Элионная технология в микро- и наноиндустрии

№ 1335

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Êàôåäðà òåõíîëîãèè ìàòåðèàëîâ ýëåêòðîíèêè

Ã.Ä. Êóçíåöîâ
À.Ð. Êóøõîâ
Á.À. Áèëàëîâ

Ýëèîííàÿ òåõíîëîãèÿ 
â ìèêðî- è íàíîèíäóñòðèè

Êóðñ ëåêöèé

Ðåêîìåíäîâàíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì
ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà

Ìîñêâà   Èçäàòåëüñêèé Äîì ÌÈÑèÑ
2008

УДК 621.315 
 
К89 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. В.В. Антипов 

Кузнецов Г.Д., Кушхов А.Р., Билалов Б.А. 
К89  
Элионная технология в микро- и наноиндустрии: Курс лекций. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2008. – 156 с. 

В учебном пособии рассматриваются закономерности изменения параметров тонкопленочных гетерокомпозиций материалов электронной техники 
при воздействии электронных, ионных потоков и низкотемпературной плазмы для микро- и наноразмерных устройств с улучшенными характеристиками. Цель данного пособия – формирование современных представлений и 
достижений в области микро- и наноиндустрии. 
Учитывая, что в рассматриваемых процессах основную роль играют 
электроны и ионы, принято для краткости называть технологию элионной. 
Соответствует программе курса «Элионная технология в микро- и наноиндустрии».  
Предназначено 
для 
подготовки 
специалистов 
по 
направлению 
210100 «Электроника и микроэлектроника» и может быть полезно для обучающихся по направлению 210600 «Нанотехнология», 210601 «Нанотехнология в электронике» и по специальности 210602 «Наноматериалы». 

 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
Тема 1. Ионно-плазменное осаждение слоев.........................................5 
1.1. Стимулированное плазмой осаждение пленок оксидов ............5 
1.2. Плазмохимическое осаждение пленок нитридов .....................18 
1.3. Электроискровое нанесение слоев.............................................27 
Тема 2. Применение ионной имплантации ..........................................42 
2.1. Особенности ионной технологии...............................................42 
2.2. Применение ионного легирования в планарной  
технологии...........................................................................................50 
2.3. Имплантация примеси в многослойные гетерокомпозиции ...64 
Тема 3. Особенности применения электронных процессов в 
электронике.............................................................................................71 
3.1. Перспективы электронной технологии в электронике ............71 
3.2. Температурное поле в зоне обработки электронами................81 
Тема 4. Литографические методы  в микро- и наноэлектронике.......86 
4.1. Возможности оптической литографии ......................................86 
4.2. Электронно-лучевая литография ...............................................98 
4.3. Голографическая и рентгеновская литография ......................105 
4.4. Ионно-лучевая литография.......................................................116 
4.5. Ограничения процессов в литографии ....................................120 
4.6. Примеры получения устройств  микро- и наноиндустрии....129 
Заключение............................................................................................154 
Библиографический список.................................................................155 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Разработка современных и перспективных устройств микро- и наноэлектроники, микросистемной техники практически невозможна 
без использования направленных потоков частиц и излучений, а также плазмы электрического разряда для получения пленочных материалов, многослойных гетерокомпозиций и заданного топологического рисунка. 
Настоящий курс лекций является продолжением курсов «Физика 
взаимодействия частиц и излучений с веществом» и «Ионноплазменная обработка материалов», успешное освоение которых необходимо для понимания и освоения данного курса. 
Особенностью настоящего курса лекций является то, что здесь 
рассматриваются уже физико-технологические принципы применения ускоренных частиц и излучений для разработки устройств наноэлектроники и микросистемной техники. 
Рассматриваются закономерности ионно-плазменного осаждения 
пленок, особенности применения ионной имплантации, электронного 
воздействия на материалы. 
Анализируются и сопоставляются основные известные литографические методы создания устройств микро- и наноиндустрии. 

