Стимулированное плазмой осаждение пленок диэлектриков с низкой диэлектрической постоянной

Вопрос

Вопрос

Вопрос

Отражая многогранность и сложность взаимодействия объективных и субъективных факторов, действующих в производственных системах, управленческие решения отличаются многообразием форм. Классификация управленческих решений позволяет систематизировать информацию и ситуации (табл. 6.1).

Обычно в принятии управленческого решения присутствуют в различной степени три момента: интуиция, суждение и рациональность.

Способ принятия управленческого решения, основанный только на суждении, не очень надежен, так как здравый смысл встречается достаточно редко, хотя метод является достаточно дешевым и быстрым.

Суждение очень часто невозможно соотнести с ситуацией, которая прежде имела место, а менеджер стремится действовать так, как действовал раньше в другой ситуации, а потому рискует упустить хороший результат в новой ситуации, сознательно или бессознательно отказываясь от ее детального анализа.

Интуитивные решения основаны на ощущении того, что выбор человека правилен. Характерны для оперативного управления.

Классификация управленческих решений

В основе решений, основанных на суждении, лежат знания, осмысленный опыт прошлого и здравый смысл. Характерны для оперативного управления.

Рациональные решения основаны на методах экономического анализа, обоснования и оптимизации. Характерны для стратегического и тактического управления.

Менеджер, ориентирующийся только на интуицию, становится заложником случайности, и его шансы на правильный выбор решения не очень высоки.

Управленческие решения принимаются людьми, а потому их характер во многом зависит от личности менеджера, непосредственно участвующего в их разработке.

Уравновешенные решения принимает менеджер, внимательно и критически относящийся к своим действиям, выдвигаемым гипотезам и их проверке.

Импульсивные решения характерны для менеджера, который легко генерирует самые разнообразные идеи в неограниченном количестве, но не в состоянии их как следует проверить, уточнить, оценить.

Инертные решения – результат осторожного поиска менеджера. В них уточняющие и контролирующие действия преобладают над генерированием идей, где трудно обнаружить оригинальность, новаторство, блеск.

Если менеджер не нуждается в тщательном обосновании своих гипотез, уверен в себе, то может не испугаться любых трудностей и принять рискованные решения.

Осторожные решения появляются тогда, когда менеджер тщательно оценивает все варианты, критично подходит к делу. Решения не отличаются новизной и оригинальностью.

Принимаемое менеджером управленческое решение должно отвечать следующим требованиям:

• быть научно обоснованным, компетентным;

• приниматься на основе достоверной, полной и своевременной информации с анализом и оценкой возможных альтернатив;

• быть непротиворечивым;

• иметь ясную направленность и адресность;

• отличаться своевременностью и быстродействием;

• обладать точностью и ясностью;

• быть контролируемым;

• иметь комплексный характер;

• обладать полномочностью;

• быть экономичным и эффективным.

Процесс подготовки и реализации управленческого решения предусматривает выполнение в определенной последовательности целого ряда работ, включающих фазу принятия и фазу реализации управленческого решения (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Алгоритм подготовки и реализации управленческих решений

При разработке управленческого решения очень важно правильно выбрать критерии – показатели, характеризующие варианты решений и используемые для оценки и выбора.

Очень важно при этом определить вес (значимость) критерия – количественное выражение относительной важности каждого используемого для оценки и выбора критерия в сравнении с остальными критериями.

Действенность принимаемого менеджером управленческого решения существенно зависит от правильного выбора степени участия подчиненных в принятии и осуществлении решения. При этом возможно как полное неучастие подчиненных (решение принимается менеджером единолично), так и совместная с менеджером выработка и принятие решения (коллективное решение).

Основные факторы выбора степени участия – квалификация подчиненных, их добросовестность и ответственность.

В системе принятия управленческих решений выделяют управленческую операцию и управленческую процедуру.

Управленческая операция – технологически нерасчленимый процесс обработки управленческой информации, поступающей в данное структурное подразделение (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Управленческая операция

Управленческая процедура – комплекс взаимосвязанных в определенном порядке управленческих операций и документов, направленных на достижение фиксированной цели (рис. 6.3).

Сложность и взаимозависимость технических, организационных, социально-экономических и других аспектов управления привели к необходимости разработки специальных методов, облегчающих обоснование и выбор управленческих решений в условиях неопределенности.

