Тонкие диэлектрические пленки известны технологам много лет, причем самым ранним их практическим применением была, вероятно, «просветленная» оптика. Появление транзисторов с их низкими рабочими напряжениями сделало возможным получение больших емкостей просто путем очень близкого расположения пластин друг к другу,, что немедленно вызвало интерес к тонкопленочным конденсаторам. Такие конденсаторы в настоящее время производятся несколькими способами и широко используются в микроэлектронике наряду с тонкопленочными резисторами. Однако остается еше широкое поле деятельности для усовершенствования технологии тонкопленочных конденсаторов. В данной главе обсуждаются способы изготовления и структуры тонких диэлектрических пленок для конденсаторов.
Методы изготовления
Для изготовления тонких диэлектрических пленок использовались четыре основных метода.
Анодирование [1]. Этот по существу электролитический метод предназначен для окисления поверхности металла. Получающийся слой окисла образует диэлектрическую пленкуМ Когда в электролитической ванне в качестве анода используется подходящий металл, в слое окисла образуется электрическое поле, достаточное для миграции ионов через оксид. Детальный механизм роста зависит от начальной обработки поверхности металла. Например, на рис. 1 показана аморфная пленка АЬОз (выращенная на химически полированном алюминиевом листе методом анодирования при 100 в в электролитеаммиак—гликольборат при 206С), которая имеет многочисленные выпуклости на поверхности. При снятии окисной пленки обнаруживается, что выпуклости на ее верхней стороне соответствуют впадинам на лежащей под ней поверхности металла (рис 2). Рост пленки, по-
видимому, происходит благодаря миграции ионов через «каналы», соединяющие выпуклости и впадины. Если, однако, снять эту пленку в ванне с СГ2О3/Н3РО3 и повторно анодировать при 100 в, то получается более гладкая пленка (рис. 3). В обоих случаях пленки получаются аморфными, как следует из дифракционной картины, изображенной на рис. 4. Структура поверхности подложки просвечивает сквозь пленку. Например, на рис. 5 видны границы между зернами на анодированной пленке ТагОб. Последняя была получена на химически полированном Та, анодированном при 30 в и комнатной температуре с использованием 5% -ного раствора Na2S04. Из дифракционной картины (рис. 6) также видно, что пленка имеет аморфное строение.
Так как рост анодированной пленки зависит от электрического поля в ней, то скорость роста уменьшается при увеличении толщины пленки, если приложенное напряжение постоянно. Это свойство выгодно при получении очень гладких слоев с равномерной толщиной, но время, необходимое для получения толстой пленки, довольно велико (~15 мин для толщины 1500 А при ПО в). Если же поддерживается постоянный ток, то рост пленки происходит с постоянной скоростью (в случае алюминия примерно 11 А/сек при плотности тока 2 ма/см2)\ а максимальная толщина пленки ограничивается напряжением пробоя.
При повышенных температурах ванны иногда может иметь место так называемая индуцированная (полем) рекристаллизация. Так, на рис. 7 показана аморфная пленка ТагОб, которая лопнула и частично свернулась в том месте, где произошла замена аморфной структуры на кристаллическую. Такая пленка была получена на электрополированном тантале, анодированном в кипя щей 2%-ной HN03 при 100 в в течение часа. Ее дифракционная картина показана на рис. 8. Окись ниобия очень предрасположена к образованию такой структуры даже при комнатной температуре анодирования.