СПОСОБ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПЛЕНОК ТУГОПЛАВКИХ ОКСИДОВ Российский патент 1995 года по МПК H01L21/324 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано в технологии изготовления изоляционных, буферных и ориентирующих слоев на кремнии, сапфире, алюминии и других материалах.

В современной технологии широко применяются процессы рекристаллизации пленок тугоплавких оксидов для получения слоев с заданными характеристиками (фазовым составом, текстурой, морфологией и др.).

Известен способ рекристаллизации пленки оксида циркония, стабилизированного иттрием, с помощью термического отжига [1] Пленки, осажденные на подложку, нагревались со скоростью 30^оС/мин до требуемой температуры (800, 850 и 1100^оС) в кислородсодержащей среде. Затем в течение 1 ч проходил отжиг пленок при данной температуре, после чего подложки с пленкой охлаждали со скоростью 2^оС/мин до комнатной температуры. Исходная пленка состояла из тетрагональной фазы. После термического отжига при 1100^оС размер кристаллитов увеличился от 7-20 до 20-50 нм. Существенными недостатками этого метода являются высокая температура и большое время термической обработки.

Известен способ рекристаллизации пленок тугоплавких оксидов, включающий термическое воздействие на подложку с пленкой в кислородсодержащей среде и охлаждение подложки с пленкой после завершения процесса рекристаллизации [2] Недостатком способа является необходимость длительного нагрева подложки.

Техническим результатом изобретения является снижение температуры и времени термического воздействия.

Технический результат изобретения достигается тем, что пленки тугоплавкого оксида на подложке подвергаются термическому воздействию в кислородсодержащей среде, причем в качестве термического воздействия используют поток низкотемпературной плазмы атмосферного давления. Мощность Р, вводимую в плазму, и расход газа G выбирают из следующего соотношения:
n˙P/G>10⁷Дж/кг где n КПД генератора плазмы, а длительность нахождения обрабатываемого участка подложки с пленкой в зоне потока плазмы выбирают не превышающим τ_макс,определяемого в соответствии с формулой
τ_макс= Т_мин˙С/<q>, где Т_мин минимальная температура, при которой происходит разрушение материала подложки или пленки [K]
С приведенная теплоемкость подложки с пленкой [Дж/К˙ м²]
< q> средняя плотность теплового потока на границе "плазма+подложка" [Дж/c ˙ м²]
Сущность изобретения заключается в том, что пленка тугоплавкого оксида подвергается воздействию потока низкотемпературной плазмы атмосферного давления. Это воздействие носит как термический (тепловой поток высокой плотности), так и нетермический характер (воздействие излучения плазмы и возбужденных частиц). Значение потенциальной энергии возбужденных частиц близко к значению энергии активации процесса рекристаллизации. Поэтому при взаимодействии с поверхностью возбужденных частиц, когда происходит передача энергии возбуждения, начнется процесс рекристаллизации при небольших температурах нагрева пленки тугоплавкого оксида.

Соотношение между мощностью, вводимой в плазму, и расходом газа (n P/G > 10⁷ Дж/кг) определяет условие возникновения плазмы в потоке газа при атмосферном давлении, а также условия, при которых возбужденные частицы формируются в плазме и достигают поверхности пленки тугоплавкого оксида.

Максимальная длительность нахождения обрабатываемого участка подложки с пленкой в зоне потока плазмы ограничивается условием сохранения подложки и пленки. Минимальная длительность практически равна нулю, поскольку она определяется временем начала рекристаллизации, которое при нетермическом воздействии мало.

Изобретение обеспечивает высокопроизводительную низкотемпературную рекристаллизацию пленок тугоплавких оксидов, расширяет диапазон применения тугоплавких оксидов за счет использования подложек с низкой температурой плавления или подложек, в которых уже сформированы структуры интегральных приборов. Например, можно создавать измерительные устройства на основе оксидных пленок, сверхпроводниковые приборы с буферными слоями из тугоплавких оксидов, защитные покрытия для интегральных микросхем.

П р и м е р 1. Пленку оксида циркония толщиной 150 нм (либо оксида циркония, стабилизированного иттрием), нанесенную электронно-лучевым испарением в вакууме на кремниевую подложку толщиной 300 мкм, обрабатывали потоком низкотемпературной плазмы атмосферного давления в течение 0,05-0,1 с.

Структурные исследования показали, что пленка оксида циркония состояла из кубической фазы с постоянной решетки а 5,1 ±0,1 А и имела поликристаллическую структуру. Размер кристаллитов увеличился 20-50 нм.

П р и м е р 2. Режимы обработки и нанесения пленки оксида циркония аналогичны примеру 1 за исключением того, что в качестве подложки использовалась пластина сапфира. Размер кристаллитов увеличился 10-60 нм.

П р и м е р 3. Режимы обработки пленки тугоплавкого оксида аналогичны примеру 1 за исключением того, что обрабатывалась пленка оксида магния толщиной 300 нм, нанесенная электронно-лучевым испарением в вакууме на кремниевую подложку.

Структурные исследования показали, что пленка оксида магния состояла из кубической фазы с постоянной решетки а 4,2 ±0,1 А и имела поликристаллическую структуру. Размер кристаллитов увеличился 5 30 нм.

П р и м е р 4. Режимы обработки и нанесения пленки тугоплавкого оксида аналогичны примеру 1 за исключением того, что обрабатывалась пленка титаната стронция толщиной 200 нм, нанесенная электронно-лучевым испарением в вакууме на кремниевую подложку толщиной 300 мкм. Размер кристаллитов увеличился 15-40 нм.

Способ рекристаллизации пленок тугоплавких оксидов на подложке может быть реализован на промышленной установке ДПО с кинематической производительностью более 100 пластин в 1 ч. Возможна обработка пластин диаметром 100 мм и более.

Использование: в технологии изготовления изоляционных, буферных и ориентирующих слоев на кремнии, сапфире, алюминии и др. Сущность изобретения: способ включает воздействие на подложку с пленкой потоком низкотемпературной плазмы атмосферного давления, причем мощность, расход газа и длительность нахождения подложки с пленкой в зоне потока выбирают исходя из заданных соотношений.

СПОСОБ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПЛЕНОК ТУГОПЛАВКИХ ОКСИДОВ, включающий термическое воздействие на подложку с пленкой в кислородсодержащей среде и охлаждение подложки с пленкой после завершения процесса рекристаллизации, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени и температуры термического воздействия, термическое воздействие осуществляют потоком низкотемпературной плазмы атмосферного давления, причем мощность Р, вводимую в плазму, и расход G газа выбирают из соотношения

где η КПД генератора плазмы, а длительность нахождения обрабатываемого участка подложки с пленкой в зоне потока выбирают не превышающим t_max, определяемого в соответствии с формулой
τ_max=T_minC/<q>,c,
где T_min минимальная температура, при которой происходит разрушение материала подложки или материала пленки, К;
C теплоемкость подложки с пленкой, Дж/К · м²;
< q > средняя плотность теплового потока на границе плазма подложка, Дж/(м² · с).