CC BY
57
Афанасьев Михаил Сергеевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. лаб. № 251 Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук.
Е-mail:
[email protected] Область научных интересов: тонкие пленки, наноэлектроника, физика полупроводников. Лучников Петр Александрович, зав. лабораторией технологических исследований НИИ «Информатика» Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматик. Е-mail: [email protected] Область научных интересов: микроэлектроника, материаловедение.
Митягин Александр Юрьевич, д-р физ.-мат. наук, глав. науч. сотр. Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук.
Е-mail:
[email protected] Область научных интересов: физика полупроводников, спиновой и ионный транспорт, магнитные полупроводники. Чучева Галина Викторовна, д-р физ.-мат. наук, зав. лабораторией № 251 Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук.
Е-mail: [email protected] Область научных интересов: микроэлектроника, физика полупроводников и диэлектриков, электронно-ионные явления на границе раздела полупроводник/диэлектрик и полупроводник/полупроводник.
УДК 537.226
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ АЛМАЗОПОДОБНЫХ И СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
М.С. Афанасьев, П.А. Лучников*, А.Ю. Митягин, Г.В. Чучева
Филиал института радиоэлектроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Фрязино *Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики Е-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]; egorov@ipmt-hpm .ac.ru
Исследованы возможности формирования гетероструктур на основе алмазоподобных и сегнетоэлектрических материалов. Определены оптимальные технологические условия формирования структур. Проведен анализ кристаллической структуры и фазового состава алмазоподобных и сегнетоэлектри-ческих пленок. Показано, что формирование двухслойной гетероструктуры с алмазоподобным слоем при температуре подложки выше 700 °С перовскитный слой не обладает се-гнетоэлектрическими свойствами.
Ключевые слова:
Гетероструктура, сегнетоэлектрическая пленка, алма-зопобная пленка, ВЧ-распыление.
Введение
Прогресс развития устройств СВЧ электроники связан не только с уменьшением геометрических размеров элементов электронных схем, но и с повышением качественных характеристик на основе новых эффектов и материалов [1]. В этой связи в последние годы ведется интенсивный поиск новых функциональных материалов и способов изменения свойств у известных материалов за счет создания комбинаций пленочных слоев
- гетроструктур. Сегнетоэлектрики и алмазоподобные материалы в пленочном состоянии вызывают особый интерес в связи с перспективами создания на их основе различных устройств СВЧ электроники и элементов энергонезависимой памяти [2]. Сочетание алмазоподобных плёнок (АП) с сегнетоэлектрическими слоями позволяет создавать эффективные активные элементы электроники с повышенным быстродействием при минимальных потерях мощности. Так, использование се-гнетоэлектрических и алмазных пленок в конструкции линий задержки расширяет диапазон рабочих частот до
80,0 ГГц и снижает прямые потери до 1,0 дБ при возможном увеличении предельной мощности входного сигнала до 3,0 дБ [3].
Основные физические свойства алмазоподобных плёнок (АП), определяющие возможность их практического применения: высокие механические характеристики и теплопроводность (в 5 раз выше, чем у меди) в сочетании с высокой электрической прочностью и низкой диэлектрической проницаемостью.
Сегнетоэлектрические пленки имеют высокую диэлектрическую проницаемость > 1000 и малый тангенс угла диэлектрических потерь, который не превышает ~ 10-3 на частотах до 50 ГГц, а также высокое напряжение пробоя, не менее 106 В/см. При их использовании в управляемых кон-десаторах они обеспечивают коэффициент управления емкостью на уровне 2,5... 3,0 в слабых электрических полях при малой постоянной времени переключения поляризации ~ 10-9 с.
Свойства получаемых гетероструктур на основе пленок во многом определяется их совместимостью при формировании гетероструктуры, т. е. технологическими режимами и последовательностью нанесения слоев, а также возникающими механическими напряжениями в получаемых слоях. Известен ряд методов формирования тонких пленок путем конденсации слоя на твердой поверхности из реакционной газовой среды ВЧ-разряда при использовании в качестве источника газовой фазы продуктов распыляемого исходного вещества мишени органической или неорганической природы [4].
В настоящей работе проведены исследования по определению основных технологических условий формирования слоистых гетероструктур на основе сегнетоэлектрических и алмазоподобных материалов.
