Материал: Физика тонких пленок. Современное состояние исследований и технические применения. Т. 6

тлеющем разряде, с определенностью показали, что замена ме­ ханически полированного тантала электрополированным не при­ водит к увеличению очень низкой эффективности тока. Следова­ тельно, эффективность тока при росте пленки в плазме опреде­ ляется не способом обработки поверхности, а другими факторами, например наличием в плазме большого числа элек­ тронов высоких энергий.

Электрические контакты должны подводиться к образцу че­ рез хорошо изолированные вводы. По одному из способов кон­ тактные провода, изготовленные из такого же материала, как и подложка, предварительно анодируют при высоком напряже­ нии, а затем помещают в стеклянный капилляр, внутренний диаметр которого меньше длины свободного пробега молекул газа при давлениях, используемых в процессе анодирования. Получение хорошего контакта проволоки с образцом представ­ ляет большую трудность. Если применяется точечная приварка проволоки к контактной площадке образца, то область при­ варки следует заключить в стеклянную трубку для уменьшения токов утечки между плазмой и местом контакта. Совершенно иной метод предложен Витмором и Воссеном [139]. «Контакт» к подложке подводится через ряд близко расположенных зон­ дов (к которым приложено обычное напряжение), а плазма ме­ жду зондами и образцом осуществляет резистивную связь.

О влиянии чистоты газов или общей чистоте системы на про­ цесс анодирования опубликовано очень мало работ. Для про­ верки влияния этих факторов необходимо привлечь современ­ ную высоковакуумную методику и методы анализа остаточных газов. Майлс и Смит [117] заметили, что если в системе присут­ ствуют пары воды, то в процессе анодирования происходит вы­ деление водорода, и давление в системе повышается. Водяные пары при контакте с подложкой осаждаются на ней и затем либо реиспаряются, либо вступают в реакцию с пленкой и за­ хватываются ею. Было высказано предположение, что наиболее сильный захват водяных паров происходит на краю образца, утолщая окисел в этой области. В других экспериментах аноди­ рование в смеси кислорода и водяных паров приводило либо к незначительному повышению [148], либо даже к снижению [137, 161] скорости роста. Моритц и сотр. [122] получили более толстые окислы на алюминии, используя в качестве плазмен­ ного окислителя влажную перекись водорода, хотя при этом процессе могут получаться пористые пленки.

В некоторых работах анодирование проводилось в отпаян­ ных приборах, которые предварительно откачивались до сред­ него вакуума (10-5—10~6мм рт. ст.), а затем наполнялись газом до требуемого давления. В таких приборах газы, выделяемые со стенок при бомбардировке частицами высоких энергий, еще

больше увеличивают загрязнение системы при анодировании. Для устранения этого источника загрязнений следует работать на установках с непрерывной откачкой. Необходимо, конечно, изолировать разрядный объем от паров масла, ртути и вывести из него уплотнения, использующие вакуумную смазку. Поэтому желательно использовать сорбционные или ионные насосы и применять металлические уплотнения.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ

Величина «константы анодирования» приводится почти всеми авторами. Для ТагС^ константа анодирования изменяется в пре­ делах от 17 [123] до 28А/В [119], а для AI2O3 от 13 [119] до

22А/В [108]. Разброс результатов вызван различием методов

Ф и г. 16. Установка для эллнпсометрпческих измерений в процессе анодирования в тлею­ щем разряде (давление

5 - 10-2 мм рт. ст.) [156].

/ — нопно-сорбцпоннме на­

сосы; 2 —источник высокого напряжения постоянного тока; 3 —источник напряжения сме­

11 —лазер (Я.=6328 А); 12 —по-' ляризатор; 13 — вращающийся ввод; 14—сосуды с газом.

определения толщины и падения напряжения в окисле, а также неконтролируемыми изменениями температуры подложки. Уме­ стно заметить, что для Ta2Os нами получались значения 18 и

29А/В для одинаковой плотности тока в зависимости от того, была ли поверхность образца повернута соответственно к аноду или катоду [131]. В последнем случае пленка была сильно за­ грязнена распыленным материалом катода, что, по мнению О’Ханлона [147], характерно для пленок, полученных многими экспериментаторами.

Толщина окисла в процессе анодирования легко определяется эллипсометрически [131, 137, 156] (фиг. 16). Однако оценка и. особенно контроль падения напряжения на растущей пленке представляют определенную трудность. В некоторых работах

анодирование проводилось при фиксированном относительно анода напряжении на подложке, но в этом случае вклад от па­ дения напряжения в плазме неизвестен и к тому же меняется во времени. Потенциал плазмы флуктуирует при нестабильно­ сти катода и при изменениях давления. Поэтому трудно поддер­ живать постоянным падение напряжения в плазме между под­ ложкой и анодом в течение времени, необходимого для получе­ ния окисла достаточной толщины. Одним из способов решения проблемы является применение зондов с плавающим потенциа­ лом для измерения распределения и изменений напряжения в плазме вблизи образца. При этом можно провести анодирова­ ние при постоянном напряжении по отношению к ближайшему зонду и замерить падение напряжения между этим зондом и подложкой. Однако оценка падения потенциала на границах раздела и необходимость учета свободной энергии образования окислов продолжают представлять трудности [157].

