Современные технологии напыления тонких плёнок

Т.П. : Перспективными сейчас являются low-k и high-k диэлектрики. Low-k диэлектрики - с диэл. проницаемостью <2. Они нужны сейчас для межслойной изоляции в интегральных схемах. Сейчас это пока большая проблема, так как кремниевая технология в микроэлектронике является основной и будет ей оставаться, наверное, в ближайшие 10 лет. Поэтому, технологи стремятся увеличить интеграцию микросхем. Это делается с помощью low-k диэлектриков: пористый SiO (пористость - 70-80%) и легированные фтором и углеродом SiO. Мы занимаемся получением этих диэлектриков из кремний-органики (окислением силазанов и из органилсилсесквиоксанов). С использованием их надеются увеличить степень интеграции микросхем на Si. Но развитие микроэлектроники будущего связано с high-k диэлектриками, т.е. диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (до 2000). High-k диэлектрики войдут в технологию только лет через 10. Изготовление интегральных схем на таких материалах позволит увеличить плотность памяти в 1000 раз! В Корее получили большую плотность памяти (~4Gbite) с использованием high-k диэлектрика. High-k диэлектрики - это окислы (Ta2O5 и др.) или сложные оксидные соединения: BaTiO3, SrTiO3, Ba(Sr)II O3. Получают диэлектрические плёнки разными методами. Есть физические методы: распыляется мишень, представляющая собой смесь оксидов или сложное оксидное соединение. Но с помощью физических методов не удалось получить хороших результатов. Большинство исследователей ориентируется на процессы газофазного химического осаждения (ГФХО, CVD-процессы). BaTiO3 позволяет получать диэлектрическую проницаемость до 2000! SrTiО3 - до 500. Недостатком BaTiO3 является то, что этот материал имеет высокий k в очень узком интервале температур. Поэтому делаются попытки получить тройное соединение Ba(Sr)TiO3, значение k которого слабо зависит от температуры. High-k диэлектрики мы получаем из бета ди кетонсилов. Ранее мы занимались термически активируемыми CVD-процессами. Сейчас, лет уже 10 мы занимаемся плазмо-активируемыми процессами. Это связано с тем, что сейчас вся технология ориентируется на низкотемпературные процессы. Это связано с необходимостью улучшения качества структур. В низкотемпературных процессах исключается диффузия. Поэтому плазмо-химические процессы являются в этом плане наиболее перспективными. Известно много физических низкотемпературных процессов: термическое: магнетронное, ионное, электронное и др. распыление.

Т.П.: Тем, что здесь материал строится на атомно-молекулярном уровне. Химики могут управлять на атомном уровне составом материала, его свойствами, дефектной структурой. Т.е. большая возможность получить совершенные материалы, чем при просто физическом распылении, в процессе которого материал летит кластерами. Мы используем плазму He и др. газов, например H2, N2, N2О. Используем их как предварительно активируемые в плазме компоненты, которые потом активируют уже нашу сложную молекулу - это т.н. процессы с удалённой плазмой. Почему нам это нужно? Потому, что мы используем сложные (как было уже отмечено) молекулы, где уже есть все нужные нам связи. И наша задача - удалить фрагменты молекулы, которые не используются (а часто вредны) при конструировании материала, ни в коем случае не разрушить необходимые связи. Здесь важна именно плазма гелия, т.к. именно в плазме He образуются долгоживущие частицы с высокой энергией (~20 эВ). Эти частицы, взаимодействуя со сложной молекулой вещества-источника, передают запасённую энергию и активируют это вещество. Отсутствие информации о механизме взаимодействия возбуждённых газов (в т.ч. He) существенно затрудняет формирование наших представлений о механизме процесса роста плёнок в плазмохимических процессах. В литературе эти вопросы представлены крайне скудно. Поэтому, ваши исследования важны, т.к. знание состава плазмы позволяет установить механизм процесса, что очень важно, т.к. позволяет сделать этот процесс управляемым.

В.А.: В получаемых плёнках может быть много оборванных связей. Методов характеризации плёнок не много. Особенно структурных методов. О степени совершенства таких плёнок может дать информацию метод ЭПР. Конечно совершенные плёнки не должны иметь дефектов типа оборванных связей - это как правило типичные дефекты в плёнках, поскольку там происходит деструкция основного исходного компонента и, соответственно, часть связей обрывается. И, главное, процесс неравновесный. Иногда такие дефекты являются рабочими. Например, в нитриде Si оборванная связь на Si - ловушка электронов. Т.е. память этого материала основана на этом дефекте. Вполне возможно, что те дефекты, которые мы будем обнаруживать, будут играть положительную роль. Контроль за ними - есть очень важная информация. В течении 10 лет никто не знал на каких дефектах идёт игра. И только недавно благодаря методу ЭПР удалось расшифровать. В.А. - первый, кто это установил. Потом мало проводилось таких работ.

В.А.: Кроме просто структурных данных метод ЭПР позволяет исследовать и процессы перезарядки, т.е. всё это смотреть в динамике. Оптически накачивается система. Соответственно, смотрится в ЭПР перезарядка вот этих дефектов, которые мы изучаем. Это и послужило основой идентификации тех дефектов, которые отвечают за эффекты памяти. Необходимо также выделить из множества дефектов, которые отвечают за эффекты памяти. Здесь очень комплексная работа: ЭПР, оптические измерения и др. ЭПР позволяет сочетать все эти физические методы: и ЭПР, и оптику. В процессе измерения спектров ЭПР можно смотреть влияние фотовозбуждения. Можно и др.: возбуждения рентгеновского диапазона и т.д. Метод ЭПР - стационарный. Но, не смотря на это, есть много приёмов, которые позволяют исследовать и короткоживущие продукты. Приёмы: спиновых ловушек, т.е. соединений с двойными связями, которые эффективно захватывают короткоживущие радикальные состояния и стабилизируют их. И уже образующийся вновь радикал стабилен. И мы получаем информацию о тех продуктах, которые были между исходными и конечными. Т.е. это - очень хороший приём. Он широко используется во всём мире для изучений химических реакций, а также реакций разложения, т.е. то, что вы наносите плазмохимическим способом. Метод ЭПР долгое время как метод исследования плёнок оценивался скептически. Потому что, с одной стороны, небольшое количество материала получается в плёнке. И это - на гране чувствительности метода. Но современные приёмы (накопления спектров) позволяют улучшить соотношение сигнал/шум и существенно увеличить чувствительность метода. Недавно была также решена задача о извлечении информации из частично упорядоченных структур. Т.к. молекулы на поверхность садятся частично ориентированным образом, но как они садятся, до сих пор не удавалось оценить. В последние годы (4-5 назад) появились работы Японцев, в которых они методом многократного сканирования, накоплением спектров увидели анизотропию спектров ЭПР, но извлечь информацию они не могли. Они установили, что получаются анизотропные плёнки, а как устроена структура плёнок не известно. У нас в лаборатории решена эта проблема. Эта информация настолько важна, что теперь наши доклады принимают в качестве устных на все международные конференции. Т.е. мы можем получать информацию о том, как молекулы расположены относительно друг друга и относительно подложки. Метод ЭПР позволяет получать информацию о динамике роста плёнки. Оказывается, что: плёнки садятся таким образом, что первые 10 слоёв - по образу первого слоя. Последующие слои уже забывают первичное расположение и садятся по-своему. Это важно учитывать при напылении плёнок с заданными физическими свойствами.