Способ получения тонкопленочной резисторной структуры

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ РЕЗИСТОРНОЙ СТРУКТУРЫ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Грицкевич Ростислав Николаевич Поклонский Николай Александрович Горбачук Николай Иванович Шпак Екатерина Петровна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ получения тонкопленочной резисторной структуры, включающий нанесение на подложку диэлектрической алмазоподобной углеродной пленки и ионную бомбардировку ее поверхности, отличающийся тем, что предварительно на подложку наносят адгезионный подслой, а ионную бомбардировку осуществляют ионами инертного газа и/или азота с энергией в диапазоне 1-3 кэВ. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве адгезионного подслоя используют кремнийсодержащее вещество. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон. Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для изготовления защитных покрытий в машиностроении. При производстве резисторов используются проводящие алмазоподобные углеродные пленки, в состав которых входят углерод,металл, водород 2, 3. Известен способ изготовления проводящей легированной алмазоподобной нанокомпозитной пленки, в состав которой в качестве основных элементов входят углерод, кремний,металл, кислород и водород 4. Данный способ заключается в том, что в вакуумной камере размещают держатель с подложкой, на которую подают электрическое напряжение 0,35,0 кВ с частотой в диапазоне от 1 до 25 МГц и поддерживают температуру подложки в пределах от 200 до 500 С. В вакуумной камере создают газоразрядную плазму с энергетической плотностью более 5 кВтч/грамм-атом углеродных частиц. В созданную плазму испаряют органосилоксан, нагретый до температуры 500-800 С, пары которого, разлагаясь в плазме, служат источником углерода, кремния, кислорода и водорода. Затем в ваку 14221 1 2011.04.30 умную камеру с газоразрядной плазмой вводят пучок частиц легирующего материала в виде атомов или ионов и осуществляют осаждение на подложку атомов или ионов углерода, кремния, кислорода и водорода совместно с атомами или ионами легирующего материала. В результате проведения вышеперечисленных операций на подложке осаждается проводящая легированная алмазоподобная нанокомпозитная пленка, имеющая в своем составе в качестве основных элементов углерод, кремний, металл, кислород и водород. Для получения множества таких пленок данные операции повторяют в той же последовательности. Полученные проводящие легированные алмазоподобные нанокомпозитные пленки тестируют и выбирают только те из них, которые имеют атомарную концентрацию (А.К.) углерода в пределах около 25-39 от общей А.К. элементов, атомарную концентрацию металла около 20-35 А.К. от общей А.К. элементов и суммарную А.К. углерода, кремния и металла около 85-90 от общей А.К. элементов. Указанный способ изготовления проводящих легированных алмазоподобных нанокомпозитных пленок имеет существенные недостатки. При реализации данного способа в случае получения множества проводящих алмазоподобных нанокомпозитных пленок необходимо при нанесении каждой из них осуществлять повторение всех технологических операций (режим поштучного нанесения пленок). Такой способ получения проводящих алмазоподобных нанокомпозитных пленок не гарантирует воспроизведение атомарных концентраций входящих в них элементов, вследствие чего необходимо использовать дополнительную операцию тестирования и отбраковки полученной пленочной продукции, не отвечающей заданным техническим параметрам. Указанные недостатки, а также необходимость дополнительного нагрева подложек в диапазоне температур 200-500 С существенно снижают производительность процесса нанесения проводящих легированных алмазоподобных нанокомпозитных пленок данным способом и увеличивают их стоимость. Полученные известным способом проводящие легированные алмазоподобные нанокомпозитные пленки не могут быть использованы в производстве пленочных резисторов при нанесении на проводящие и полупроводниковые подложки, если на границе раздела пленка-подложка отсутствует диэлектрический подслой, который должен быть не пористым и обеспечивать высокую адгезионную связь как с подложкой, так и с пленкой. