Введение к работе
Актуальность проблемы. В полупроводниковой электронике, в том числе и микроэлектронике, все более широко применяются анэлектрические тонкие пленки из различных материалов. Обладая рядом уникальных физико-химических свойств, диоксид циркония яспользуется в качестве буферных покрытий, стойких к воздействиям высокой температуры, плазмы, коррозионных сред, медленных ііейтронов, в качестве материала твердотельных электролитов, а также тля многих других применений.
Достигнутый в последнее время прогресс в производсгве изделий
микроэлектроники, сверхпроводниковой электроники,
гопершенствовании оборудования, технологических процессов и юздании новых высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов сделал возможным получение совершенно новых штсгральных микроэлектронных устройств, использующих в своей іаботе как квантово-механические эффекты наноразмерных структур. ~ак и специфические свойства различных сверхпроводниковых структур. ірн разработке тонкопленочных конструкций и технологических іроцессов создания отдельных криоэлементов возникло столько тзнообразных самостоятельных задач, что исследования и работы по іетодам создания многоуровневых систем сверхпроводниковых іежсоединений, включающих активные структуры, в настоящее время ыделились в самостоятельное технологическое и научное направление. I связи с этим возникла проблема создания сверхпроводниковых стройств в едином технологическом процессе с традиционными іетодами формирования полупроводниковых микроэлектронных стройств. Для этого потребовалось применение новых материалов и ехнологических подходов. При формировании ВТСП-структур на ремнии нужно было решить задачу по созданию буферных покрытий и азработке методов получения микрорельефа сверхпроводников до анесения сверхпроводящих материалов вследствие их ногокомпонентности, анизотропии свойств, реакционной природы и ногих других особенностей.
Изучение свойств оксидных пленок циркония, получаемых электрохимическим и термическим окислением, тонких пленок Zr и легированных различными веществами пленок циркония, а также исследование влияния высокотемпературных (800-1000С) импульсных термических обработок слоев анодного ZrCh, металлического Zr и Zr, легированного нтгрием, показали возможность применения формируемых данными методами покрытий ZrOi в технологиях создания сверхпроводниковых устройств, наноразмерных структур, в качестве диэлектрического материала, пригодного для эксплуатации при повышенных температурах, в технологии обратной литографии и многих других применениях.
Важно отметить, что использование предлагаемых способов формирования высокостабильных и качественных слоев диоксида циркония в технологии получения микроэлектронных, криоэлектронных и наноразмерных структур, а также использование разрушения (охрупчивання) формируемого ZrCh путем импульсной термообработки пленок Zr в технологии обратной литографии позволяет практически полностью или частично избавиться от необходимости применения сложных и дорогостоящих методов формирования устройств сложных конфигураций, включая наиоразмерные структуры. Использование высокостабильных качественных покрытий кубического ZrO2(Y2O310%) в качестве буферного слоя при формировании устройств из ВТСП иг кремнии позволяет избежать влияния структуры и состава подложки ш характеристики ВТСП-материала и, следовательно, . получай сверхпроводниковые приборы со стабильными параметрами. Такій свойства ZrOj как охрупчивание при определенных режимах отжига Zr \ увеличение объема при его окислении позволяют применять его і технологических процессах обратной литографии, а также разработан новые и усовершенствовать уже существующие методы формирование различных микроэлектронных структур. Поэтому изучение СВОЙСТ1 тонкопленочных покрытий ZrCh, разработка способов их получения і применение для решения ряда важных практических задач, связанных созданием структур микро-, крио- и наноэлектроники являются
і {есомненао, весьма значимыми, что и обуславливает актуалыюсть (анной работы.
Связь работы с крупными научными программам», темами. Работа исполнялась в Белорусском государственном университете інформатики и радиоэлектроники в рамках проекта 04.06.01 Государственной научно-технической программы "Информатика" и ісследовательского проекта Фонда фундаментальных исследований 'еспублики Беларусь N? МП96-55.
Цель настоящей диссертационной работы — экспериментальное селедоастіе структурных особенностей тонких пленок диоксида ирконпя, формируемых высокотемпературным отжигом, включая іетодм импульсного отжига, электрохимически анодированных тонких ленок Zr, и разработка технологических процессов формирования уферных диэлектрических слоев ZrCh, обратной литографии. [ля достижения указанной цели необходимо было решить следующие споямыс задачи:
провести анализ современных методов и средств получения тонкопленочных покрытий диоксида циркония;
экспериментально исследовать процесс формирования диоксида циркония методом электрохимического анодирования тонких пленок циркония, включая пленки, легированные иттрием; провести комплекс исследований по изучению влияния высокотемпературного термического отжига, включая импульсные методы, на свойства тонких пленок диоксида циркония; разработать технологические процессы формирования рельефа буферных покрытий на основе анодных оксидных пленок Zr для формирования конфигурации ВТСП.
Выбор в качестве основного объекта исследования диоксида [ркония продиктован наличием у него ряда весьма интересных физико-мических свойств, позволяющих применять его в различных областях юмышленности. Комплекс нерешенных проблем, возникающих при ірмировании конкретных сверхпроводниковых устройств, получении норазмерных структур и разработке технологических процессов
обратной литографии может быть успешно разрешен при использовании
пленок 2г и ZrO^ в современных технологиях микроэлектроники.
