СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ПРОВОДЯЩЕЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 2003 года по МПК H01L21/263 

Изобретение относится к технологии создания сложных проводящих структур или структур с иными свойствами с помощью потока ускоренных частиц и может быть использовано в микроэлектронике для создания сверхминиатюрных приборов, интегральных схем, запоминающих устройств и оптических элементов.

Известен способ создания элементов проводящей структуры на диэлектрических слоях (см. описание к заявке ФРГ 19503178, Н 01 L 21/60, 1997). Способ включает разрушение оксидного слоя на поверхности алюминия и осаждение упрочняющего материала. Для этого упрочняющий материал, находящийся на подложке, переносится с помощью мощного излучения на поверхность алюминия, причем перед этим оксидный слой разрушается под действием мощного излучения и возбужденных частиц упрочняющего материала. При помощи отклоняющего устройства для луча на обрабатываемой поверхности создается слоистая металлизированная структура с требуемой геометрией рисунка. Недостатком известного способа является невозможность получения структуры с размерами отдельных элементов в несколько нанометров. Кроме того, использование способа ограничено, поскольку он применим только для алюминиевых подложек.

Известен способ формирования рисунка с применением электронного пучка (см. описание к заявке Японии 6038411, Н 01 L 21/302, 1994). Способ заключается в том, что в реакционной камере размещают систему для фокусировки электронного пучка, создают атмосферу из возбужденных реакционно-способных частиц и размещают на держателе обрабатываемую пластину. С помощью электронного пучка, несущего информацию, связанную с определенным рисунком, облучают пластину и в результате изменения ее вещества под воздействием электронного пучка и реакционно-способных частиц на пластине формируется определенный рисунок. Недостатком известного способа является сложность его осуществления, заключающаяся в формировании в камере атмосферы реакционно-способных частиц с одинаковой реакционной способностью, чтобы обеспечить воспроизводимость процесса на всех участках рисунка, что требует сложной аппаратуры контроля. Кроме того, известный способ не позволяет обеспечить получение элементов изображения, составляющих рисунок, с размерами в несколько нанометров.

Известен способ получения проводящего рисунка из металлических соединений путем прямого преобразования обрабатываемого материала под воздействием модулированного пучка излучения (см. описание к патенту США 5459098, Н 01 L 21/306, НКИ 437-173, 1995). Способ включает осаждение на подложку изоляционного слоя из нитрида металла и сканирование по ней модулированным лазерным лучом. Под воздействием лазерного излучения пленка нитрида металла разлагается на металлическую составляющую и газообразную. В процессе реализации способа газ удаляется, а на диэлектрической подложке остается металл, образующий проводящий рисунок. Недостатком известного способа является малая разрешающая способность создаваемого рисунка (проводящей структуры), не позволяющая получать отдельные элементы структуры размером в несколько нанометров.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является способ получения проводящей структуры, известный из описания к RU 2129320, Н 01 L 21/263, 20.04.99 (см. патент-аналог US 6218278, НКИ 438/597, 2001). Способ формирования проводящей структуры включает нанесение на подложку слоя материала, преобразуемого в проводящий воздействием излучения, и его обработку модулированным лучом от источника заряженных частиц. Под воздействием ускоренных частиц в обрабатываемом материале происходит селективное удаление атомов неметаллов, что и приводит к преобразованию в обработанном участке диэлектрика в металл. Способ позволяет формировать на подложке слой за слоем и таким образом получать объемные проводящие структуры, отдельные слои которой при необходимости могут быть разделены диэлектрическими слоями. В этом случае роль подложки будет выполнять предыдущий слой с выполненной в нем (или на нем) структурой (рисунком).

Недостатком известного способа является то, что при изготовлении объемной (многослойной) структуры для формирования через шаблон рисунка в каждом из последующих слоев необходимо применять отдельные шаблоны по числу слоев. Учитывая малые размеры элементов структуры, проблема установки шаблонов строго в одно и то же место (совмещение шаблонов) вызывает определенные сложности. Механизм установки шаблонов должен обеспечивать их позиционирование с точностью до нескольких нанометров.