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу получения тонкопленочной резисторной структуры является известный способ получения резистивного слоя 1. Способ включает осаждение на диэлектрическую подложку метастабильного углеродного покрытия из импульсного потока плазмы углерода в течение времени 1, достаточного для формирования сплошного однородного слоя. По истечении времени 1, не прекращая процесса осаждения покрытия, включают низкоэнергетичный источник ионов инертного газа, направленный на подложку, и одновременно с осаждением обрабатывают растущее покрытие упомянутыми ионами в течение времени 2, выбираемого из заданного номинального значения электрического сопротивления резисторов. При этом значение 2 выбирают из условия (1/2)121, где 1 и 2 - значения удельной электропроводности слоев, полученных без ионной обработки и с ионной обработкой соответственно. Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает возможность производства резистивных структур на металлических и полупроводниковых подложках. Так как время обработки ионами инертного газа нарастающей пленки является и временем ее нанесения, то невозможно изготовить таким способом резистивные слои с номиналом сопротивлений ниже единиц гигаом. Вследствие этого сфера применения таких пленок существенно ограничивается (например, они не могут быть использованы в качестве антистатических защитных и функциональных покрытий). 14221 1 2011.04.30 Задачей настоящего изобретения является создание способа получения тонкопленочной резисторной структуры как на диэлектрических, так и на металлических и полупроводниковых или подложках. Поставленная задача решается путем нанесения на подложку адгезионного подслоя,диэлектрической алмазоподобной углеродной пленки и, по завершении процесса нанесения диэлектрической алмазоподобной углеродной пленки, в едином технологическом цикле бомбардировки поверхности пленки ионами инертного газа и/или азота с энергией в диапазоне 1-3 кэВ. Адгезионный кремнийсодержащий подслой обеспечивает высокую адгезионную связь как с алмазоподобной углеродной пленкой, так и с большинством материалов, используемых в микроэлектронике, за счет химического взаимодействия с ними. Указанный диапазон энергий ионов, не вызывая заметного распыления указанной пленки, приводит к трансформации ее поверхностного слоя в электропроводящую углеродную фазу. Так как при этом снижение твердости углеродных пленок не наблюдается,то это указывает на то, что состояние их модифицированной поверхности после ионной бомбардировки является промежуточным между аморфной исходной алмазоподобной углеродной пленкой и графитом. Экспериментально установлено, что электрическое сопротивление сформированного на поверхности алмазоподобной углеродной пленки тонкого модифицированного слоя углерода зависит при фиксированных параметрах ионной бомбардировки от ее длительности и вида рабочего газа. При этом использование аргона в сравнении с азотом или смеси данных газов с точки зрения снижения длительности ионной бомбардировки предпочтительнее. Экспериментально установлено также, что адгезионный кремнийсодержащий подслой толщиной 0,01-0,1 мкм обеспечивает высокую адгезионную связь как с алмазоподобной углеродной пленкой, так и с большинством материалов, используемых в микроэлектронике, за счет химического взаимодействия с ними. Отличительным признаком тонкопленочной резисторной структуры, согласно настоящему изобретению, является то, что на поверхности исходной диэлектрической алмазоподобной углеродной пленки (углеродной матрицы) с удельным сопротивлением 1010 Омсм и толщиной 0,5 мкм посредством ионной бомбардировки после ее нанесения формируется химически ей идентичный электропроводящий слой с поверхностным сопротивлением в диапазоне от десятых долей кОм/ до единиц ГОм/. При указанном значении удельного сопротивления углеродной матрицы она является хорошим диэлектрическим основанием для формирования проводящего слоя в случае использования металлических и полупроводниковых подложек. При этом нижняя граница поверхностного электросопротивления проводящего слоя на поверхности алмазоподобной углеродной пленки обеспечивает ее антистатические свойства. Получение тонкопленочной резисторной структуры осуществляется в следующей последовательности. На карусель или барабан, расположенный в камере вакуумной установки, устанавливаются подложкодержатели с подложками, после чего производят откачку камеры до рабочего вакуума. Затем включается вращение карусели или барабана и проводится ионная очистка подложек, для чего в камеру напускают инертный газ (аргон) и возбуждают в нем газоразрядную плазму. По завершении ионной очистки в камеру напускают пары кремнийуглеродного