ТЕМА 1. ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ ОСАЖДЕНИЕ 
СЛОЕВ 

1.1. Стимулированное плазмой осаждение 
пленок оксидов 

В настоящее время различают несколько методов ионного и ионно–плазменного нанесения тонких пленок: 
• ионно-плазменное, основанное на применении электрического 
разряда в атмосфере инертного газа, при котором мишень и подложка играют роль электродов; 
• реактивное ионно-плазменное, основанное на химическом 
взаимодействии распыляемых из мишени атомов с активным газом, 
введенным в виде добавки к инертному газу; 
• плазмохимическое, основанное на использовании эффектов ускорения химических реакций в поле плазмы тлеющего разряда; 
• ионное и ионно-лучевое, основанное на осаждении инжектируемых источником ионов атомов мишени на подложку; 
• плазменно-дуговое, основанное на использовании плазмы 
электродугового разряда. 
В технологии полупроводниковых интегральных схем (ИС) в зависимости от назначения требуется формировать пленки следующих 
типов: 
1) металлизирующее контактное покрытие, которое должно иметь 
низкие собственные механические напряжения, воспроизводимую 
технологию осаждения, высоту потенциального барьера на кремнии 
п- и p-типов не более 0,5 эВ, а также должно быть металлургически 
стабильно, обладать низким сопротивлением контактов и хорошей 
совместимостью с вышележащим изолирующим слоем и межслойной изоляцией; 
2) металлизирующее покрытие затвора, которое должно отличаться более высокой проводимостью, чем сильнолегированный поликремний, иметь воспроизводимое напряжение плоских зон в контакте с тонким затворным оксидом, не должно реагировать с затворным 
оксидом; 
3) межэлементная изоляция. Изолирующие пленки должны иметь 
прочную связь с поверхностью, противостоять электромиграции и 
коррозии, эффективно покрывать ступенчатый рельеф, типичный для 
структур после химической и плазменной обработки, и в то же время 

должны позволять вести контролируемое травление узких линий с 
шириной менее 0,5 мкм; 
4) диэлектрические материалы для защиты и пассивации кристалла. Они должны иметь низкие собственные механические напряжения, малую плотность проколов, хорошее покрытие ступенчатого 
рельефа, управляемую скорость травления; 
5) металлизация для присоединения кристалла. Пленка для контактов должна обладать высокой надежностью и возможностью производства ультразвуковой микросварки золотых и алюминиевых выводов. 
Кроме этих тонких слоев, в технологии полупроводниковых ИС 
получили применение и тонкие пленки из материалов со специальными свойствами, основанными на использовании оптических, магнитных, акустооптических, сверхпроводящих и других эффектов. 
Ионно-плазменное нанесение включает в себя процессы создания 
пленок в вакууме на полупроводниковых и диэлектрических подложках, в которых необходимый для получения пленки материал переводится из твердой фазы в газовую распылением мишени энергетическими ионами инертных газов. При этом источником энергетических ионов является низкотемпературная плазма. Распыленные 
энергетическими ионами частицы (атомы и ионы), осаждаясь на поверхность подложки, формируют пленку материала. 
Процесс ионно-плазменного нанесения тонких пленок является 
комплексным и состоит из нескольких этапов, основными из которых являются: ионизация рабочего газа, бомбардировка и распыление энергетическими ионами материала мишени, перенос распыленного материала в пространстве мишень – подложка, осаждение распыленного материала на подложке. Основным параметром процесса 
ионно-плазменного нанесения является скорость осаждения voc, определяемая соотношением 

 
oc
p
=(
/ )
d ,
v
v
s
s
α
β∫
 
(1.1) 

где vp – скорость распыления материала; α – коэффициент прилипания распыленных частиц материала к подложке; β – вероятность поступления распыленных с элемента поверхности мишени ds частиц 
на подложку; s – площадь распыляемой мишени. 
Скорость распыления vp, в свою очередь, является сложной функцией энергии и распределения по энергиям бомбардирующих ионов 
и имеет от них интегральную зависимость 

p
( ) ( )d ,
v
S E j E
E
≈ ∫
 
(1.2) 

где S(Е) – коэффициент распыления; 
( )d
j E
E
∫
 – распределение по 

энергиям плотности тока ионов, бомбардирующих мишень. 
Сопоставляя оба выражения, получаем, что скорость осаждения 
изменяется по закону двойного интеграла: 

 
ос
( / )
( ) ( )d d
v
s
S E j E
E s
≈ α
β
∫∫
. 
(1.3) 

Из выражения (1.3) следует, что эффективность протекания процесса ионно-плазменного нанесения определяется всеми тремя параметрами: распылением (скорость распыления vp), переносом (параметр β), конденсацией (параметр α). Каждый из параметров влияет 
на совокупную скорость ионно-плазменного нанесения. Еще в большей степени параметры влияют на качество получаемых пленок. 
Распыленные под действием ионов частицы имеют нейтральный 
электрический заряд. Как правило, это молекулы или нейтральные 
атомы. Степень ионизации распыленных частиц мала и не превышает 1 %. Когда ионная бомбардировка перпендикулярна плоскости 
мишени, то частицы скорее всего распыляются в перпендикулярном 
направлении от мишени. При энергиях ионов от 1 до 3 кэВ распределение распыленных частиц близко к закону Ламберта – Кнудсена 
(закону косинуса). 
При термическом испарении атомов существует закон распределения атомов по скоростям, при котором максимальное значение 
скорости составляет примерно 1 км/с. Это соответствует энергии 
частиц примерно 2 эВ. При катодном распылении скорость распыленных атомов близка к 3,5 км/с, что соответствует энергии частиц 
4 эВ, но некоторая часть частиц достигает скорости 5 км/с и выше 
(∼ 25 эВ). 
Из табл. 1.1 видно, что распыленные ионами атомы попадают на 
подложку с энергией, которая существенно превышает энергию атомов при термическом испарении. Следовательно, энергия распыленных атомов достаточна, чтобы на поверхности подложки вызвать 
десорбцию слабо адсорбированных молекул газов и тем самым осуществить частичное обезгаживание поверхности. Некоторая часть 
распыленных атомов, обладающих высокой энергией (50…100 эВ), 
способна распылять материал подложки, происходит также образование зародышей материала мишени. При ионном распылении заро