Помимо оценки толщины пленки, эллипсометрия по суще­ ству дает значения показателя преломления получаемых пле­ нок. Типичная эллипсометрическая кривая при плазменном ано­ дировании ниобия показана на фиг. 17 [137]. Эксперименталь­ ные данные лучше всего согласуются с моделью двухслойной пленки. Показатель преломления внешнего слоя 2,15, внутрен­ него— 2,37 (т. е. показатель преломления внутреннего слоя сравним с показателем для пленок, сформированных в электро­ лите; внешний слой имеет более низкий показатель преломле­ ния). Подобные результаты получены при анодировании тан­ тала [131, 137]: показатель преломления внутреннего слоя равен 2,22, внешнего— 1,89. Как для тантала, так и для ниобия тол­ щина внешнего слоя составляла 40% общей толщины окисла.

Дополнительные возможности эллипсометрии иллюстрирует фиг. 18, на которой приведены кривые анодного окисления тон­ кой пленки алюминия на GaAs в плазме и электролите [158]. Несмотря на необычную форму, эти кривые аналогичны. Кажу­ щиеся различия обусловлены скорее всего различием углов па­ дения света при эллипсометрических измерениях. Машинный расчет хорошо согласуется с экспериментом при следующем предположении о структуре окисной пленки. Сначала на по­ верхности алюминия, обращенной к электролиту, образуется окисная пленка А120з. В точке В алюминий полностью окислен. После точки В начинается окисление GaAs.

Вейнрейх [140] при исследовании роста в плазме окисла на GaAs получил показатель преломления 1,78 + 0,02. Он исполь­ зовал метод анализа уменьшения контраста между пленкой и подложкой при наблюдении через жидкость с соответствую­ щим показателем преломления. Пленки были гладкими, одно­ родными, аморфными и растворялись в горячей воде. Пленки,

сз

Фиг. 17. Эллипсометрическая кривая для ниобия, анодированного в плазме (угол падения света 65°, длина волны

5461 А) [137].

О экспериментальные точ­ ки; сплошные кривые рассчи­ таны па ЭВМ по двухслойной модели.

Ф и г. 18. Эллипсометри­ ческие кривые для аноди­ рованного GaAs [131].

О тлеющий разряд с холодным катодом в кислородной плазме (угол падения света 65°, длина

волны 5461 А); X разбавленный электролит—пентаборат аммо­

ния (1,67 мг/см3). (Угол падения

света 67,5°, длина волны К= 5461 А.)

полученные плазменным анодированием, по-видимому, отли­ чаются по составу от пленок, полученных при окислении в рас­

Ga20 3+ AS2O5 при отношении Ga/As, равном '/з-

Диэлектрические пленки, выращенные в плазме и растворах, по-видимому, имеют различную структуру. Это подтверждается относительно низкими значениями диэлектрической проницае­ мости пленок, выращенных в плазме. Тиболь [136] приводит зна­ чения диэлектрической проницаемости от 7 до 8 для AI2O3, 18 для Та20 5 и 25 для окиси титана. Нами получены для относи­

тельной диэлектрической проницаемости Ta2Os и NboOs значе­ ния 17 и 34 соответственно. Пленки выращивались в плазме, верхним электродом служила пленка золота; толщина окисла определялась эллипсометрическим методом [137]; измерения осу­ ществлялись на частоте 1кГц. Диэлектрические проницаемости пленок Та20 5 и Nb20 5, выращенных в растворе, зависят от усло­

вий получения, но в среднем имеют значения 27—28 и 41—43 соответственно. Более низкая диэлектрическая проницаемость в случае плазменного анодирования обусловлена меньшими зна­ чениями показателей преломления, как говорилось выше.

Тангенсы угла диэлектрических потерь для пленок, получен­ ных плазменным анодированием и выращенных в растворе, от­ личаются весьма незначительно. Различие для конденсаторов А1— А120 3— А1 составляет 1% в диапазоне частот 1 кГц — 1МГц [160] и около 0,9% Для сандвич-структур Та — Та20 5—

Аи при 1 кГц [131]. Однако при низких частотах это различие может увеличиться, поскольку, например, пленки S i02, получен­ ные плазменным анодированием, более дефектны, чем пленки, выращенные в растворе [161]. Обнаружено различие в величинах токов утечки для сандвич-структур А1—А120 3—А1, полученных

анодированием в ВЧ-плазме [119] и в плазме постоянного тока [108]. В первом случае при напряжении, равном 7ю напряжения, при котором наращивалась пленка, ток утечки составлял 4 мкА/см2, в последнем случае токи утечки были на три порядка меньше. Повышенная температура и электронная и ионная бом­ бардировка в случае высокочастотной плазмы приводили, повидимому, к ухудшению структуры окисных пленок.

5. ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РОСТА ОКИСНЫХ ПЛЕНОК

Полученные к настоящему времени экспериментальные дан­ ные позволяют заключить, что механизм роста окисных пленок зависит от типа применяемой плазмы. При анодировании крем­ ния в ВЧ-разряде основным является процесс диффузии, вклю­ чающей миграцию определенных ионов кислорода [125, 126].