Заявляемое изобретение направлено на упрощение технологии за счет использования одного и того же шаблона для формирования всей многоуровневой объемной структуры.

Указанный результат достигается тем, что способ получения объемной проводящей многоуровневой структуры осуществляется путем облучения заготовки из двух- или многоатомных диэлектриков потоком ускоренных частиц, обеспечивающих селективное удаление в материале заготовки атомов неметаллов, через один шаблон, в котором выполнен рисунок в виде сквозных и/или несквозных отверстий различной глубины, и последующую обработку заготовки через этот же шаблон потоком ионов неметаллов, обеспечивающих восстановление диэлектрических свойств материала заготовки в требуемых областях, при этом шаблон выполняют с толщиной, превышающей длину проективного пробега в нем используемых ускоренных частиц.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве ускоренных частиц используют протоны.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве ускоренных частиц используют ионы гелия.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве ускоренных частиц используют атомы водорода или гелия.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве материала заготовки используют многоатомные соединения металлов с кислородом, водородом, азотом, фтором.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве металла или полупроводника, входящего в многоатомное соединение материала заготовки, используют элементы с атомным номером, равным или большим 12.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве металлов, входящих в многоатомные соединения, используют магний, медь, алюминий, железо, вольфрам, кобальт, никель, германий, эрбий, галлий, кремний, кальций, тантал, титан, ванадий, мышьяк.

Указанный результат достигается также тем, что используют слой материала заготовки толщиной от 2 до 150 нм.

Выполнение шаблона с рисунком в виде сквозных отверстий или несквозных, но с различной глубиной позволяет использовать один шаблон для изготовления проводящих рисунков в разных слоях и/или обеспечивать межслоевые соединения и этим самым решать проблему совмещения рисунков разных слоев, участвующих в формировании объемной структуры. В известных же технических решениях для этого приходилось использовать по несколько шаблонов (для каждого из слоев свой).

Действительно, если взять и поставить между источником ускоренных частиц и обрабатываемым материалом пластинку переменной толщины, то до обрабатываемого материала дойдет ослабленный по-разному, в зависимости от толщины пластины, пучок частиц. Соответственно этот пучок проникнет на различную глубину в обрабатываемый материал и соответственно на различную глубину будут преобразованы диэлектрические свойства обрабатываемого материала в проводящие. Поэтому в зависимости от глубины отверстия в шаблоне будет происходить и "металлизация" на различную глубину в участках обрабатываемого материала, находящегося под этими отверстиями. Создание сквозных отверстий в шаблоне позволяет решить сразу две задачи. С одной стороны, обеспечить "металлизацию" на большую глубину по сравнению с тем, что обеспечивают несквозные отверстия в шаблоне, а с другой - через эти сквозные отверстия беспрепятственно будет проходить пучок ионов, обеспечивающий частичное восстановление диэлектрических свойств в участках обрабатываемого материала, находящихся под этими отверстиями, что расширяет возможности формирования сложных проводящих структур.

Кроме того, через эти сквозные отверстия, варьируя параметры условий облучения ускоренными частицами, можно формировать многократно чередующиеся слои "металл - диэлектрик - металл - диэлектрик -.........".

Естественно, что для того, чтобы в формируемой структуре сохранялись участки с первоначальными свойствами материала, необходимо, чтобы толщина шаблона обеспечивала полную задержку потока частиц в требуемых местах. Для этого она должна быть больше длины проективного пробега используемых ускоренных частиц для материала шаблона.

Использование для облучения пучков ускоренных частиц позволяет обеспечить преобразование проводящих свойств материала заготовки путем перевода из диэлектрического состояния в металлическое или более проводящее, что является следствием взаимодействия ускоренных частиц с веществом заготовки.

Как было установлено экспериментально, в качестве ускоренных частиц, обеспечивающих преобразование проводящих свойств материала заготовки, могут быть использованы пучки протонов, ионов гелия, а также атомов водорода и гелия.