Для устранения неопределенности, причиной которой является наличие многих критериев, используют опыт, интуицию лица, принимающего решения.

Под неопределенностью понимается неполнота или неточность информации об условиях реализации решения, в том числе связанных с ними затратах и результатах. Неопределенность, связанная с возможностью возникновения в ходе реализации решения неблагоприятных ситуаций и последствий, характеризуется понятием риска.

Рис. 6.3. Управленческая процедура

Ценность и своевременность управленческого решения в огромной степени зависят от способности менеджера в нужный момент произвести сбор, анализ и толкование информации.

Информационное обеспечение – одна из важнейших обеспечивающих функций, качество которой является определяющим фактором обоснованности принимаемого решения и эффективности функционирования системы менеджмента. В динамике информационное обеспечение как процесс входит в понятие «коммуникация».

Коммуникация – процесс обмена информацией между двумя и более людьми.

Цели коммуникаций:

- обеспечение эффективного обмена информацией между объектом и субъектом менеджмента;

- совершенствование межличностных отношений в процессе обмена информацией;

- создание информационных каналов для обмена информацией между отдельными сотрудниками и группами, для координации их задач и действий;

- регулирование и рационализация информационных потоков.

В зависимости от способа обмена информацией различают:

• межличностные, или организационные, коммуникации на основе устного общения (рис. 6.4);

• коммуникации на основе письменного обмена информацией. Особую роль играют неформальные коммуникации. Наличие неформальных коммуникаций связано со стремлением работников знать ту информацию, которую они не могут получить с помощью формальных организационных коммуникаций.

Информация, передаваемая по каналам неформальных коммуникаций, прежде всего относится к новым мерам наказаний, изменениям в структуре организации, конфликтам в руководстве организации и т.д. Система неформальных коммуникаций способна создавать слухи, что может отрицательно сказаться на эффективности коммуникаций.

При организации коммуникационных сетей на предприятии необходимо учитывать специфику различных типов и каналов коммуникаций на каждом из следующих этапов коммуникационного процесса:

–> зарождение идеи или отбор информации;

–> выбор канала передачи информации;

–> передача сообщения;

–> интерпретация сообщения.

В процессе коммуникаций выделяют четыре базовых элемента:

– отправитель;

– сообщение;

– канал или средство передачи информации;

– получатель.

Коммуникация считается успешной, если получатель информации понимает ее содержание адекватно тому смыслу, который в нее вкладывает отправитель (менеджер).

Рис. 6.4. Межличностные коммуникации

Все, что потенциально позволяет снизить степень неопределенности, должно считаться информацией. Информация – это факты, оценки, прогнозы, обобщение связи, слухи и т.д.

Основные требования к качеству информации:

- комплексность информационной системы;

- своевременность;

-достоверность (с определенной вероятностью);

- достаточность;

- надежность;

- адресность;

- правовая корректность;

-многократность использования;

- высокая скорость отбора, обработки и передачи;

- возможность кодирования;

- актуальность.

Сегодня информация рассматривается как глобальный процесс, связанный с кардинальными изменениями структуры и характера мирового экономического и социального развития, с переходом к новым поколениям наукоемких технологий, системам техники и материалов и новым видам информационного обмена, решающим образом меняющих характер труда и условия жизни человека.

Информатизация – объединенный и закономерный этап, через который в той или иной форме должно пройти каждое общество, вступившее на путь интенсивного развития.

Можно выделить два этапа информатизации в XXI в. Первый этап информатизации включает решение следующих главных проблем:

• подготовка, ведение, корректировка правовых и хозяйственных норм, обеспечивающих функционирование информации в качестве товара, с учетом общепризнанных в мировой практике норм;

• формулирование и введение базовых стандартов, регламентирующих форму представления, способы обработки и передачи информации (протоколы обмена, интерфейсы и т.д.) с учетом международных стандартов аналогичного назначения;

• обеспечение компьютерной грамотности и информационной культуры населения; перестройка учебного процесса и развитие сети переподготовки кадров с широким привлечением международных учебных центров;

• создание и развитие основных компонентов инфраструктуры информатизации: общегосударственной системы передачи данных, государственной системы баз данных, единой автоматизированной системы средств связи;

• разработка и начало формирования рынка информационных продуктов и услуг, участвующего в мировом разделении труда;

• использование экономических механизмов централизованного планирования, индикативного управления и свободного рынка с целью обеспечения приоритетного развития производства материалов нового поколения, микроэлектроники и радиоэлектроники.

