СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ БУФЕРНЫХ СЛОЕВ Российский патент 1994 года по МПК H01L39/24 

Изобретение относится к технологии получения кристаллических буферных слоев диэлектрических материалов, в том числе в структурах на основе тонких пленок высокотемпературных сверхпроводящих материалов, и может быть использовано при производстве приборов и устройств полупроводниковой электроники, а также криоэлектроники.

Известен способ получения кристаллических буферных слоев, называемый лазерным импульсным отжигом, заключающийся в воздействии на аморфный слой полупроводникового материала потока импульсного лазерного излучения [1] . При этом происходит нагрев слоя на глубину поглощения излучения с последующим прогревом за время действия импульса тепловой волной до температуры выше точки фазового перехода материала в кристаллическое состояние. Способ используется с целью модификации структурных и электрических свойств аморфных слоев полупроводниковых материалов.

Недостатком указанного способа является невозможность его использования для модификации структурных свойств слоев в случае диэлектрических материалов, прозрачных для излучения. Кроме того, интенсивность лазерного излучения неоднородна по сечению пучка, что приводит к неоднородности зоны перекристаллизации как локально в пятне обработки, так и по всей площади пластины в результате последовательного сканирования по ней пятном обработки.

Наиболее близок к предлагаемому техническому решению способ (прототип) получения кристаллических буферных слоев, заключающийся в вакуумном осаждении на нагретую подложку диэлектрического слоя при температуре эпитаксиального роста пленки [2] . Данным способом получены эпитаксиальные пленки двуокиси циркония. Осаждение проводилось на подложку Si (100) при температуре подложки 800^оС из газовой фазы при давлении 6,7 х 10^-3 Па. Материал таблетки ZrO₂ (с добавками Y₂O₃) испарялся в электронно-лучевом испарителе. Эпитаксиальные пленки двуокиси циркония имели тетрагональную структуру с ориентацией (200), а пленки окиси циркония с добавкой оксида иттрия - кубическую структуру с ориентацией (200).

Недостатком указанного способа является необходимость поддержания высокой температуры подложки в процессе осаждения буферного слоя (800^оС и выше), что делает метод непригодным при изготовлении многослойных структур из-за снижения качества слоев в результате термического разрушения свойств нижележащих предварительно сформированных слоев, например, в случае структур на основе ВТСП-пленок (высокотемпературных сверхпроводящих пленок). Кроме того, к недостаткам указанного способа следует отнести низкую производительность, связанную с низкими скоростями роста эпитаксиальных слоев.

Целью изобретения является повышение качества слоев за счет снижения термических нарушений свойств нижележащих слоев при импульсном воздействии на аморфные слои, предварительно полученные высокопроизводительными методами вакуумного осаждения при низких температурах (не свыше 300^оС) потоками частиц с малой глубиной проникновения.

Цель достигается тем, что в способе получения кристаллических буферных слоев, заключающемся в вакуумном осаждении на нагретую подложку диэлектрического слоя, диэлектрический слой осаждают в виде аморфного материала при температуре подложки не свыше 300^оС, а затем осуществляют нагрев слоя до температуры, обеспечивающей фазовый переход диэлектрика в кристаллическое состояние, импульсным воздействием потоками плазмы или потоками квантов в спектральном диапазоне вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения с глубиной проникновения в вещество не свыше толщины h осажденного слоя, причем длительность импульса воздействия τ удовлетворяет условию:
τ≅h²/χ, где χ - коэффициент температуропроводности.

Кроме того, для повышения производительности процесса за счет использования источников комбинированного воздействия в способе получения кристаллических буферных слоев по п. 1 нагрев слоя до температуры, обеспечивающей фазовый переход диэлектрика в кристаллическое состояние, осуществляют совместным импульсным воздействием потоками плазмы и потоками квантов.