Материал заготовки может быть выбран из числа известных диэлектриков - оксидов, гидридов, нитридов и фторидов металлов или полупроводников. В перечисленных материалах под воздействием ускоренных частиц происходит изменение химического состава материала, а именно - в облученных участках этих материалов остаются только атомы металлов или полупроводников за счет селективного удаления атомов неметаллов - кислорода, водорода, азота или фтора.

При этом, как было установлено экспериментально, эффективное удаление атомов неметаллов происходит только в соединениях, в которых присутствуют атомы полупроводников или металлов с атомным номером, равным или большим 12.

Для каждого вида частиц и обрабатываемого ими материала экспериментально подбираются режимы обработки - энергия частиц в пучке, время экспозиции и т. п., а также пары "вид частиц - вид материала", обеспечивающие наиболее эффективное преобразование свойств за счет селективного удаления атомов нужного сорта.

При использовании толщины слоя заготовки менее 2 нм могут возникнуть нарушения его сплошности, что делает невозможным формирование объемной структуры. Выполнять слой заготовки более 150 нм нецелесообразно, поскольку для большинства используемых материалов, преобразующих свои свойства под воздействием потока ускоренных частиц, длина проективного пробега частиц не превышает указанного значения.

Предлагаемым способом можно формировать не только проводящие структуры в объеме диэлектрика, но и магнитные структуры в объеме немагнитного материала или же структуру из немагнитного материала в объеме магнитного, а также формирование объемных оптических волноводов. В последнем случае в объеме прозрачного диэлектрика (большинство оксидов являются прозрачными при тех толщинах, которые используются в микроструктурах) формируются непрозрачные или менее прозрачные "перегородки" из преобразованного в металл вещества исходного диэлектрика заготовки.

Сущность заявляемого способа поясняется примерами реализации проводящей структуры и чертежом (а,б,с,д), на котором схематично представлены отдельные стадии технологического процесса.

Пример 1. В общем случае способ изготовления объемной проводящей структуры осуществляется следующим образом.

На подложку 1, которая может быть выполнена из кремния, алюминия или двуокиси кремния, наносят слой материала заготовки 2 требуемой толщины. В качестве материала заготовки используют оксиды, гидриды, нитриды или фториды металлов или полупроводников.

Затем слой материала заготовки облучают пучком ускоренных частиц, в качестве которых используют протоны, атомы водорода, атомы и ионы гелия. Облучение может осуществляться через шаблон 3 с заданным рисунком, нанесенным непосредственно на заготовку, в котором выполнены сквозные и/или несквозные отверстия различной глубины.

Под воздействием потока 4 ускоренных частиц в обрабатываемом материале происходит преобразование его исходных диэлектрических свойств в облучаемых участках 5 в проводящие за счет селективного удаления атомов неметаллов. При этом в зависимости от глубины отверстия преобразование этих свойств происходит на различную глубину в материале заготовки (черт."в"). Затем после облучения ускоренными частицами осуществляют обработку заготовки через этот же шаблон потоком ионов, обеспечивающих восстановление удаленных атомов, в результате чего в обработанных ионами участках восстанавливаются диэлектрические свойства (черт. "с"). При этом в качестве таких ионов могут быть использованы не только ионы удаленных атомов, но и ионы другого вида. Например, при обработке заготовки, выполненной из гидрида алюминия, или гидрида меди, или гидрида галлия под воздействием потока ускоренных частиц будут удаляться атомы водорода, а восстановление диэлектрических свойств в требуемых участках может осуществляться путем воздействия на заготовку потоком ионов кислорода, а в частных случаях даже достаточно извлечь заготовку из вакуумной установки и оставить ее на воздухе без удаления шаблона. При достаточно высокой химической активности металла заготовки уже этого будет достаточно для восстановления диэлектрических свойств. Например, алюминий очень быстро окисляется кислородом воздуха, переходя в оксид алюминия, обладающего диэлектрическими свойствами. После завершения процесса формирования шаблон 4 удаляется известным образом (химическое травление, реактивное травление, механическое удаление и т.п.) (см. черт."d"). Таким образом, с помощью одного шаблона может быть сформирована объемная проводящая многоуровневая структура.