На втором этапе развития информатизации можно ставить следующие задачи:

• удовлетворение потребности всех сфер социально-экономического развития в использовании распределенных баз данных;

• осуществление полного взаимодействия общегосударственных информационных инфраструктур через международные сети связи с базами данных и знаний;

• осуществление масштабного применения интегрированных систем обработки информации;

• использование систем массового информационного обслуживания населения через электронную почту и Интернет;

• создание конкурентоспособных интеллектуальных производств информационных продуктов и услуг;

• развитие фундаментальных исследований в области искусственного интеллекта, предусматривающее решение многих проблем;

• создание высокопроизводительных вычислительных средств с нетрадиционной архитектурой (многопроцессорные, нейтронные, оптические, молекулярные и т.п.);

• развитие фундаментальных работ в кооперации с международными научными центрами, создание открытых «научных парков» в области создания систем искусственного интеллекта;

• активное использование информационных мультимедийных технологий в открытом образовании.

В практике менеджмента используется техника управления, представляющая собой взаимоувязанный комплекс технических средств, предназначенный для механизации и автоматизации информационных процессов в системе управления организацией с целью выработки рациональных решений. Выделяют средства сбора и регистрации, передачи, ввода, накопления, обработки, вывода, отображения и размножения информации.

Средства сбора и регистрации информации осуществляют фиксацию первичной информации в месте ее возникновения на документальный или машинный носитель (ленты, диски) с одновременным получением машинного документа на печатающем устройстве или дисплее (мониторе).

Средства передачи информации осуществляют передачу информации от источника сообщения до получателя по каналам почтовой, телефонной, телеграфной, мобильной, оптической, радио– или космической связи на значительное расстояние. Они позволяют существенно сократить время и скорость передачи информации по сравнению с курьерской и почтовой связью.

Средства ввода-вывода информации предназначены для ввода исходных данных в ЭВМ с голоса человека, ручных документов, магнитоносителей и экранов дисплеев, а также для вывода результативной информации в виде речевой информации, машинных документов на бумаге, экране дисплеев или тех же магнитоносителях.

Средства накопления информации предназначены для хранения документальной информации или систематизированной закодированной информации на машинных носителях со стирающейся записью (магнитные диски, дискеты, ленты, кассеты).

Средства обработки информации производят арифметические и логические операции над входной информацией по заранее составленным человеком программам. Программа обработки может изменяться и совершенствоваться, за исключением программы обработки информации в калькуляторах, в которых она жестко определена конструкцией машины.

Средства отображения информации осуществляют представление алфавитно-цифровой и графической информации на мнемосхеме, экране дисплея или в виде чертежа на графопостроителе. Отображение информации производится по командам ЭВМ или с автономного накопителя на магнитных дисках.

Средства размножения информации производят изготовление копий документов и чертежей с возможным изменением их геометрических размеров. Средства предусматривают размножение информации с использованием специальных свето-, фото– и термочувствительных бумаги или пленки.

Диэлектрическая постоянная материала, обозначаемая как k в зарубежной технической литературе и как ε в отечественной технической литературе, также называется относительной диэлектрической проницаемостью материала (относительно вакуума с диэлектрической проницаемостью или электрической постоянной ε₀ = 8,85×10^-12 Ф/м, для которого k = 1).

Диэлектрические материалы, имеющие диэлектрическую постоянную в диапазоне 2 ≤ k < k (SiO₂) = 3,9, называются диэлектриками с низкой диэлектрической постоянной (НДП) или low k dielectrics, а материалы с k < 2,0 называются диэлектриками с ультранизкой диэлектрической постоянной (УНДП) или ultra low kdielectrics.