Получение алмазоподобных пленок
Пленки наносились на монокристаллическую кремниевую подложку СУБ методом. Данный метод позволяет эффективно управлять параметрами процесса формирования пленок, а именно: изменять остаточное давление в диапазоне 0,8.1,33 Па (6-10-3.110-4 мм.рт.ст.); температуру подложки в диапазоне 500...900°С;
^ А 7 Я О
мощность излучения газового разряда в диапазоне 50.300 Вт; использовать различные газовые и жидкие реакционные среды. Технология формирования пленок на подложке осуществляется путем разложения в СВЧ-разряде газовой смеси СН4-И2 при концентрации 2 % СН4-98 % Н2 и остаточном давлении ~ 0,27 Па с последующим осаждением алмазоподобного слоя (выращивание) при высокой температуре подложки.
На рис. 1 схематически представлена установка для получения алмазоподобных пленок в плазме газового разряда низкого давления, которая состоит из реакционной камеры -
1, системы вакуумной откачки - 2, газовой системы подачи реакционной смеси - 3, магнетрона - 4, циркулятора - 5, соленоида - 6, диэлектрического окна - 7, прозрачного для про-
Рис. 1. Схема установки для формирования алмазоподобных пленок в
плазме газового разряда низкого
давления: 1) реакционная вакуумная камера; 2) система вакуумной откачки; 3) ввод подачи рабочего газа; 4) СВЧ магнетрон;
5) циркулятор; 6) соленоид; 7) окно, прозрачное для излучения СВЧ; 8) подложка;
9) нагреватель подложки хождения излучения СВЧ магнетрона. В вакуумной реакционной камере - 1, представляющей цилиндр, установлен нагреваемый держатель подложки - 9 с подложкой - 8, который может перемещаться вдоль оси реакционной камеры. Температура подложки - 8 контролируется с точностью ± 3 °С. Вакуумная система - 2 обеспечивает остаточное давление в реакционной камере не выше ~ 6,7-10-3 Па. Система подачи реакционной смеси - 3 позволяет одновременно использовать несколько видов рабочих сред. В качестве источника излучения используется магнетрон М-105, работающий на частоте 2,45 ГГц с максимальной мощностью 300 Вт. Цирку-
лятор - 5 гасит отраженную волну магнетрона - 4. Зона газового разряда в реакционной камере находится на расстоянии 80 мм от диэлектрического окна - 7. Для стабилизации газового разряда используется соленоид - 6 с магнитным полем 2,5 Тл.
Методика напыления
Перед началом процесса осаждения АП давление в реакционной вакуумной камере - 1 установки рис. 1 понижается до значения ~ 910-3 Па при помощи вакуумной системы - 2. В это время подложка - 8 нагревается до заданной температуры (500.900 °С). Затем включается магнетрон - 4 при мощности излучения генератора 200 Вт и в камеру - 1 напускается рабочая газовая смесь состава CH4-H2 до остаточного давления в пределах 0,14.0,4 Па. Под воздействием излучения магнетрона в камере - 1 зажигается ВЧ-плазма разряда, в которой протекают реакции ионизации и разложения рабочей газовой смеси CH4-H2. Вследствие плазмохимических реакций на подложке из монокристаллического кремния КДБ-12 с ориентацией [100] осаждается алмазоподобное покрытие. Время нанесения алмазоподобного покрытия определяется от заданной величины толщины наносимого слоя пленки и составляет 50. 120 мин.
Для контроля толщины получаемой АП использовался ряд методов. При толщине алмазоподобной пленки превышающей 1 мкм использовался интерференционный метод, реализованный в микроскопе «МИИ-4», на длине световой волны X = 605 нм с абсолютной погрешностью, не превышающей 20 нм. Пленки нанометровых толщин контролировались с помощью электронного и атомно-силового микроскопов.
Структура алмазоподобных пленок контролировалась с помощью дифрактограмм и электронограмм, снятых на установке ДРОН-4, а также по Cu^a-излучению.
Экспериментально установлено, что получаемые в СВЧ-плазме разряда пленки алмазоподобной структуры формируются при разложении газовой смеси CH4-H2 с концентрацией 2 % CH4-98 % H2 при остаточном давлении ~ 0,27 Па и температуре подложки ~ 900 °С. Рентгенографические исследования полученных АП показали, что их структура имеет компоненты кубического алмаза с преимущественной ориентацией [100].
Диэлектрическая проницаемость АП покрытий составляет значение ~ 5 при теплопроводности ~ 6,7 Вт/смК.
На втором этапе технологического процесса формирования планарной гетероструктуры осуществляется нанесение слоя пленки перовскитной структуры, обладающей сегнетоэлектри-ческими свойствами, на нанесенный ранее на подложке алмазоподобный слой.
