СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИЛЬНЫХ ПЛЕНОК Российский патент 1995 года по МПК C23C14/35 

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано для изготовления ИС, содержащих ВТСП-керамику как в качестве разводки, так и в качестве самостоятельных элементов электронных схем.

Известен способ получения эпитаксиальных ВТСП-пленок (YBaCuO) путем магнетронного высокочастотного распыления без электрического смешения на подложке при температуре подложки 740^оС (см. O.Eibb, K.Hradil and H.Schmidt. Interface analysis of epitaxial YBa₂Cu₃O_7-x thin films deposited on sapphire (Al₂O₃) with YSZ buffer layers. Physica C, 1991, 177, pp. 80-94). Здесь же описано получение эпитаксиальных пленок ZrO₂, стабилизированного иттрием, (YSZ) тем же способом при температуре подложки 780^оС.

Эпитаксиальные пленки YSZ получены также методом электронно-лучевого испарения при температуре подложки 800^оС (см. H.Myoren et al. Epitaxial and As-Grown Preparation of Ba₂YCu₃O_7-x Prox. SPIE, 1989, v. 1187, pp. 47-56).

Существует метод получения ВТСП-пленок (YBa₂Cu₃O_7-x путем "facing-targets" распыления (встречные магнетроны) при температуре подложки 550^оС (см. Е. А. Антонова и др. Сверхпроводящие ориентированные пленки YBa₂Cu₃O_7-x, полученные методом "facing-targets". Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1991, т.4. N 8, с. 1624-1626).

Для всех описанных способов получения эпитаксиальных пленок существенным недостатком является высокая температура подложки при напылении.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности признаков является способ получения эпитаксиальных ВТСП-пленок (YBa₂Cu₃O_7-x) путем магнетронного высокочастотного распыления материала мишени на подложку в среде Ar и О₂ в соотношении 9:1 при давлении 0,1 0,3 мм рт.ст. При этом на подложку подается постоянное электрическое смешение от 0 до 100 В (см. A.Nakagawa et al. Substrate Bias and Pressure Effect on Formation of YBaCuO Thin Films in RF Magnetron Sputtering System. Jap. J. of Appl. Phys. 1991, v. 30, 16А, pp. L993-L995).

Недостатком указанного способа является то, что при таких технологических параметрах процесса температура подложки достигает 600-660^оС. Это резко сокращает область применения полученных ВТСП-пленок, так как такие высокие температуры не совместимы с финишными процессами формирования элементов ИС. Например, структуры на основе AsGa не могут обрабатываться при температурах выше 300^оС, так как в результате диффузии As из легированного слоя изменяются параметры полупроводниковых переходов. Следовательно, эпитаксиальный рост ВТСП-пленок при данной технологии на AsG не приемлем.

Изобретение направлено на получение эпитаксиальных пленок при низких (менее 200^оС) температурах подложки.

Цель достигается тем, что по способу получения эпитаксиальных пленок металлов, диэлектриков и ВТСП-керамики путем магнетронного или ионно-плазменного высокочастотного распыления материала мишени на подложку подают высокочастотное смешение с той же частотой, что и на мишени с амплитудой смешения 10-150 В, и со сдвигом фаз между мишенью и подложкой 0-180^о.

В обычном способе получения эпитаксиальных пленок за счет нагрева подложки обеспечивается высокая подвижность адатомов. Мигрируя по подложке, адатомы находят энергетически выгодные места, и, таким образом, достигается эпитаксиальный рост пленки.

В предлагаемом способе высокая подвижность адатомов обеспечивается ВЧ-полем подложки и, кроме того, это поле (а именно разность фаз между полем мишени и подложки) обеспечивает сепарацию падающих на подложку атомов по энергиям. За счет этого на поверхности остаются только адатомы, занявшие наиболее энергетически выгодные для эпитаксиального роста места. Одновременно адатомы, занявшие невыгодные позиции, реиспаряются под влиянием ВЧ-поля и бомбардировки ионами рабочего газа. Таким образом, указанный механизм позволяет существенно снизить температуру эпитаксии.

Однако при использовании ВЧ-смешения мощностью, превышающей некоторую критическую, эпитаксиального роста уже не происходит из-за частичного или полного реиспарения растущей пленки. Для различных структур пленка-подложка эпитаксиальный рост происходит при различных амплитуде и фазе ВЧ-смешения на подложке.

Способ осуществляется на установках магнетронного и ионно-плазменного напыления, представленных схематично на фиг. 1 и 2 соответственно.

Установка магнетронного напыления включает (фиг.1) вакуумную камеру 1 с размещенными в ней ВЧ-магнетроном 2 и вращающимся подложкодержателем 3. На подложкодержателе 3 расположены подложки 4.