Так при использовании в качестве металлизации алюминиевых сплавов (Аl-1%Si-0,5%Сu, Аl-0,5%Сu) с удельным сопротивлением ρ = 3,0 мкОм×см и толщиной l_th = 0,8 мкм, а в качестве межслойного диэлектрика двуокиси кремния с диэлектрической постоянной (ДП) k = 3,9, задержка сигнала в проводящих линиях микропроцессоров (τ_пл) становится больше задержки сигнала в транзисторах (τ_тр) для уровня технологии (УТ) 250 нм, т.е. τ_пл > τ_{тр .}

Для того чтобы не ограничивать быстродействие ИМС системой металлизации по мере повышения степени интеграции, необходимо не только уменьшить емкость между слоями металлизации, но и минимизировать емкостную связь между близко расположенными линиями металлизации в одном слое, которая ведет к потере мощности и возникновению перекрестных помех. Поэтому для УТ меньше 250 нм в качестве межслойных диэлектриков (ILD)используются изоляционные материалы с низкой диэлектрической постоянной (НДП)по сравнению с двуокисью кремния.

В настоящее время в технологии производства ИМС используются диэлектрики с ДП в диапазоне 3,7 - 1,7 на основе кремния, на основе углерода, и на основеих комбинаций (см. таблицу 1), которые формируются методами ХОГФ (в том числе ПА ХОГФ) и нанесением из растворов с помощью центрифугирования с последующей сушкой и уплотнением в нагревательных камерах (печах). В последнем случае диэлектрики называются жидкими стеклами (SOG).

Таблица 1 Свойства диэлектриков с низкой диэлектрической постоянной

Наименование материала	Обозначение	Химическая формула	Значение диэлектрической постоянной, k
Фторолегированное силикатное стекло	FSG	(SiO2)(Si2O3F2)1-x	3 - 3,5
Водородный силсесквиоксан	HSQ	Кремнийорганический материал	2,9 - 3,5
Метил силсесквиоксан	MSQ	Кремнийорганический материал	2,5 - 3
Аморфный углерод	C^a(a-C)	С	2,7 - 3,2
Аморфный фторуглерод	FC^a(a-FC)	C[F]	2,3 - 2,8
Алмазоподобный углерод	DLC	C	2,7 - 3,2
Алмазоподобный фторуглерод	FDLC	C[F]	2,3 - 2,8
N - парилен	N-PRL	органический полимерный материал	2,5 - 2,7
F - парилен	F-PRL	органический полимерный материал	2,2 - 2,3
D - парилен	D-PRL	органический полимерный материал	2,4 - 2,6
Сополимер на основе N-парилена	N-PRLCP	органический полимерный материал	1,8 - 2,3
Черный алмаз	BD	SiO2 – подобный материал	2,3 - 2,7
Черный алмаз с высокой пористостью	HPBD	SiO2 – подобный материал с высокой пористостью	1,8 - 2,3

Составы растворов диэлектриков с НДП обычно уникальны, патентуются фирмами изготовителями и имеют высокую рыночную стоимость, а формируемые диэлектрики обладают строго определенными свойствами. Тогда как для получения диэлектриков с НДП методом ХОГФ используются обычные дешевые реагенты, а свойства осаждаемых диэлектриков можно регулировать процессными параметрами.

Диэлектрики с НДП на основе кремния имеют большие значения k и большую абсорбционную способность влаги по сравнению с диэлектриками с НДП на основе углерода, но обладают более высокими термической стабильностью, механической твердостью и адгезией, а также более совместимы с технологическими операциями производства ИМС, особенно с операциями химико-механической планаризации.

Кроме того, фторсодержащая плазма, используемая при травлении кремнийсодержащих функциональных слоев через органические фоторезистивные маски, может применяться и для травления диэлектриков с НДП на основе кремния, тогда как кислородосодержащая плазма, необходимая для травления диэлектриков с НДП на основе углерода, приводит к потере селективности их травления относительно органических фоторезистивных масок.

Другая группа диэлектриков с НДП на основе кремния представляет собой кремнийорганические материалы - силсесквиоксаны. Силсесквиоксаны - это силикатные материалы, имеющие одну обрывающуюся группу к атому кремния. Такой группой может быть водород (Н) (водородный силсесквиоксан), метил (СН₃) (метил силсесквиоксан) или фенол (С₆Н₅O) (фенол силсесквиоксан). В результате силикатная структура разрушается, а формируются трехмерные клеточные или лестничные структуры. Водородный силсесквиоксан обладает высокой пористостью и имеет минимальное значение k = 2,9.