Получение сегнетоэлектрических пленок
Перовскитные сегнетоэлектрические пленки формировались методом высокочастотного (ВЧ) реактивного распыления исходной перовскитной мишени состава Bao,8Sr02TiO3 (BST) в атмосфере кислорода [5]. Основным преимуществом такого метода является возможность напыления структурно совершенных пленок оксидов металла с сохранением стехиометрии по кислороду. Метод обладает широкими возможностями по изменению режимов роста (температура, давление кислорода, скорость роста, геометрия размещения подложки относительно ВЧ-электрода).
Конструкция установки напыления схематично представлена на рис. 2. Вакуумная камера напыления - 1 представляет собой цилиндр из нержавеющей стали, на основании которого закреплен внешний ВЧ-электрод. Вакуумная система соединяется с насосом откачки - 8. Рабочий газ аргон Ar или кислород О2 подается из баллона через ввод - 2 в камеру - 1. Керамическая мишень - 3 приклеивается клеем К 400 к диэлектрическому окну - 7. Клей К 400 имеет наполнитель из нитрида бора, что обеспечивает высокую теплопроводность между катодом и мишенью - 3. Это защищает последнюю от перегрева и растрескивания. Керамическая мишень
- 3 состава Ba08Sr02TiO3 (BST) имеет диаметр 47 мм и толщину 3,5 мм. Диэлектрическое окно -7 состоит из оксида бериллия диаметром 60 мм. Для оптического контроля плазмы ВЧ-разряда реактивной газовой среды в рабочей камере - 1 и визуализации процесса напыления используется кварцевое окно - 9.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для напыления сегнетоэлектрических пленок: 1) вакуумная камера; 2) ввод рабочего газа; 3) керамическая мишень; 4) подложкодержатель с нагревателем; 5) вакуумное уплотнение; 6) подложка; 7) диэлектрическое окно ВЧ-излучения; 8) вакуумная откачка; 9) кварцевое окно; 10) ВЧ-генератор; 11) коаксиальный ввод ВЧ-мощности
Подложка - 6 в камере - 1 (рис. 2) закрепляется на резистивном нагревателе - 4 с платиновой спиралью. Нагреватель с подложкой может перемещаться относительно мишени соосно посредством манипулятора, снабженного вакуумным уплотнением - 5. В качестве источника ВЧ-разряда используется высокочастотный генератор УВ-1, переменное напряжение которого с частотой 13,56 МГц подводится к коаксиальному ВЧ-электроду - 11. Задающий кварцевый генератор с первым каскадом усиления выполнены в отдельном корпусе. Буферный усилитель собран на четырех лампах ГУ-50 с выходным каскадом на двух лампах ГУ-80. В качестве согласующего устройства использовался «П» контур с регулируемыми индуктивностью и емкостями. Управление выходной мощностью, подводимой к ВЧ-электроду, осуществляется путем изменением сигнала на задающим кварцевом генераторе.
Методика напыления
В вакуумной камере - 1 (рис. 1) подложка - 6 закрепляется на нагревателе - 4 при помощи держателя, выполненного из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм.
В исходном состоянии рабочая камера - 1 установки (рис. 1) закрывается герметично и затем с помощью форвакуумного насоса Тйуас D30A достигается вакуум ~ 10 Па. Далее в камеру - 1 через ввод - 2 подается кислород марки ОСЧ до достижения в камере остаточного давления ~ 60 Па. Скорость технологической продувки кислородом в камере - 1 составляет
0,4 ± 0,01 л/мин. Контроль остаточного давления осуществляется автоматически с помощью системы регулятора расхода газа РРГ-3 с точностью ± 0,1 Па. По достижении необходимого давления включается блок питания нагревателя. Контроль и поддержание температуры подложки осуществляется автоматически при помощи микропроцессорного измерителя ТРМ-101 с точностью ± 5 °С. Подложка нагревается до 400.420 °С и выдерживается при этой температуре ~ 5 мин. Затем включается блок питания ВЧ-генератора и в рабочем объеме вакуумной камеры - 1 между мишенью - 3 и подложкой - 6 в газовой среде кислорода зажигается ВЧ-плазма. Нагреватель подложки - 4 остается включенным до конца процесса нанесения перов-скитной пленки на подложке. Температура подложки - 6 в процессе напыления выдерживается близкой ~ 620 °С. Однако возможны отклонения этой температуры в диапазоне 500.800 °С из-за нестабильности режима ВЧ-разряда и давления в камере. Для наиболее оптимального технологического режима нанесения пленки расстояние мишень-подложка составляет ~ 12 мм.
