Введение к работе
Актуальность темы. Развитие технологии микроэлектроники проявляет устойчивую тенденцию к повышению степени интеграции микроэлектронных приборов и, как следствие этого, к уменьшению размеров отдельных элементов микросхем. В настоящее время размеры активных элементов достигают 1 - 2 мкм, а ширина соединительных проводящих дорожек - 0,5 мкм. Кроме того, активные исследования в области наноэлектроники, проводившиеся в последние несколько лет, привели к созданию наноструктур с шириной элемнтов, достигающей сотен и даже десятков нанометров. В связи с этим огромное значение приобретает качество тонких пленок, используемых для изготовления элементов микро- и наноэлектронных приборов. Наличие дефектов субмикронных и даже нанометровых размеров может оказывать катострофическое влияние на надежность таких приборов. Свойства пленок должны быть как можно более близкими к свойствам массивного материала. Это позволит использовать материалы микро- и наноэлектроники наиболее эффективно. Для обеспечения этого необходимо использовать высокочистые материалы и методы осаждения пленок, не вносящие в них загрязнений в процессе напыления. Традиционные методы получения пленок не позволяют добиться необходимого качества, поэтому последние два десятилетия идут активные исследования в области разработки новых методов осаждения пленок. Как правило эти методы связаны с ионностимулированным напылением. Бомбардируя поверхность подложки и растущей пленки ионами, можно существенно изменять структуру и свойства напыляемых
пленок. Чем больше отношение количества ионов к нейтральным атомам в потоке осаждаемого материала, тем более существенны эти изменения. Наиболее привлекательными из методов ионно-стимулированного напыления являются методы, использующие бомбардировку ионами самого осаждаемого материала. К ним относятся осаждение потоком ионизированных кластеров (ПИК) и частично ионизированным потоком (ЧИП). Приемуществом этих методов является то, что для бомбардировки используются ионы самого осаждаемого материала, которые не загрязняют получаемую пленку. Однако степень ионизации в источниках, применяемых в этих методах, невелика. В ПИК источниках она не более одного иона на 1000-10000 нейтральных атомов. К началу настоящей работы из литературы было известно, что в ЧИП источниках для металлов степень ионизации от десятых до 1-2 %. Имеющиеся в литературе сведения о структуре и свойствах пленок, полученных этими методами, немногочисленны.
Цель настоящей работы состояла в создании на базе высоковакуумной установки УСУ-4 методики напыления пленок чистых металлов и сплавов с высокой степенью ионизации испаряемого материала.
Для получения пленок были выбраны металлы с низкой температурой плавления (Bi и BiSb: Тпл = 270 С), средней температурой плавления (А1: Тт = 660 С) и высокой температурой плавления (Fe, Со и Tb: Г = 1536 С; 1496 С; 1365 С). Висмут и его сплав с сурьмой, в силу своих уникальных свойств, являются перспективными материалами для изучения квантовых и волновых эффектов в пленках. Алюминий широко используется для изготовления металлизации в интегральных микросхемах. Сплав
железа, кобальта и тербия используется как носитель для магнитооптической записи.
Задачами исследования являлись:
Разработка источника для напыления пленок чистых металлов и сплавов с высокой степенью ионизации испаряемого материала.
Исследование влияния условий осаждения (количества ионов в потоке осаждаемого материала и их энергии) на структуру пленок Bi, BiSb, А1 и FeCoTb, полученных методом частично ионизированного потока с использованием источника с высокой степенью ионизации испаряемого материала.
Исследование электрических свойств пленок Bi и BiSb, полученных методом ЧИП.
Исследование электромиграционной стойкости пленок А1, полученных методом ЧИП.