Если группа содержит углерод, то повышение его концентрации понижает значение ДП. Например, метил силсесквиоксан с концентрацией углерода 25 ат. % имеет k < 2,5.

Снижение содержания углерода повышает величину ДП (k)пленки, а повышение пористости уменьшает ее. Однако низкая концентрация углерода делает пленки метил силсесквиоксан более похожими на пленки двуокиси кремния, что способствует их более простой интеграции в существующие технологические процессы.

Одним из способов получения пористых SiO₂- подобных пленок диэлектриков с НДП, получивших из-за своего вида и цвета название «черный алмаз» (blak diamond films – BD films), являются плазмоактивированные процессы ХОГФ BD (R-SiH₄/O₂) и (R- SiH₄/N₂O), реализуемые при комнатной температуре подложек для обеспечения предельно высокого коэффициента прилипания осаждаемых фрагментов пленок. Осаждаемые ВD пленки имеют пористую структуру типа силсесквиоксанов, характеризуются значениями k в диапазоне 2,9 - 2,5 и могут подвергаться последующей тепловой обработке для удаления захваченных в процессе осаждения газообразных продуктов.

В отличие от пленок силсесквиоксанов, получаемых из смесей силана или органосиланов с перекисью водорода, ВD пленки из-за высокого коэффициента прилипания плохо заполняют и планаризируют топологический рельеф. Поэтому они в основном применяются в качестве межслойных (межметалльных) диэлектриков в дамасской технологии формирования систем металлизации. Кроме того, ВD пленки осаждаются в стандартных промышленных планарных реакторах ПА ХОГФ, не требующих специальных систем подачи реагентов, таких, как используются для подачи нестабильной перекиси водорода. Это позволяет получать низкую себестоимость процессов осаждения ВD пленок.

Диэлектрики с НДП на основе углерода совсем не содержат в своем составе кремний и могут легко осаждаться в плазмоактивированных ХОГФ процессах в стандартных промышленных планарных реакторах и в источниках с плазмой высокой плотности. К таким диэлектрикам относятся пленки (см. табл.1): аморфных углерода (АУ - а-С) и фторуглерода (АФУ - а-FС), а также алмазоподобных углерода (АПУ - DLC) и фторуглерода (АПФУ - FDLC).

При ПА ХОГФ всех этих пленок в качестве источника углерода используется метан (СН₄), к которому при осаждении фторуглеродов добавляются источники фтора: фтор (F₂), хладон-14 (СF₄), хладон-116 (С₂F₆), хладон-218 (С₃F₈) и т.д. Механизм осаждения подобен ПА ХОГФ пленок USG в плазмоактивированных процессах на основе силана. Процессы осаждения таких пленок с использованием плазмы высокой плотности и аргона обеспечивают лучшее заполнение топологического рельефа.

Пленки АУ и АПУ имеют значение k в диапазоне 2,7 - 3,5 в зависимости от молекулярной структуры и содержания водорода. Добавка фтора понижает значение ДП пленок АФУ и АПФУ до 2,5, но подобно добавке фтора в пленки USG приводит к ухудшению термостабильности углеродных пленок.

В конечном счете, не значение величины k определяет выбор диэлектрика с НДП, а легкость и стоимость его формирования и интеграции в технологические процессы производства ИМС. Логические ИМС и особенно микропроцессоры являются основными и выдвижении требований к малым временам задержки сигналов τ = RС,а, следовательно, низким значениям емкости межслойных диэлектриков и сопротивления систем металлизации. Микропроцессоры требуют систем металлизации на основе меди не только из-за ее меньшего удельного сопротивления по сравнению с алюминием, но и для снижения себестоимости изделий за счет уменьшения количества слоев металлизации и повышения выхода годных. Это означает, что диэлектрики с НДП должны быть интегрированы с медными системами металлизации по технологической схеме дамасского процесса.

Поэтому диэлектрики с НДП должны иметь хорошую адгезию к меди, барьерным слоям, пленкам нитрида кремния и быть механически прочными, чтобы выдерживать химико-механическую планаризацию меди. Исходя из этих требований диэлектрики с НДП на основе кремния, такие как FSG и ВD, обеспечивающие значения k в диапазоне 3,7-2,5 более предпочтительны. Они травятся в известных газовых смесях, совместимы с кремнийсодержащими функциональными слоями, имеют достаточную механическую прочность и хорошую адгезию к барьерным слоям и пленкам меди.