Кроме того, для того чтобы обеспечить эффективность достижения результата в случае буферных слоев на основе цирконатов, в способе получения кристаллических буферных слоев по п. 1, в качестве потоков квантов используют излучение спектрального диапазона 5-30 нм с плотностью мощности не менее 10⁴ Вт/см².

Кроме того, для того чтобы исключить "загрязнение" буферного слоя посторонними примесными элементами, в способе получения кристаллических буферных слоев по п. 1, в качестве потоков плазмы используют потоки ионов (плазмы) какого-либо из элементов, входящих в состав материала слоя.

Для того, чтобы исключить разогрев подложки, импульсный энергетический поток должен удовлетворять следующим требованиям:
1) носители энергии должны иметь малую проникающую способность применительно к обрабатываемому материалу, не превышающую толщину слоя (0,1-0,2 мкм);
2) длительность воздействия должна быть достаточно короткой, чтобы за время импульса волна теплопроводности и фронт проплавления не успели распространиться за пределы буферного слоя.

Кроме того, энергетическое воздействие не должно приводить к изменению химического состава слоя и его "загрязнению" другими (примесными) элементами.

Этим требованиям удовлетворяет электромагнитное воздействие в виде квантов вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) и мягкого рентгеновского излучения в диапазоне 20-200 эВ, либо ионы с энергией менее 0,1 кэВ, глубина проникновения которых в материал много меньше толщины слоя. При этом время воздействия не должно превышать 10^-7 с для слоев толщиной не выше 10^-5 см.

Энергия, необходимая для нагрева единицы площади буферного слоя до температуры порядка 1000 градусов, составляет
Q~ c × ρ × h × ΔT≃ 5 × 10^-3Дж/см² где с - удельная теплоемкость;
h - толщина слоя;
ρ - плотность.

Оценку длительности импульса можно провести с помощью уравнения теплопроводности
τ~ h²/χ ≃ 5×10^-7c, где χ - коэффициент температуропроводности.
Соответственно плотность потока на поверхности слоя
q ≥ 10⁴ Вт/см².

Реализация и испытания способа проведены с использованием импульсного источника мягкого рентгеновского излучения типа "микропинч" [3] . Длительность ВУФ излучения с максимумом спектрального распределения вблизи 300 А составляла 10^-7 с, полная энергия излучения 5 Дж/имп. стер. при частоте импульсов 5 имп/с. Образец аморфного слоя ZrO₂ (Y₂O₃) толщиной от 0,1 до 0,2 мкм, нанесенного на стандартную сапфировую или кремниевую подложку диаметром 76 мм, размещался в вакууме на расстоянии 100 мм от источника. Для полной модификации слоя в поликристаллическое состояние требовалось около 50 импульсов. Факт фазового перехода в поликристаллическое состояние из аморфного подтверждался результатами рентгенофазового анализа.

Для сравнения предложенного способа с прототипом были проведены контрольные опыты. На стандартные монокристаллические подложки арсенид-галлия наносился буферный слой ZrO₂. В соответствии с прототипом буферный слой наносился на подложку при температуре 800^оС. При этом произошло термическое разрушение подложки. При использовании же предложенного способа удалось изготовить буферные слои, поликристалличность которых была подвержена рентгенофазовым анализом. Таким образом, прототип в случае подложек арсенид-галлий не дает возможности получить буферные слои ZrO₂, а предложенный способ позволяет.

Кроме того, повышение качества слоев в результате применения предложенного способа было экспериментально подтверждено также тем, что указанные слои использовались для осаждения тонких пленок с элементным составом типа Y-Ba-Cu-O методом ПТ- и ВЧ-магнетотронного распыления керамической мишени стехиометрического состава при давлении Ar 0,67-4,0 Па. Температура подложки поддерживалась на уровне 250-300^оС. Толщина осажденных пленок составляла от 0,5 до 0,8 мкм. После осаждения пленки Y-Ba-Cu-О проходили термообработку при температуре 820-860^оС в атмосфере инертного газа (аргона) с заменой его на кислород на стадии охлаждения. Температура конца перехода пленок ВТСП в сверхпроводящее состояние с R = O (R - сопротивление постоянному электрическому току) на обработанных слоях ZrO₂ составляла величину 86-89 К в зависимости от типа используемой подложки, что выше на 2-5 градусов значений электрофизических показателей ВТСП-структур на аморфных пленках, не подвергавшихся облучению. Эти результаты также подтверждают повышение качества диэлектрических слоев после их обработки в потоке излучения пинч-разряда.