Исследование магнитооптических свойств пленок FeCoTb, полученных методом ЧИП.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- Обнаружено, что электронная пушка с кольцевым катодом
и фокусировкой электронов электрическим полем позволя
ет ионизировать пары осаждаемого металла не только за
счет бомбардировки встречным потоком электронов, но и
за счет полевой автоэмиссии ионов с поверхности расплав
ленного металла. Такой источник обладает большей эф
фективностью ионизации, чем традиционный источник ча
стично ионизированного потока, использующий бомбар
дировку электронами, летящими перпендикулярно потоку
осаждаемого материала. Кроме того, такой источник ли-
шен такого недостатка жидкометаллических ионных источников, как образование капельной фазы при высоких скоростях напыления.
Обнаружено, что напыляя пленки различных металлов и сплавов методом частично ионизированного потока с высокой эффективностью ионизации, можно в широких пределах варьировать их структуру и свойства.
Обнаружено, что использование зернограничного дизайна в поликристаллических алюминиевых пленках позволяет существенно улучшать их стойкость к электромиграции и вызванным ею повреждениям. Электромиграционная стойкость таких пленок приближается к стойкости монокристаллических пленок алюминия, полученных эпитаксией.
Обнаружено, что используя метод ЧИП с высокой эффективностью ионизации, можно получать монокристаллические пленки висмута на аморфных подложках непосредственно в процессе напыления, а также поликристаллические пленки сплава висмута с сурьмой, удельное сопротивление которых близко к удельному сопротивлению массивного материала.
- Обнаружено, что аморфные пленки сплава Tbx(Fei-yCoy)i-x,
полученные методом ЧИП с высокой эффективностью
ионизации, обладают повышенными магнитооптическими
характеристиками и высокой корозионнои стойкостью, что
связано с их высокой плотностью и отсутствием посторон
них примесей.
Практическая ценность полученных результатов:
- разработана методика напыления пленок металлов и спла-
воп частично ионизированным потоком с высокой эффек-
тивностью ионизации, позволяющая получать пленки с нужной структурой и свойствами;
предложен способ увеличения электромиграционной стойкости алюминиевых межсоединений, позволяющий посредством зернограничного дизайна добиваться электромиграционной стойкости поликристаллических пленок, близкой к стойкости монокристаллических эпитаксиальных пленок алюминия;
получены монокристаллические пленки висмута на аморфных подложках с отношением сопротивления при комнатной температуре к сопротивлению при 4,2 К равным 7,5;
получены поликристаллические пленки сплава висмута с сурьмой на аморфных подложках с удельным сопротивлением, близким к удельному сопротивлению массивного материала;
получены аморфные пленки сплава Tbx(Fei-yCoy)i-x, обладающие высокими магнитооптическими характеристиками и высокой корозионной стойкостью, что связано с их высокой плотностью и отсутствием посторонних примесей;
На защиту выносятся:
увеличение эффективности ионизации паров металлов путем совмещения нескольких способов ионизации, а именно: бомбардировки испаренного металла встречным потоком электронов высокой плотности; автоэмиссии ионов с поверхности расплавленного металла;ионизации с помощью электрического разряда;
разработанная методика напыления пленок металлов и сплавов частично ионизированным потоком с высокой эф-
фективностью ионизации, позволяющая получать пленки с желаемой структурой и свойствами;
улучшение электромиграционной стойкости поликристаллических пленок алюминия посредством зернограничного дизайна;
получение монокристаллических пленок висмута на аморфных подложках непосредственно в процессе напыления;
получение поликристаллических пленок сплава висмута с сурьмой на аморфных подложках с удельным сопротивлением, близким к удельному сопротивлению массивного материала;
улучшение магнитооптических характеристик аморфных пленок сплава Tbx(Fei-yCoy)i-x путем напыления их методом ЧИП с высокой эффективностью ионизации.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре по границам раздела в материалах электронной техники (Черноголовка, 1989), VI Международной конференции по границам зерен и межфазным границам в материалах (Тессалоники, 1992), российско-французском семинаре по границам зерен (Санкт-Петербург 1993).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, 4 статьи находятся в печати, получено 3 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 136 страниц, включая 126 страниц основного текста, 41 рисунок, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 97 наименований.