Научная новизна полученных результатов заключается в
следующем:
1. Проведен комплекс исследований свойств высокостабильных термоустойчивых слоев диоксида циркония, формируемых термической обработкой тонких оксидных пленок циркония. Показано, что в результате легирования окисляемой электрохимическим анодированием пленки циркония 10% иттрия происходит стабилизация кубической фазы диоксида циркония при отжиге ее в температурном диапазоне 500-1000С. Установлено, что в слоях пленки, кристаллизующихся непосредственно на подложке, содержание кубической модификации ZrOi в два раза выше, чем в поверхностных слоях. 2. Предложена методика импульсной термической обработки тонких пленок Zr02, полученных электрохимическим анодированием, и пленок Zr, с использованием которой получены слои поликристаллического ZrCh со степенью текстурированности до 94%.
. 3- Установлено, что при температуре отжига 700СС в течение 3 с распределение Zr и О по толщине формируемой анодной пленки Zr02 носит неравномерный характер. Показано, что увеличение продолжительности отжига до 10 с при той же температуре или температуры отжига до 900С способствует формированию стехнометрического диоксида циркония по всей толщине покрытия. . Практическая значимость результатов диссертационной работы: 1. Разработан технологический процесс формирования беспористы* буферных слоев ZrCh кубической модификации методоь электрохимического анодирования тонких пленок Zr, легированны; 10% иттрия.
-
Разработана методика импульсной (секундной) термической обработки топких пленок циркония и анодного диоксида циркония для формирования буферных слоев ZrCh.
-
Разработан технологический процесс обратной литографии по тонким обратным маскам Zr. Удаление обратной маски производится в результате ее высокотемпературной термообработки термообработки, включая методы импульсного (секундного) термического отжига.
-
Разработаны базовые технологические операции формирования рельефа ВТСП с субмикронными размерами активных областей.
Результаты диссертационной работы использованы в Московском авиационном технологическом университете при изготовлении криомикроэлсктронных устройств специального назначения.
Основные положения диссертация, аьшоспмьге на защиту:
-
Формирование тонкопленочных покрытий Z1O2 термической обработкой тонких пленок анодного диоксида циркония и металлического Zr, включая легированные 10% иттрия пленки, приводит к получению высокотекстурнрованных (степень текстурнрованности до 78%) слоев поликристаллического диоксида циркония и кубического ZrCh (степень текстуриропанностн до 96%) в случае легированных пленок.
-
Использование импульсной высокотемпературной термической обработки тонких пленок анодного диоксида циркония позволяет формировать слои поликристаллнческого Zr02 со степенью текстурированности до 94%.
-
Отжиг тонких пленок анодного диоксида циркония при температурах 700С в течение 10 с или 900С в течение 3 с способствует завершению рекристаллизационых процессов в формируемой пленке и получению стехиометрического Zr02 по всей толщине покрытия.
-
Разработанные на основе изученных особенностей поведения диоксида циркония при термообработках технологические процессы получения пленочных покрытий с характеристиками,
пригодными для практического применения в изделиях электронной
техники.
Личный шслад соискателя. Содержание дисссріации отражает
личный вклад автора. Oil заключается в непосредственном участии в
подготовке и проведении автором экспериментов по
электрохимическому анодированию, высокотемпературному
термическому отжигу, включая импульсные методы отжига, в анализе, интерпретации и обобщении полученных экпернментальных результатов.
Апробации работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждапнсь на университетской научно-технической конференции, посвященной 100-летию радио "Современные проблемы радиотехники, электроники и связи" (БГУИР, Минск, 1995г.), международных научно-технических конференциях "Современные средства связи" (Нарочь, 1995г., 1997г., 1998г.), IV международной научно-технической конференции "Современные технологии гибридных интегральных микросхем включая элементы сверхпроводниковой электроники" (Нарочь, 1996г), республиканском научно-техническом семинаре-сессии "Организация и технология средств связи" (Минск, 1996г.), республиканских конференциях "Номатех-96, -98" (Минск, 1996г., 1998г.), V международном симпозиуме "Современные средства отображения информации" (Раков, 1996г.), международной конференции "Solid State Crystals in Optoelectronics and Semiconductor Technology" (Zacopane, 1996r.), V и VI республиканских научных конференциях студентов и аспирантов "Физика конденсированных сред" (Гродно, 1997г., 1998г.), международной конференции "Nanomeeting-97" (Минск, 1997г.), международной конференции "M1PR0'98, 21" International Convention" (Opatija, 1998).
Опублнкованность результатов. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи в научных журналах, 10 статей в научно-технических журналах и сборниках и 5 тезисов докладов в сборника* тезисов конференций. Подано 2 заявки РБ на изобретение, получено 1 положительное решение на получение патента РБ.
Структура ч объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с краткими выводами по каждой главе, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Она включает 99 страниц машинописного текста, 60 рисуііков, !1 таблиц и библиографию in 1S2 наименований.