Промышленное применение и получение диэлектриков с k < 2,5 требует сложного технико-экономического анализа:

- либо совершенствовать диэлектрики с НДП на основе кремния, типа ВD, создавая в них большую пористость и повышая концентрацию углерода, но при этом решая проблемы уменьшения механической прочности и влагостойкости;

- либо использовать диэлектрики с НДП на основе углерода, типа сополимеров N-париленов, но при этом решая задачи с их интеграцией в существующие технологические процессы производства ИМС.

Плазмоактивируемые процессы атомно-слоевого осаждения пленок диэлектриков с высокой диэлектрической постоянной.

Диэлектрики с высокой диэлектрической постоянной (ВДП) (high k dielectrics) имеют значения k > k (SiO₂) = 3,9 и две основные области применения:

1) в качестве подзатворных диэлектриков полевых МОП транзисторов в логических ИМС;

2) в качестве диэлектриков конденсаторов в ячейках памяти запоминающих устройств (ЗУ).

Для уровня технологии (УТ) 90 нм в полевых транзисторах логических ИМС толщина подзатворного термического окисла кремния (SiO₂) уменьшается до значений 1,2 - 1,8 нм. Такие малые толщины подзатворного SiO₂ приводят к возникновению следующих проблем.

1. Из-за эффекта прямого туннелирования через тонкий окисел резко возрастает ток утечки затвора I_g, который становится больше предельно допустимого подпорогового тока утечки ИМС I_off,

2. Увеличивается диффузионное проникновение бора из высоколегированных поликремниевых затворов р-МОП транзисторов в область канала, которое приводит к нежелательному сдвигу порогового напряжения этих транзисторов в положительную область.

3. Несмотря на высокое легирование поликремниевых затворов сильное электрическое поле, прикладываемое к тонкому подзатворному окислу дли того, чтобы обеднить, и затем и инвертировать каналы транзисторов, также обедняет область поликремния рядом с границей раздела Si*-SiO₂. Эта обедненная область добавляет от 0,2 до 0,5 нм к электрически эффективной толщине окисла в зависимости от уровня легирования поликремния, что приводит к нестабильной работе ИМС. Поэтому легированный поликремний в затворах должен быть заменен более проводящими материалами, такими как тугоплавкие металлы и их нитриды.

Основным подходом к уменьшению значения I_g является использование подзатворных диэлектриков с ВДП.

Такие диэлектрики с толщиной t_d, будут электрически эквивалентны термической двуокиси кремния с толщиной t_eqox, определяемой по следующей формуле:

(1)

Полевой транзистор с подзатворным диэлектриком с ВДП толщиной t_d имеет одинаковую затворную емкость, а, следовательно, и одинаковые значения других электрических характеристик с транзистором с подзатворной термической двуокисью кремния толщиной t_eq.ox.

Так как k > 3,9, то t_d > t_eq.ox, поэтому ток прямого туннелирования через диэлектрик с ВДП, сильно зависящий от толщины подзатворного диэлектрика, становится значительно меньше по сравнению с током туннелирования через SiO₂. Например, используя в качестве подзатворного диэлектрика оксинитрид кремния (ОНК) с k = 6,5, физической толщиной t_d = 2,5нм и электрически эквивалентной толщиной t_eq.ox =1,5нм, определяемой по формуле (1), можно уменьшить ток утечки затвора I_g на два порядка по сравнению с подзатворным диэлектриком из термической двуокиси кремния с физической толщиной t_ox = 1,5 нм.

Кроме обеспечения приемлемых значений тока утечки через затвор подзатворные диэлектрики с ВДП должны удовлетворять следующим требованиям.

1. Образовывать качественную границу раздела с монокристаллическим кремнием с низкими значениями (< 10¹¹ см²) концентрации поверхностных состояний и плотности фиксированного заряда.

2. Быть совместимыми как с поликремниевыми, так и с металлическими затворами.

3. Иметьстабильную аморфную или мелкокристаллическую структуру, не изменяющуюся в результате термообработок при изготовлении ИМС.

4. Препятствовать проникновению бора из высоколегированных поликремниевых затворов р-МОП транзисторов в область канала.

