Радиотехника и электроника, 2023, T. 68, № 11, стр. 1117-1121

ВВЕДЕНИЕ

Создание тонкопленочных покрытий – один из базовых процессов в производстве электроники, в оптике, фотовольтаике и ряде других областей. Для этой цели широко применяются магнетронные распылительные системы (МРС). Отличительной особенностью МРС является высокая плотность получаемых покрытий и достаточно приемлемая скорость осаждения односоставных пленок большинства металлов и полупроводников. Однако существуют определенные сложности при осаждении покрытий химических соединений, особенно диэлектрических (оксидов и нитридов). Это связано либо с необходимостью применения более сложных, чем режим постоянного тока (DC), режимов питания магнетрона при использовании исходных оксидных мишеней, либо с необходимостью применения систем стабилизации для устойчивой работы в условиях реакционного распыления [1]. В обоих случаях скорость осаждения сильно снижается по сравнению с осаждением чистого однокомпонентного материала.

Потенциально, сглаживание влияния нелинейных эффектов в процессах реакционного распыления и повышение скорости осаждения возможны при использовании теплоизолированных (горячих) мишеней [2–4].

В данной работе применение метода импульсного магнетронного осаждения с горячей мишенью рассматривается с целью получения покрытий Si_xO_y из Si мишени в кислородсодержащей смеси.

Диоксид кремния SiO₂ представляет собой аморфный материал, широко используемый в микроэлектронике в качестве изолятора в технологиях производства интегральных микросхем и отдельных компонентов (транзисторов, конденсаторов) благодаря своей химической стабильности. Высококачественные оксидные пленки обеспечивают превосходную электрическую изоляцию с удельным сопротивлением ~10¹⁰ Ом м, они также являются хорошими теплоизоляторами с низкой теплопроводностью, около 1.4 Вт/(м К) [5]. Следует отметить, что применение оксида кремния чрезвычайно разнообразно [6–9] и касается не только технологий электроники.

Использование распыления с горячей мишенью в случае оксида кремния рассматривалось в небольшом количестве работ в случае магнетронов постоянного тока [10, 11]. Поскольку для рассматриваемой задачи импульсный магнетронный разряд с горячей мишенью применяется впервые, потребовалось исследовать диапазоны рабочих параметров и оценить качество получаемых пленок.

1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Эксперименты проводили в магнетронной распылительной системе с теплоизолированной мишенью [12, 13]. Дисковая мишень из кремния диаметром 76 мм толщиной 3 мм располагалась на графитовой подставке (тигле) в виде диска диаметром 100 мм.

На мишень подавалось напряжение от источника питания APEL-М-5НРР-1200, способного формировать импульсы с величиной напряжения до 1200 В с длительностью до 1 мс. В данной работе рассмотрен диапазон длительности 100…300 мкс при частоте повторения 0.5…2 кГц. Средняя мощность разряда P_уст устанавливалась на панели управления блока питания на значении 500, либо 1000 Вт. Блок питания работал в режиме стабилизации мощности. Реальные зависимости параметров разряда от времени определяли с помощью датчиков тока (HoneyWell CSNR 161) и напряжения (Micsig DP20003), подключенных к осциллографу.

При мощности 500 Вт вклад испаренной компоненты в общие свойства разряда и потоков частиц из плазмы невелик, так как не происходит расплавления мишени и давление насыщенных паров кремния намного ниже давления смеси рабочих газов. При мощности 1000 Вт мишень находится в расплавленном состоянии, при этом поток испаренных частиц с ее поверхности оказывает существенное влияние на свойства плазмы и потоки на подложку.

Для каждого из анализируемых режимов (с фиксированными P_уст, τ, f) варьировалась доля кислорода в смеси путем замещения аргона в потоке газа. Суммарный поток газа был постоянным и составлял 1.80 н.л/ч.

В стабильных режимах при P_уст = 1000 Вт проводилось осаждение покрытий Si_xO_y на подложки из полированного кремния, располагавшиеся на расстоянии 14 см от поверхности мишени. Для этого вначале при закрытой заслонке между образцом и мишенью проводилось плавление кремния в аргоновом разряде с мощностью 1500 Вт в течение 10 мин. Затем мощность снижалась до 1000 Вт и создавалось требуемое соотношение потоков аргона и кислорода в смеси. После стабилизации разрядных параметров заслонку открывали и происходило осаждение покрытия. Процесс нанесения покрытия в каждом случае длился 30 мин. После осаждения заслонку закрывали, подачу кислорода прекращали и мишень охлаждали путем постепенного снижения мощности разряда, а после выключения разряда мишень находилась в потоке аргона. Процесс охлаждения занимал ~60 мин. Параметры и свойства полученных пленок изучали методами профилометрии (на профилометре Veeco Dektak 150), сканирующей электронной микроскопии (на микроскопе Tescan Vega 3) и энергодисперсионной спектроскопии химического состава (анализатором Oxford Instruments X-Act).

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

2.1. Характеристики разряда

При проведении экспериментов по измерению электрических характеристик разряда выяснилось, что в зависимости от параметров P_уст, τ, f существует определенная верхняя граница области стабильности по отношению к потоку кислорода. При повышении потока выше границы режим стабилизации мощности не может быть использован, поскольку параметры импульсов напряжения и тока разряда меняются во времени. При этом наблюдаются последовательности из нескольких различных по величине и форме тока и напряжения импульсов, которые повторяются как целое с фиксированным периодом.

Осциллограммы тока сильно зависят от потока кислорода и длительности импульса и принимают форму от прямоугольной (при малом потоке кислорода) до практически треугольной при повышении ${{\Gamma }_{{{{{\text{O}}}_{2}}}}}$.