Предложенное техническое решение позволит разработать и изготовить новый класс приборов и устройств полупроводниковой электроники и криоэлектроники за счет исключения из технологии высокотемпературного процесса нагрева многослойных структур, приводящего к термическому разрушению свойств нижележащих предварительно сформированных слоев, что особенно важно, например, в случае структур на основе ВТСП-пленок. Кроме того, осаждение диэлектрического слоя можно производить с использованием высокопроизводительных методов напыления, например, метода магнетронного распыления мишени стехиометрического состава, что повышает производительность процесса по сравнению с эпитаксиальными методами, которые характеризуются более низкими скоростями роста слоев. (56) Баландин В. Ю. , Двуреченский А. В. , Александров Л. Н. Тезисы докладов I-й Всесоюзной конференции "Физические и физико-химические основы микроэлектроники", 1987, Вильнюс, с. 488-490.

2. H. Myoren, Y. Nishiyama et al. As-Grown Preparation of Superconducting Epitaxial Ba₂YCu₃O x Thin Films Sputtered on Epitaxially Grown ZrO₂/Si (100). - Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 28, No 3, March, 1989, pp. 351-355.

Авторское свидетельство СССР N 1115625, кл. H 01 J 35/08, 1984.

Использование: при производстве приборов и устройств полупроводниковой электроники, а также криоэлектроники. Диэлектрический слой осаждают в виде аморфного материала при температуре подложки не свыше 300C, а затем осуществляют нагрев слоя до температуры, обеспечивающей фазовый переход диэлектрика в кристаллическое состояние, импульсным воздействием потоками плазмы или потоками квантов в спектральном диапазоне вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения с глубиной проникновения в вещество не свыше толщины h осажденного слоя, причем длительность импульса воздействия τ удовлетворяет условию: τ≅h²/κ , где k - коэффициент температуропроводности. Переход диэлектрика в кристаллическое состояние осуществляют совместным импульсным воздействием потоками плазмы и потоками квантов. Для того, чтобы обеспечить эффективность достижения результата в случае буферных слоев на основе цирконатов, в качестве потоков квантов используют излучение спектрального диапазона 5 - 30 нм с плотностью мощности не менее 10⁴ Вт/см² . 3 з. п. ф-лы.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ БУФЕРНЫХ СЛОЕВ, заключающийся в вакуумном осаждении на нагретую подложку диэлектрического слоя, отличающийся тем, что, с целью повышения качества слоев, диэлектрический слой осаждают в виде аморфного материала при температуре подложки не свыше 300^oС, а затем осуществляют нагрев слоя до температуры, обеспечивающей фазовый переход диэлектрика в кристаллическое состояние, импульсным воздействием потоками плазмы или потоками квантов в спектральном диапазоне вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения с глубиной проникновения в вещество не свыше толщины h осажденного слоя, причем длительность импульса воздействия τ удовлетворяет условию
τ ≅ (h²)χ ,
где χ - коэффициент температуропроводности. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев слоя до температуры, обеспечивающей фазовый переход диэлектрика в кристаллическое состояние, осуществляют совместным импульсным воздействием потоками плазмы и потоками квантов. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае буферных слоев на основе цирконатов в качестве потоков квантов используют излучение спектрального диапазона 5 - 30 нм с плотностью мощности не менее 10⁴ Вт/см². 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве потоков плазмы используют потоки ионов (плазмы) какого-либо из элементов, входящих в состав материала слоя.