вещества (например, тетраметилсилана, тетраэтоксисилана, тетраметоксисилана и др.), возбуждают в них газоразрядную плазму и наносят на подложку адгезионный подслой толщиной 0,01-0,1 мкм. Затем в камеру осуществляют напуск паров углеводорода (например, бензола), возбуждают в них газоразрядную плазму и производят нанесение исходной диэлектрической алмазоподобной углеродной пленки (углеродной матрицы) с удельным сопротивлением 1010 Омсм и толщиной 0,5 мкм. Твердость и модуль упругости исходной алмазоподобной углеродной пленки составляют не менее 3 14221 1 2011.04.30 15 ГПа и 120 ГПа соответственно, причем содержание водорода в ней минимизировано 4. По окончании процесса нанесения диэлектрической алмазоподобной углеродной пленки камеру откачивают на высокий вакуум, после чего включают ионный источник,напускают в него инертный газ (например, аргон) и/или азот и проводят модифицирование поверхности пленки ионной бомбардировкой в диапазоне энергий 1-3 кэВ с использованием маски или без нее. В результате на поверхности нанесенной диэлектрической алмазоподобной углеродной пленки образуется проводящий слой, химически ей идентичный. Модифицирование поверхности алмазоподобной углеродной пленки бомбардировкой ионами инертного газа и/или азота может осуществляться как при вращении карусели или барабана (групповой режим ионной обработки), так и без него (стационарный режим ионной обработки). При стационарном режиме может одновременно модифицироваться поверхность пленки на нескольких подложках (в случае использования ионного пучка, у которого площадь сечения перекрывает суммарную площадь поверхности обрабатываемых подложек) или поштучно. В последнем случае при использовании сфокусированного ионного пучка в диэлектрической углеродной матрице по заданной программе могут быть сформированы резисторные структуры с отличными друг от друга значениями поверхностного электросопротивления. Для нанесения исходной диэлектрической алмазоподобной углеродной пленки и модификации ее поверхности ионной бомбардировкой использовалась модернизированная промышленная вакуумная установка УВН-71 П-3. Ионный источник располагался либо внутри камеры данной установки, либо, когда подложкодержатели устанавливались на подколпачный барабан, герметично крепился вне ее в месте расположения одного из смотровых окон. В первом случае подложкодержатели располагались на подколпачной карусели, а модифицирование поверхности нанесенных алмазоподобных углеродных пленок осуществлялось с помощью ионного источника, генерирующего ленточный пучок сечением 1005 мм 2 с энергией ионов до 4 кэВ и плотностью ионного тока 2 мА/см 2. Во втором случае подложкодержатели устанавливались на подколпачный барабан и обрабатывались ионным пучком диаметром 100 мм с энергией ионов до 4 кэВ и величиной ионного тока до 100 мА. Во всех случаях дополнительный нагрев подложек не использовался(начальная температура подложек составляла 20 С). Установлено, что оптимальные значения энергии ионов находятся в диапазоне 1-3 кэВ. В этом случае заметного распыления модифицируемой алмазоподобной углеродной пленки не происходит и значение ее поверхностного электросопротивления определяется продолжительностью бомбардировки ионами и видом рабочих газов, используемых при работе источника ионов. Пример 1. Толщина исходной диэлектрической алмазоподобной пленки 3 мкм. Рабочий газ ионного источника - аргон. Энергия- 2,8 кэВ. Значение поверхностного электрического сопротивленияв зависимости от продолжительностиионной бомбардировки составляет при 0,5 мин -1,2 ГОм/ при 2 мин -,6 МОм/ при 5 мин -107 кОм/ при 10 мин -21 кОм/ при 5 мин -0,2 кОм/. Пример 2. Толщина исходной диэлектрической алмазоподобной пленки 3 мкм. Рабочий газ ионного источника - азот. Энергия- 2,8 кэВ. 14221 1 2011.04.30 Значение поверхностного электрического сопротивленияв зависимости от продолжительностиионной бомбардировки составляет при 0,5 мин -1,5 ГОм/ при 2 мин -3,4 МОм/ при 5 мин -280 кОм/ при 10 мин -68 кОм/ при 15 мин -0,8 кОм/. Все полученные заявляемым способом тонкопленочные резисторные структуры имеют линейную и симметричную вольт-амперную характеристику. Энергия активации их электрической проводимости не превышает 0,03 эВ, а значение температурного коэффициента сопротивления составляет не более -310-3 К-1. Источники информации 1.5013 1, 2003. 2.10884500 1, 2001. 3.0575003 3, 1993. 4.2186152 2, 2002. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5