Для описания рабочих режимов разряда рассмотрим величину отношения реальной средней мощности импульсов P_факт к заданной средней мощности P_уст:

$\begin{gathered} k = {{{{P}_{{{\text{факт}}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{P}_{{{\text{факт}}}}}} {{{P}_{{{\text{уст}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{P}_{{{\text{уст}}}}}}} = {{{{E}_{{{\text{имп}}}}}f} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{E}_{{{\text{имп}}}}}f} {{{P}_{{{\text{уст}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{P}_{{{\text{уст}}}}}}},\,\,{\text{где}} \\ {{E}_{{{\text{имп}}}}} = \int\limits_0^{{\tau }} {{{V}_{{\text{р}}}}(t){{I}_{{\text{р}}}}(t)dt} , \\ \end{gathered} $

где E_имп – энергия в одном разрядном импульсе, V_р и I_р – зависимости напряжения и тока разряда от времени соответственно. Очевидно, что при контролируемых режимах работы магнетрона этот коэффициент должен быть близок к единице. На рис. 1 представлены зависимости параметра k от потока кислорода для режимов P_уст = 500 и 1000 Вт и различных комбинаций τ и f.

Рис. 1.

Зависимость параметра k = E_импf /P_уст от потока кислорода при P_уст = 500 (а) и 1000 Вт (б) для различных τ (мкс) и f (кГц): 1 – τ = 200, f = 0.5; 2 – τ = 100 , f = 1; 3 – τ = 200, f = 1; 4 – τ = 300, f = 1; 5 – τ = 200, f = 2.

На рисунке горизонтальными линиями отмечена область стабильной работы источника питания (1 ± 0.1). Штриховкой отмечена область, в которой невозможно было достичь управляемого осаждения в режиме стабилизации по мощности из-за изменяющихся во времени параметров импульсов.

Повышение мощности разряда и снижение длительности импульсов (100 мкс) позволяет работать в более широком диапазоне потоков кислорода.

Также показателем стабильности разряда служит величина напряжения. На рис. 2 приведены карты режимов в координатах “поток кислорода–длительность импульса”, а шкалой оттенков серого цвета отображено напряжение разряда. Напряжение в заштрихованной области характеризуется нестабильностью параметров, описанной выше.

Рис. 2.

Карты режимов разряда при P_уст = 500 (а) и 1000 Вт (б).

Заштрихованная область соответствует низкому разрядному напряжению. Трудность регулировки и поддерживания стабильных условий осаждения в этой области обусловливается большой крутизной вольт-амперной характеристики разряда. При этом изменение напряжения даже на небольшую величину приводит к слишком сильному изменению тока. Следует отметить, что вне зависимости от применяемого блока питания это ограничение носит универсальный характер.

При длительности импульса ~200 мкс и более стабилизация разряда усложняется. Более того, при уменьшении частоты, т.е. при увеличении паузы между импульсами, окисление мишени приводит к еще большему затруднению в стабилизации параметров, как показано в [14].

2.2. Свойства покрытий

Параметры шести образцов с нанесенными покрытиями представлены в табл. 1. Указаны значения толщины пленки, измеренные с помощью профилометра.

Таблица 1.

Параметры образцов

Номер образца	f, кГц	τ, мкс	Поток кислорода, н.л/ч	Доля кислорода в смеси, %	Толщина пленки, мкм	O/Si (ЭДС)
1	1	200	0.72	40	1.56	59/41
2	1	200	0.90	50	2.13	61/39
3	1	200	1.08	60	2.39	63/37
4	1	200	1.26	70	2.16	61/39
5	1	200	1.44	80	3.14	66/34
6	1	100	1.44	80	2.33	63/37

Все покрытия были получены в течение 30 мин. Скорость роста при увеличении содержания кислорода в смеси растет, что, вероятно, связано с испарением молекул SiO с поверхности горячей мишени [10]. При этом содержание кислорода в пленке плавно увеличивается и достигает стехиометричного соотношения O/Si = 2/1 при доле кислорода, близкой к границе стабильности для P_уст = 1000 Вт (см. рис. 2).

Изображения поперечного слома покрытий № 5 и № 6 представлены на рис. 3.

Рис. 3.

Структура покрытий SiO₂ на кремнии (подложка снизу) для образцов № 5, τ = 200 мкс (а) и № 6, τ = 100 мкс (б) при P_уст = 1000 Вт, ${{\Gamma }_{{{{{\text{O}}}_{2}}}}}$ = 1.44 н.л/ч (80%) и f = 1 кГц.

Химический состав покрытий на поверхности ближе всего к стехиометричному SiO₂ у образцов, осажденных, при следующих параметрах: f = 1 кГц, ${{\Gamma }_{{{{{\text{O}}}_{2}}}}}$ = 1.44 н.л/ч (80%), τ = 100 и 200 мкс.

Проведена оценка снизу для удельного сопротивления покрытий. Поскольку нижний предел чувствительности применяемого амперметра составляет 1 нА, получено ρ > 2.5 × 10¹¹ Ом м, что соответствует справочным данным для оксида кремния SiO₂.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментально продемонстрирован способ реакционного осаждения покрытий SiO₂ в импульсном магнетронном разряде с горячей кремниевой мишенью. Изучены стабильные режимы разряда и построены карты параметров, из которых можно выбрать подходящие условия для осаждения покрытия. Полученные покрытия SiO₂ на Si характеризуются плотной структурой и высоким удельным сопротивлением ~10¹¹ Ом м. Процесс осаждения обеспечивает скорость роста пленки 100 нм/мин при средней плотности мощности на мишени 120 Вт/см².

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.