Процесс получения пленок включает два этапа. На первом этапе проводится процесс напыления основного слоя пленки в кислороде перовскитной структуры, который в зависимости от требуемой её толщины может продолжаться 2.10 мин. На втором этапе осуществляется термообработка осажденной пленки в атмосфере кислорода, т. е. насыщение кислородом для восстановления полного стехиометрического состава структуры. Для этого ВЧ-генератор - 11 и нагреватель подложки - 4 выключаются, закрывается вакуумный вентиль откачки - 8, а давление в камере увеличивается посредством напуска в неё кислорода через ввод - 2 до значений ~ 103 Па. Далее в течение 2 часов подложка - 6 охлаждается естественным путем до комнатной температуры.
Исследование кристаллической структуры, фазового состава и качества структуры полученных сегнетоэлектрических пленок проводились методом рентгеноструктурного анализа, что позволяло идентифицировать структурные компоненты в стехиометрическом составе полу-
ченных перовскитных пленок по набору в их структуре межплоскостных расстояний согласно относительным интенсивностям соответствующих линий на рентгенограмме.
Характерный вид дифрактограмм пленок, полученных методом ВЧ-распыления, представлен на рис. 3, где на рис. 3, а представлена рентгенограмма сегнетоэлектрической плёнки полного стехиометрического состава Бао,88г02ТЮ3 с ориентацией [100]. На рис. 3, б представлена рентгенограмма пленки, осажденной при температуре подложки 750 °С, которая показывает отсутствие стехиометрического состава соответствующего для перовскит-ной пленки с сегнетоэлектрическими свойствами. Здесь при формировании этой пленки, возможно протекают процессы распыления алмазоподобного материала под воздействием высокой температуры.
Технологические исследования процесса формирования в ВЧ-плазме разряда пленок перовскитной структуры состава Вао^г0,2ТЮ3, обладающих сегнетоэлектри-ческими свойствами, показали, что наиболее оптимальными режимами их нанесения являются: остаточное давление кислорода в камере ~ 1,2- 10-2 Па и температура подложки ~ 620 °С при напряжении катод-анод 250 В. Диэлектрическая проницаемость таких сегнетоэлектрических пленок составляет ~ 720, а коэффициент управления емкостью конденсатора на их основе составляет ~ 1,5.
Выводы
Рассмотренные выше технологические методы хорошо совмещаются в едином технологическом цикле формирования слоистых гетероструктур на основе алмазоподобных и сегнето-электрических материалов путем выбора оптимальных режимов их формирования и состава реакционной среды для каждого наносимого слоя при допустимых температурах.
Гетероструктуры могут выполняться многослойными с высокой технологической совместимостью в сочетании с электропроводящими слоями металлов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации г/к № 16.513.11.3072.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мухортов В.М., Юзюк Ю.И. Гетероструктуры на основе наноразмерных сегнетоэлектрических пленок: получение, свойства и применение. - Ростов на Дону: ЮНЦ РАН, 2008. - 224 с.
2. Воротилов К.А., Мухортов В.М., Сигов А.С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства / под ред. чл.-корр. РАН А.С. Сигова. - М.: Энергоатомиздат, 2011. - 175 с.
3. Афанасьев М.С., Митягин А.Ю., Чучева Г.В. Перестраиваемая линия задержки сигнала СВЧ-диапазона на основе сегнетоэлектрических и алмазных пленок // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2010. - Т. 87. - № 3. - С. 3-6.
4. Иванов В.И., Лучников П.А., Сигов А.С. Ионные технологии в производстве изделий электронной техники / под ред. чл.-корр. РАН А.С. Сигова. - М.: Энергоатомиздат, 2010. - 206 с.
5. Афанасьев М.С., Иванов М.С. Особенности формирования тонких сегнетоэлектрических пленок Вах8г1_хТЮ3 на различных подложках методом высокочастотного распыления // ФТТ. - 2009. - Т. 51. - № 7. - С. 1259-1262.
Поступила 12.01.2012 г.
Iо.е,
I, o.e.
б)
---------------I_______I_______I_______I______I__
10 20 30 40 50 60 20, град
Рис. 3. Рентгенограмма сегнетоэлектрической перовскитной плёнки BST толщиной 0,8 мкм, осажденной при температуре подложки: а) 620 °С и б) 750 °С
