Введение к работе
Современные тенденции в развитии микроэлектроники, функциональной электроники требуют синтеза п исследования новых материалов, дешевых и эффективных технологий. В микроэлектронике наиболее широко применяются оксидные пленки - как пассивирующие, защитные, планаризующие покрытия, источники легирующей примеси в процессах диффузии, элементы МОП-структур, чувствительные элементы в датчиках влажности, состава паро-газовой среды, в элементах оптоэлектроники и т.д.
Среди известных способов формирования оксидных пленок золь-гель метод с использованием центрифугирования пленкообразующего раствора на подложке привлекает своей простотой, гибкостью и экономичностью.
Химический состав, оптические и электрофизические параметры, коэффициент термического расширения и другие свойства формируемых из раствора пленок определяются выбором компонентов раствора и их соотношением. Существенное влияние на структуру и свойства таких Пленок оказывает термообработка.
Сегодня оксидные пленки, формируемые золь-гель методом, в микроэлектронике главным образом используют в качестве источника примеси для диффузионного легирования полупроводников. В проводимых ранее исследованиях основное внимание уделяли возможности изменения процентного содержания легирующей примеси в пленке, ее равномерному распределению по поверхности подложки, а также стимулированным термообработкой процессам - диффузии примеси из пленки в подложку и ее электрической активации.
Закономерности же физико-химических превращений в самих пленках при центрифугировании и термообработке, роль легирующих добавок в этих процессах и их связь с сорбционными її оптическими свойствами пленок оказались недостаточно изученными.
Это сдерживает разработку перспективных оптоэлектронных элементов и датчиков внешних воздействий для интегрированных интеллектуальных сенсорных систем.
Решение названных проблем позволит не только создать новые материалы с хорошо управляемыми свойствами, но и разработаїь эффективные технологии формирования элементов и приборов нано- и микроэлектроники на их основе для нового поколения информационных систем.
Работа выполнялась в Белорусском Государственном Университете Информатики и Радиоэлектроники в рамках заданий Республиканских научно-технических программ
«Новые материалы и технологии», «Информатика» . и Межвузовской программы «Интенсивность».
Целью настоящей работы явилось установление закономерностей физико-химических превращении и роли легирующих добавок при получении оксидных пленок термообработкой гель-композиций из водно-спиртовых растворов тетраэтоксисилана и разработка на их основе метода формирования оксидных пленок с управляемыми влагосорбционными и оптическими свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести анализ известных закономерностей процессов, происходящих при формировании гелей из водно-спиртовых растворов тетраэтоксисилана, и определить основные факторы, влияющие на влагосорбциоиные и оптические свойства формируемых из них пленок оксида кремния для применений в микроэлектронике.
-
Установить физико-химические закономерности формирования легированных и нелегированных пленок оксида кремния из водно-спиртовых растворов на основе тетраэтоксисилана.
-
Исследовать электрофизические, влагосорбциоиные и оптические свойства легированных и нелегированных пленок SiO;, сформированных из водно-спиртовых растворов на основе тетраэтоксисилана.
-
Разработать конструкцию, лабораторную технологию изготовления и исследовать тонконлелочный датчик влажности на силикатных пленках, сформированных золь-гель методом.
-
Установлено, что гель-пленки, формируемые центрифугированием из водно-еннртовых растворов тетраэтоксисилана, имеют пористую структуру, зависящую от легирующей добавки. Введение в раствор диссоциирующего соединения фосфора приводит к формированию пористой. глобулярной пленки с глобулами н норами меньшего размера, чем при введении в раствор соединения эрбия. Удельная поверхность таких пленок в 5-J0 раз меньше, чем у обьемных силикад«лсй, что обьясняегся содержанием в золе непрореаі ироиавших алкильных групп.
-
Показано, что плотность оксидных пленок, формируемых центрифугированием и термообработкой из растворов тетраэтоксисилана, зависит от скорости нагрева образцов. При скоростной термообработке со скоростью нагрева 100 град/с в отличие от традиционной длительной іермообрабогкн со скоростью нагрева 24 град/мии, формируются плотные пленки, электрофизические парамеїрьі и показатель преломления которых близки по значению к параметрам термическою Si02. Эго об)словлено сокращением времени
протекания промежуточных реакций гидролиза и поликоиденсации, равномерным прогревом по толщине пленки н пониженной вязкостью геяя.
3. В результате термодинамических расчетов фазообразования в системе
легированный редкоземельными элементами оксид кремния - кремний (подлояпса) для
диапазона температур 20-1100 С показана возможность диффузий редкоземельных
элементов в полупроводниковую подложку только в виде их малоподвижных кислородных
комплексов, что экспериментально подтверждено отсутствием регистрируемой диффузии
эрбия из легированной им пленки оксида кремния в монокристаллический кремний.
-
Впервые получена интенсивная фотолюминесценция при комнатной температуре легированных эрбием пленок оксида кремния, сформированных по золь-гель технологии на пористых подложках кремния и оксида алюминия, и установлено влияние концентрации лепіругошей добавки в пленкообразующем растворе и режима Термообработки на интенсивность фотолюминесценции.
-
Показано, что сорбциоиная активность пленок оксида кремния, легированных фосфором, в отношении паров воды зависит от концентрации фосфорной кислоты в пленкообразующем растворе тетраэтоксисилапа, что связано с установленным изменением удельной поверхности формируемых из этих растворов пленок.
-
Разработаны пракгические рекомендации по формированию оксидных пленок из пленкообразующих растворов тетраэтоксисилапа центрифугированием с последуюшей термообработкой, включая скоростные (секундные) процессы.
-
Получены оптические трансформаторы из видимой области в область 1.54 мкм с применением легированных эрбием пленок оксида кремния на подложках с наноразмерными порами и определена возможность управления интенсивностью излучения посредством изменения толщины пористого слоя, концентрации эрбия, температуры обработки.
-
Разработан и предложен метод заполнения наноразмерпых пористых слоев в кремнии и анодном оксиде алюминия водно-спиртовыми пленкообразующими растворами тетраэтоксисилапа и форуирования при термообработке в порах и на поверхности пористых слоев оксида кремния, что перспективно для грунтовки пористых подложек.
-
Разработана И предложена экономичная лабораторная технология изготовления датчиков влажности с чувствительным слоем из легированного фосфором пористого оксида кремния, совместимая с базовыми процессами микроэлектроники. Изготовлены экспериментальные образцы датчиков влажности, имеющие основные характеристики: чувствительность на уровне 1 пФ/% при относительной влажности паро-газовой среды 2-50?-^ и ПО пФ/% при относительной влажности паро-газовой среды 51-9Я %, стабильность градуировочной характеристики на уровне ± 1% в течение не менее 3 мес, времена срабатывания 5-35 с, что в комплексе соответствует Параметрам известных датчиков влажности, изготовленных другими методами.