дыши равномерно распределены по поверхности и их распределение 
мало зависит от состояния поверхности. Образование зародышей и 
рост покрытий при ионном распылении осуществляется более или 
менее одинаково, как и при термическом испарении. Однако следует 
отметить две особенности ионно-распыленных покрытий: 
• благодаря равномерному распределению и большой плотности 
зародышей сплошной слой образуется при меньшей толщине покрытия поверхности; 
• вследствие большой плотности зародышеобразования зерна 
(кристаллиты) в распыленных покрытиях, как правило, меньше, чем 
в термически напыленных пленках. 

Таблица 1.1 

Энергия и скорость распыленных частиц (энергия ионов 1…3 кэВ) 

Материал мишени 
Энергия атомов 
при выходе из 

мишени, эВ 

Средняя скорость 

распыленных 
атомов, км/с 

Наиболее вероятная 

энергия атомов в 

потоке, эВ 

Аu 
21 
4,7 
2,5 

Be 
7 
11 
6,3 

Аl 
9 
9,3 
3,5 

Si 
10 
8 
2,6 

Ti 
13,6 
7,4 
4 

V 
11 
6,5 
2,5 

Cr 
13,2 
7,1 
3,4 

Co 
12 
6,4 
3,2 

Ni 
17,5 
7,5 
2,8 

Си 
9,2 
5,4 
1,8 

Mo 
22 
6,5 
4,8 

Ag 
33,5 
6 
7,8 

Та 
34,5 
6 
7,8 

W 
39,5 
6,4 
9,6 

Считается, что благодаря этим особенностям пленки, полученные 
ионным распылением, имеют лучшую адгезию к подложке, чем покрытия, полученные термическим испарением. Очень часто получаются даже аморфные пленки. Если же нагревать покрытие во время 
распыления или после него, то можно наблюдать увеличение размера 
зерна до 1 мкм. Пленки, получаемые ионным распылением, растут 
неравномерно. В связи с шероховатостью подложки, теневыми эффектами и распределением центров зародышеобразования вещество 
главным образом осаждается в перпендикулярном направлении к 
подложке. Поэтому для таких пленок возможно образование столбчатой структуры, которая зависит от температуры и давления рабо

чего газа. Чем выше давление, тем меньше плотность столбцов и тем 
меньше плотность пленки, а чем выше температура, тем больше 
диаметр столбцов и выше их плотность в структуре. Следует отметить, что существует некоторое оптимальное давление газа, определяющее наиболее эффективный режим нанесения. Давление, при котором 
достигаютcя 
наивысшие 
скорости 
процесса 
ионноплазменного распыления, определяется совокупностью противодей-
ствующих факторов. С увеличением давления, с одной стороны, растет плотность тока ионов, соударяющихся с мишенью под углами, 
отличающимися от нормального, в результате чего происходит увеличение коэффициента распыления. С другой стороны, энергия ионов теряется в столкновениях с атомами среды, скорость распыления 
падает, paстет вероятность столкновений распыленных атомов с частицами газа. Столкновения и ионизация атомов электронами плазмы 
могут привести к режиму самораспыления, при котором ускоренные 
электрическим полем в направлении мишени ионы распыленного материала сами распыляют материал. Устойчивый режим самораспыления легко достигается при распылении меди и алюминия, причем коэффициент самораспыления меди в 2,5 раза выше, чем алюминия. 
При реактивном ионно-лучевом и реактивном ионно-плазменном 
нанесении пленок используется эффект повышения химической активности молекул реактивного газа в разряде и эффект энергетической активации поверхности. При этом, по крайней мере, один из 
компонентов в составе получаемых на подложках пленок вводится в 
рабочую камеру в виде газа. Меняя состав и давление реактивного 
газа, можно получать в виде тонких пленок различные сложные соединения. Химическое соединение распыляемого материала и реактивного газа может образоваться как на поверхности мишени и растущей пленки, так и внутри потока распыляемых частиц. Существует 
некоторое критическое давление реактивного газа, при котором образование химического соединения идет на поверхности мишени. В 
этом случае распыляется не исходный материал, а новое соединение. 
При достижении критического значения давления происходит резкое 
падение скорости распыления. Это связано с более высокой, чем в 
структуре исходного нанокомпонентного материала, энергией связи 
атомов материала в соединении. Например, атомы алюминия в компактном материале имеют энергию связи на уровне 5 эВ, а в структуре оксида алюминия энергия связи достигает 19 эВ. Объяснить наблюдаемое падение скорости ионно-плазменного распыления при 