Установка ионно-плазменного напыления включает (фиг.2) вакуумную камеру 1, в которой размещены мишенедержатели 5, вращающийся подложкодержатель 3 с установленными на нем подложками 4, катодный узел 6, анод 7 и соленоид 8.

П р и м е р 1. Напыление эпиитаксиальных пленок YBaCuO осуществляют на установке магнетронного напыления SCR 650, схематично представленной на фиг. 1.

Кремниевую подложку 4 с ориентацией (100) диаметром 76 мм помещают на подложкодержатель 3. В качестве подслоя используют пленку YSZ. Мишень диаметром 100 мм, изготовленную из оксидов CuO, BaO и Y₂O₃ со стехиометрией Y:Ba: Cu 1:2:4, располагают в магнетроне 2. Камеру вакуумируют до остаточного давления 10^-6 мм рт.ст. и напускают в нее смесь аргона и кислорода в соотношении 5:7 до давления 10^-2 мм рт.ст. На магнетрон подают ВЧ-напряжение мощностью 300 Вт, а на подложку ВЧ-смешение мощностью 90 Вт со сдвигом фаз между мишенью и подложкой 150^о. Частоту ВЧ-напряжения на подложке и на мишени поддерживают равной 13,55 МГц. Амплитуда смешения на подложке составляет 70 В. При этом температуру подложки поддерживают равной 160^оС за счет охлаждения подложкодержателя водой.

П р и м е р 2. Напыление эпитаксиальных пленок YBaCuO осуществляют на установке ионно-плазменного напыления, представленной схематично на фиг.2.

Кремниевую подложку 4 с ориентацией (100), диаметром 76 мм с нанесенным подслоем YSZ помещают на подложкодержатель 3. Мишень диаметром 160 мм, изготовленную из оксидов CuO, BaO и Y₂O₃ со стехиометрией Y:Ba:Cu2:3, помещают на мишенедержатель 5. Камеру вакуумируют до остаточного давления 10^-6 мм рт. ст. и напускают в нее смесь аргона и кислорода в соотношении 7:2 до давления 10^-3 мм рт. ст. Затем между катодом 6 и анодом 7 создают независимый плазменный разряд с током 6 А и напряжением 150 В. Плазменный разряд сжимают соленоидом 8, по которому пропускают ток 100 А. На мишень подают ВЧ-напряжение мощностью 500 Вт, а на подложку мощностью 25 Вт со сдвигом фаз между мишенью и подложкой 150^о с частотой 13,56 МГц. Амплитуда смешения на подложке составляет 40 В. При этом температуру подложки поддерживают равной 150^оС за счет охлаждения подложкодержателя водой.

В случае получения эпитаксиальных пленок другого химического состава к подложке прикладывается ВЧ-смешение другой мощности и с другим сдвигом фазы относительно мишени.

Качество пленок Y-Ba-Cu-O определялось на дифрактометре ДРОН-3М и электронном просвечивающем микроскопе ПРЭМ-200. Данные исследований представлены на фиг. 3 и 4. На фиг. 3 изображена дифрактограмма YBaCuO-пленки, полученной в описанном выше эксперименте. На фиг. 4 изображена электронограмма YBaCuO-пленки, полученной в описанном выше эксперименте.

Как следует из дифрактограммы (фиг.3), рентгеновское отражение в пленках, полученных в примерах 1 и 2, происходит от одной плоскости, что означает, что пленки монокристаллические. Из электронограммы (см.фиг.4) также следует, что пленки монокристаллические, так как характерные для поликристалла кольца отсутствуют. За пределами заявляемых интервалов параметров наблюдается поликристаллический рост пленок, либо частичное или полное реиспарение пленок и значительное повышение температуры эпитаксиального роста.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет понизить температуру эпитаксиального роста пленок до значений, не превышающих 200^оС.

Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано для изготовления интегральных схем. Сущность изобретения: по способу получения эпитаксиальных пленок металлов, диэлектриков и ВТСП-керамики путем магнетронного или ионно-плазменного высокочастотного распыления материала мишени при электрическом смешении на подложке на подложку подают высокочастотное смешение с той же частотой, что и на мишени с амплитудой смешения 10 150 В со сдвигом между мишенью и подложкой О -180°С. 4 ил.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИЛЬНЫХ ПЛЕНОК, диэлектриков и ВТСП-керамики путем магнетронного или ионно-плазменного высокочастотного распыления материала мишени при электрическом смешении на подложке, отличающийся тем, что на подложку подают высокочастотное напряжение с амплитудой 10-150 В с той же частотой, что и напряжение на мишени, и сдвигом фаз напряжений на мишени и подложке 0-180^o.