая защита
Диффузионная - Селективность травления> 10:1;
1. LPCVD Si3N4
маска
- Термостабиль-ность (> 900°C);
2. Термическое SiO2
- Низкая плотность дефектов
Емкостные - Высокая ε (k> 25);
1. ALD Ta2O5/HfO2
структуры - Низкий tgδ (<0,01);
2. MOCVD BST
- Линейность C(V)
3. Распыление TiO2
Оптические - Контроль показателей преломления n/k; 1. Реактивное распыление
покрытия - Низкое поглощение;
2. Ионно-лучевое
- Адгезия к стеклу
осаждение
3. ALD
Альтернативы Примеры параметров
MOCVD (Al₂O₃) Эффективная толщина
оксида (EOT) ≈ 0.8 нм,
стабильность напряжения
плоского участка (Vfb)
Золь-гель,
k ≈ 2,7, модуль Юнга >8
пористые low-k ГПа
ALD барьерные Пропускание H2O <10-3
слои
г/м2/день
PECVD SiN Толщина ~100 нм,
(ограничено) селективность 15:1
CVD высоко-k k ≈ 40, tgδ = 0.005 при
частоте 1 МГц
PECVD
Δn <0.5%, поглощение <
0,1% при длине волны 550
нм

15. Перспективы развития методов получения ДП

Будущее технологий диэлектрических пленок определяется ответом
на три ключевых вызова микроэлектроники:
1. Миниатюризация
2. Внедрение новых материалов
3. Экологичность
Также можно выделить три стратегических направления развития:
1. Атомарная точность
2. «Умные» диэлектрики
3. Экологичная оптимизация массовых технологий

16.

Табл. 6 Инновации в технологиях получения пленок
Технология
PECVD
Улучшения
Замена SiH4 на жидкие прекурсоры
Эффект
Снижение токсичности на 90%
(диизопропилсилан)
PECVD
Импульсная плазма и ICP
SiNx:H с содержанием водорода <5
ат.%
Распыление
Управляемая ионная бомбардировка
Al2O3 с плотностью 3,8 г/см3 при
150°C
Все методы
Замкнутый цикл рециклинга
Повторное использование >95%
прекурсоров

17. Заключение

Ключевые результаты:
1. Систематизированы методы получения ДП (SiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄) и их
классификация.
2. Установлена зависимость свойств ДП от технологии и параметров
нанесения.
3. Проведен детальный сравнительный анализ преимуществ и недостатков
технологий, выявлены лидеры для ключевых функций:
4. Разработан алгоритм выбора оптимального метода
конкретные рекомендации для различных функций ДП.
и составлены
5. Определены перспективные направления: Атомарная точность (ALD),
«Умные» диэлектрики (гибриды, композиты), экологичная оптимизация
массовых технологий.

18. Благодарю за внимание