увеличении парциального давления реактивного газа, например кислорода, возможно на основе кинетической теории газов. 
Число молекул кислорода, поступающих на поверхность распыляемой мишени, 

 
ар
O
O
1/ 4
,
n
N v
=
 
(1.4) 

где NО – число молекул кислорода в единице объема; 
ар
v – средняя 

арифметическая скорость молекул газа. 

Полная скорость распыления материала мишени складывается из 
скоростей распыления собственно материала и адсорбированного на 
поверхности кислорода: 

 
p
р.м
p.O
(1
)
+
v
v
v
=
− θ
θ
, 
(1.5) 

где θ – доля атомов материала мишени, закрытых адсорбированным 
кислородом; vр.м – скорость распыления материала мишени; vр.O – 
скорость распыления кислорода. 
Критическое давление кислорода ркр, необходимое для образования оксида, определяется соотношением 

 

р.м
10
кр
5,4 10
,
v
p
G
=
⋅
Δ
 
(1.6) 

где ∆G – свободная энергия образования оксида. 

При непосредственной бомбардировке мишени ионами кислорода 
скорость образования оксида существенно возрастает и критическое 
давление уменьшается. Атомарный кислород химически более активен, чем молекулярный. То же относится и к атомарному водороду и 
азоту. Образование на мишени химического соединения в процессе 
реактивного распыления не означает, что соединение затем переносится на подложку в сформированном виде. При ионно-плазменном 
распылении соединения может происходить нарушение его стехиометрии. Стехиометрия пленок, получаемых ионно-плазменным и 
ионно-лучевым реактивным распылением, зависит от температуры 
подложки. При высоких скоростях нанесения и низких температурах 
обычно получаются пленки низкого качества (например, пористые) и 
с плохо воспроизводимым составом. 
Под ионным осаждением понимают процесс осаждения пленок в 
вакууме, при котором конденсация материала на подложке осущест

вляется из потока низкоэнергетических ионов, при этом процесс 
осаждения сопровождается ионной активацией поверхности подложки и растущей пленки. Метод ионного осаждения является совокупностью двух методов: ионно-лучевого распыления и термического 
испарения. Как правило, осуществление процесса осаждения происходит в три стадии: 
• термическое испарение осаждаемого материала при резистивном, лазерном или электронно-лучевом нагреве; 
• ионизация испаренных атомов материала с помощью неоднородного электрического поля, лазерного луча или высокоэнергетического пучка электронов; 
• фокусировка ионов в пучок необходимой конфигурации и их 
последующая транспортировка на подложку. 
Метод позволяет изменять в широких пределах такие параметры 
ионного потока, как энергия ионов, их плотность и соотношение в 
потоке ионов и нейтральных атомов. Главной отличительной особенностью процесса ионного осаждения является то, что он осуществляется в условиях высокого вакуума (порядка 10–5…10–6 Па). Это 
приводит к существенному улучшению качества пленок и уменьшению вероятности захвата растущей пленкой остаточных газов. Конденсирующийся материал более равномерно распределяется по подложке, происходит сглаживание поверхности пленки и увеличение ее 
плотности. Так, плотность танталовых пленок, полученных ионным 
осаждением, на 10 % выше, чем распыленных ионно-плазменным 
методом. Кроме того, при одновременной или чередующейся с процессом конденсации ионной бомбардировке происходит уменьшение 
эффекта затенения. 
Плазменно-дуговое напыление используется в электронной промышленности при изготовлении эмиссионных, антиэмиссионных, 
геттерных, поглощающих СВЧ-энергию и электроизоляционных покрытий. В настоящее время разработано большое число конструкций 
электродуговых нагревателей газа. Наиболее простой вариант представляет дуговой электрический разряд, горящий между двумя торцевыми электродами. В этом случае за разрядом образуется плазменная струя с высокой температурой. Для получения газовых потоков с 
высокой средней температурой необходимо подвести газ в плазмотроне так, чтобы основная его часть взаимодействовала с дуговым 
разрядом. Электродуговые плазмотроны позволяют получить следующие параметры плазменных струй: скорость частиц нагретого 
газа на выходе из плазмотрона от 10 м/с до 1 км/с; максимальная