Пример 2. Способ реализовывался по общей схеме с использованием протонов в качестве частиц для облучения материала заготовки. Для его реализации в вакуумной камере технологической установки на подложкодержателе устанавливаются несколько подложек из монокристаллического кремния размером 5•5•0,4 мм, на которые нанесен слой материала заготовки требуемой толщины. Вакуумная камера откачивалась сначала форвакуумным и турбомолекулярным насосом, а затем ионным до давления 10^-9 торр. В качестве источника протонов можно использовать любой из числа известных, например высокочастотный. На пути пучка ионов устанавливался шаблон, выполняемый из известных резистов по известной технологии, толщиной 0,3 мкм и размером 50•50 мм с изготовленными в ней рядами отверстий различной глубины диаметром 100 нм и сквозными прорезями в виде линий шириной 100 нм и длиной 3 мм и расстоянием между ними 300 нм. В другом случае в качестве такого шаблона использовалась маска, изготавливаемая по известным технологиям (например, фотолитографией либо электронной литографией). После откачки включался источник протонов и устанавливался его рабочий режим, обеспечивающий преобразование оптических свойств материала заготовки. Режимы для каждого вида материала и толщины заготовки подбирались экспериментально, некоторые из параметров, обеспечивающих достижение результата, приведены в таблице 1.

После завершения обработки заготовки протонами она обрабатывалась потоком ионов, обеспечивающих восстановление удаленных атомов. В большинстве случаев для этого использовался пучок ионов кислорода, а иногда - ионы азота или ионы фтора.

Пример 3. Способ осуществлялся, как описано в примере 2, но с использованием ионов гелия (и соответствующего источника ионов). Некоторые параметры реализации способа приведены в таблице 2.

Пример 4. Способ осуществлялся, как описано в примере 2, но для облучения использовались пучки ускоренных атомов водорода или гелия, которые получали нейтрализацией пучков ускоренных ионов (протонов и ионов гелия) с помощью электронов.

Технологические параметры процесса для атомов водорода и атомов гелия аналогичны условиям, приведенным в таблицах 1 и 2, т.к. пучки атомов получали путем нейтрализации электронами пучков ионов гелия и водорода.

Использование: в микроэлектронике для создания сверхминиатюрных приборов, интегральных схем, запоминающих устройств и оптических элементов. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии за счет использования одного и того же шаблона для формирования всей многоуровневой объемной структуры. Сущность изобретения: способ получения объемной проводящей многоуровневой структуры осуществляется путем облучения заготовки из двух- или многоатомных диэлектриков потоком ускоренных частиц, обеспечивающих селективное удаление в материале заготовки атомов неметаллов, через один шаблон, в котором выполнен рисунок в виде сквозных и несквозных отверстий различной глубины, и последующей обработки заготовки через этот же шаблон потоком ионов неметаллов, обеспечивающих восстановление диэлектрических свойств материала заготовки в требуемых областях, при этом шаблон выполняют с толщиной, превышающей длину проективного пробега в нем используемых ускоренных частиц. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ получения объемной проводящей многоуровневой структуры путем облучения заготовки из двух- или многоатомных диэлектриков потоком ускоренных частиц, обеспечивающих селективное удаление в материале заготовки атомов неметаллов через один шаблон, в котором выполнен рисунок в виде сквозных и несквозных отверстий различной глубины, и последующую обработку заготовки через этот же шаблон потоком ионов неметаллов, обеспечивающих восстановление диэлектрических свойств материала заготовки в требуемых областях, при этом шаблон выполняют с толщиной, превышающей длину проективного пробега в нем используемых ускоренных частиц. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют протоны. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют ионы гелия. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют атомы водорода или гелия. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала заготовки используют многоатомные соединения металлов с кислородом, водородом, азотом, фтором. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве металла или полупроводника, входящего в многоатомное соединение материала заготовки, используют элементы с атомным номером, равным или большим 12. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют слой материала заготовки толщиной от 2 до 150 нм.