5. Формироваться на производительном оборудовании в процессах, совместимых с технологическими операциями КМОП технологии и имеющих приемлемую для массового производства стоимость.

Используемые в микроэлектронике диэлектрики с ВДП приведены в таблице 3.6, из которых требованиям, предъявляемым к подзатворным диэлектрикам, в наибольшей степени удовлетворяют слои Аl₂O₃, ZrO₂ и НfО₂, а также их комбинации (Аl₂O₃/НfО₂ = х / у) и их соединения, типа алюминатов (ZrАl_хО_y), силикатов (НfSi_xO_y), алюмооксинитридов (HfAlON) и кремнийоксинитридов (НfSiON).

Для уровней технологии (УТ) 90 и 65 нм выполнение требования 1 обычно осуществляется введением тонкого (< 0,5 нм) промежуточного слоя SiO₂, формируемого с помощью быстрого термического окисления или обработки в кислородосодержащих жидких, газовых и плазменных средах, между монокремнием и диэлектриком с ВДП.

Тонкие (<10нм) пленки Аl₂O₃, ZrO₂, НfО₂, ZrАl_хО_y, НfSi_xO_y, HfAlON и НfSiON) для подзатворных диэлектриков осаждаются в процессах атомно-слоевого осаждения (АСО):

1) ПА АСО Аl₂O₃ (ТМА-Аr {Аr} Н₂ плазма), РА АСО Аl₂O₃ (ТМА-Аr {Аr} O₃);

2) ПА АСО ZrO₂ (ТВOZ-Аr {Аr} Н₂ плазма), РА АСО ZrO₂ (ТВOZ-Аr {Аr} O₃);

3) ПА АСО НfО₂ (ТЕМАН-Аr {Аr} O₂ плазма), РА АСО НfО₂ (ТЕМАН-Аr {Аr} О₃);

4) РА АСО ZrАl_хO_у (ZrСl₄-Аr {Аr} АlСl₃-Аr {Аr} O₃);

5) РА АСО НfSi_xO_y (ТЕМАН-Аr {Аr}SiСl₄-Аr{Аr}O₃);

6) ПА АСО HfAlON (ТЕМАН -Аr {Аr} ТМА-Аr {Аr} N₂O плазма).

При переходе к более высокому уровню технологии (УТ) размеры ячеек памяти динамических оперативных запоминающих устройств (ДОЗУ) уменьшаются, а, следовательно, сокращается площадь, занимаемая конденсаторами хранения, и для сохранения их емкости необходимо делать более тонким диэлектрик между обкладками.

Так в ДОЗУ с УТ 180 нм электрически эквивалентная толщина пленок нитрида и оксинитрида кремния, используемых в качестве диэлектриков конденсаторов, настолько тонкая (t_eqox = 3нм), что ток туннелирования через них превышает допустимый предел (10^-8 А/см²) при используемых напряжениях 1,25 В.

Поэтому в конденсаторах ДОЗУ следующих УТ необходимо переходить к диэлектрикам с ВДП, наиболее часто из которых используются пленки окиси тантала (Та₂O₅), окиси алюминия (Аl₂O₃), окиси циркония (ZrO₂), окиси гафния (НfO₃). В последнее время стали интенсивно исследоваться пленки барий стронций титаната (см. табл. 2).

Таблица 2. Свойства диэлектриков с высокой диэлектрической постоянной

Материал, (химическая формула)	Значение диэлектрической постоянной, k	Ширина запрещенной зоны, эВ	Кристаллическая структура
SiO2	3,9	8,9	Аморфная
Si3N4	7,0	5,1	Аморфная
Al2O3	9,0	8,7	Аморфная
Y2O3		5,6	Кубическая
ZrO2		7,8	Моноклинная, тетрагональная кубическая
Та2O5		4,5	Ромбическая
Lа2O3		4,3	Гексагональная, кубическая
HfO2		5,7	Моноклинная, тетрагональная, кубическая
TiO2		3,5	Тетрагональная
Барий стронций титанат (ВSТ) (ВаxSr1-x)TiO3	300 (d = 10 - 30 нм) (0,5 < х < 0,7)		Типа перовскита

В ДОЗУ применяются столбчатые и канавочные (траншейные) конденсаторы. Диэлектрики для столбчатых конденсаторов, как правило, осаждаются в обычных ПА ХОГФ процессах, а для осаждения диэлектриков канавочных конденсаторов более перспективны процессы ПА (РА) АСО. Так как в конденсаторах ДОЗУ обычно используются поликремниевые электроды со специально развитой (шершавой) поверхностью, то к процессам ПА ХОГФ конденсаторных диэлектриков предъявляется требование конформного осаждения на развитые поверхности топологического рельефа, а в случае канавочных конденсаторов - на развитые поверхности топологического рельефа с высоким аспектным отношением (АR > 6).

Пленки барий стронций титаната (BST) являются наиболее перспективными в качестве конденсаторных диэлектриков для будущих поколений ДОЗУ с УТ меньше 90 нм благодаря высоким значениям диэлектрической постоянной (ДП - k).Для объемного барий стронций титаната характерны значения ДП до 2000, а пленки толщиной несколько десятков нанометров имеют типичные значения k в диапазоне 200 - 400. ВSТ представляет собой кристаллический окисный материал со структурой типа перовскита и химической формулой (Вa_xSr_1-x)ТiO₃. Композиция ВSТ, обычно используемая в конденсаторах ДОЗУ, имеет состав 0,5≤ x ≤0,7 (см. табл. 2).

Специфические требования к диэлектрическим свойствам пленок ВSТ в ячейках ДОЗУ являются функцией геометрии конденсатора хранения. Минимальное количество заряда в ячейке ДОЗУ, которое может быть уверенно детектировано чувствительным усилителем, составляет 25 fF/ячейка (fF - фемто фарад = 10^-15 фарад). Полагая трехмерную геометрию узла хранения заряда в ячейке ДОЗУ, объем которого равен 3×l×l×h, где l - минимальный размер элемента, характеризующий уровень технологии (УТ); h -высота узла хранения, можно рассчитать минимальную поверхностную емкость пленки ВSТ С₈ в fF/мкм², которая обеспечит необходимое количество заряда в ячейке ДОЗУ 25 fF/ячейка.

Так для УТ 150 нм с l = 0,15 мкм и h = 0,3 мкм минимальная поверхностная емкость пленки ВSТ должна быть не менее 80 fF/мкм². Кроме того, ток утечки и тангенс угла диэлектрических потерь этой пленки не должны превышать значений соответственно 1 × 10^-8 А/см² и 0,006.

В процессах ПА ХОГФ пленок ВSТ в качестве реагентов используются металлоорганические соединения бария, стронция и титана, приведенные в таблице 3.6 В качестве растворителей применяются бутилацетат и тетрагидрофуран. При осаждении пленок ВSТ существует проблема: с одной стороны, необходима достаточно высокая температура, чтобы получить хорошую кристалличность перовскитовой фазы, а с другой - температура должна быть достаточно низкой для обеспечения хорошей степени конформности процесса осаждения. Поэтому обычно выбираются температуры, при которых процесс осаждения проходит в кинетической области, но близкие к температуре перехода и диффузионную область. Температура осаждения в плазмоактивированных процессах ХОГФ составляет 250 – 300 °С.

После осаждения пленки ВSТ отжигают при температуре 500 – 700 °С в окислительной (O₂, N₂O) или инертной (N₂) среде, чтобы улучшить их электрические характеристики.

Одним из основных фактором контроля электрических свойств пленок ВST является процентное содержание в них титана, который определяется как n(Ti) = [Тi] 100/([Ва] + [Sr] + [Ti]). Оптимальные электрические свойства пленок ВSТ соответствуют n(Ti) = 51 %. Эксперименты показывают, что n(Ti) = 51 % в пленках ВSТ легко обеспечивается при расходах титановых реагентов в диапазоне 20 - 80мг/мин.

К большому сожалению, пленки ВSТ несовместимы с материалами электродов, применяемых в кремниевых технологиях, таких как А1, Si*, ТiSi₂, ТiN, и требуют использования в качестве электродов пленок платины (Рt), рутения (Ru), окиси рутения (RuO₂) или окиси иридия (IrO₂). Однако применение указанных материалов электродов вызывает целый ряд проблем, связанных с трудностями плазмохимического травления и обеспечения хорошей адгезии, и необходимостью проведения научно-исследовательских работ для их внедрения в производство ДОЗУ.

Дата добавления: 2014-01-15