Технология тонких пленок для микро- и наноэлектроники

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
В.Ю. ВАСИЛЬЕВ 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ  
ТОНКИХ ПЛЕНОК  
ДЛЯ МИКРО-  
И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

 

УДК 539.23:621.38.049.77(075.8) 
         В 191 
 

Рецензенты: 

Величко А.А., д-р техн. наук, профессор,  
кафедра полупроводниковых приборов и микроэлектроники, 
Новосибирский государственный технический университет 
Лебедев М.С., канд. хим. наук, лаборатория функциональных пленок  
и покрытий, ФГБУН Институт неорганической химии  
им. А.В. Николаева СО РАН 
 
Васильев В.Ю. 
В 191      Технология тонких пленок для микро- и наноэлектроники: учебное 
пособие / В.Ю. Васильев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 107 с. 

ISBN 978-5-7782-3915-9 

Рассмотрены вопросы методологии и технологии создания тонких пленок (ТП) неорганических материалов осаждением из газовой фазы для использования в технологиях микро- и наноэлектроники. Пособие создано на основе исследовательской и публикационной активности автора в течение 40 лет; развиты и обобщены результаты исследований, начатых в 1970-х годах в Институте физики полупроводников Академии наук 
СССР и исследовательских отделах предприятий электронной промышленности 
г. Новосибирска. Рассмотрена совокупность вопросов, связанных с методологией и 
технологией получения высококачественных ТП для изделий микроэлектроники, показана возрастающая роль ТП технологий в технологических маршрутах изготовления 
изделий, рассмотрены тенденции развития, типы и характеристики оборудования для 
процессов производства ИМС, технологические процессы получения различных ТП 
материалов на основе кремния, свойства ТП материалов.  
Учебное пособие разработано в соответствии с рабочей программой учебной дисциплины «Семинары по специальности», образовательная программа: 11.04.04. «Электроника и наноэлектроника», магистерская программа «Микро- и наноэлектроника». 
Рекомендуется также для обучения бакалавров и магистрантов по направлениям 
11.03.04 и 11.04.04 («Электроника и наноэлектроника»), 28.03.01 и 28.04.01 («Нанотехнологии и микросистемная техника») в рамках семинаров по специальностям и по дисциплинам, связанным с преподаванием физико-химических основ технологических 
процессов изделий микроэлектроники, микросистемной техники, наноэлектроники.  
Также рекомендуется для аспирантов по специальности 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», представляет интерес для технологов производства 
ИМС, исследователей в области нанотехнологий. 
 
УДК 539.23:621.38.049.77(075.8) 
 

ISBN 978-5-7782-3915-9  
 
 
 
 
 
© Васильев В.Ю., 2019 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2019 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Неорганические тонкие пленки (ТП) поликристаллического кремния, нитрида кремния, диоксида кремния, силикатных стекол, проводящих материалов и металлов исторически первыми нашли применение в технологиях интегральных микросхем (ИМС) и по настоящее 
время остаются в числе наиболее востребованных материалов для изготовления ИМС, нанотехнологических и микросистемных устройств 
(НМСТ). Для создания неорганических ТП пленок на поверхности 
твердых тел (обычно для изготовления ИМС применяются кремниевые 
полупроводниковые подложки) ведущее место занимают методы химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ, по зарубежной терминологии – «Chemical Vapor Deposition, CVD»). Эти методы относительно аппаратурно просты и безопасны, технологичны и способны 
обеспечивать необходимые для производства ИМС высокое качество 
ТП и производительность процессов. Особой важностью и принципиальным отличием процессов ХОГФ от других технологических процессов технологии ИМС является то, что химические реакции синтеза 
новых материалов осуществляются непосредственно в ходе многоступенчатых технологических циклов изготовления ИМС. Это накладывает жесткие требования к качеству и воспроизводимости состава, структуры и свойств ТП как в пределах одной подложки, так и между подложками в течение всего времени использования технологии.  
Быстрое развитие технологий ИМС в последние десятилетия  
ХХ столетия сопровождалось интенсивным развитием оборудования, 
реагентов, процессов ХОГФ ТП, аналитических приборов для исследования и контроля ТП. Сложился рынок процессов для ИМС: были изучены, разработаны и предложены компаниям-производителям ИМС 
различные промышленные процессы ХОГФ ТП со стандартизированными составом, структурой и свойствами. Наиболее совершенные решения быстро внедрялись в производство ИМС.  

Автору настоящего пособия на основе собственного отечественного и зарубежного экспериментального опыта и обобщения обширного 
накопленного литературного материала удалось создать методологическую основу для понимания основных тенденций развития и достижений методов ХОГФ ТП и количественного описания процессов 
ХОГФ. Владение такой методологией позволяет сформировать систематизированный и обобщенный взгляд на проблемы и помочь в решении задач современных и перспективных технологий ИМС и НМСТ. 
В том числе важным является методология правильной постановки 
исследований для получения надежных результатов при относительно 
малых материальных и временных затратах на эксперимент. В настоящем пособии автор рассматривает развитие оборудования и процессов 
ХОГФ ТП обобщенно, безотносительно типа тонких пленок, с целью 
выделения общих закономерностей и отличий.  
Основой для составления пособия являются публикации автора по 
тематике ХОГФ ТП в отечественной и зарубежной литературе, изданные в течение последних 40 лет. Выделены основные тенденции развития методов получения неорганических ТП и рассмотрены отдельные этапы их развития, проблемы, задачи и решения, предложена методология исследований. Показаны взаимосвязи характеристик процессов ХОГФ и ТП с все возрастающими по сложности задачами технологии ИМС. В главе 5 представлены обобщения, показывающие целостный взгляд на проблемы получения ТП. Рассмотрены перспективы 
атомно-слоевого осаждения (АСО) ТП, как импульсного варианта реализации ХОГФ, для получения конформных прецизионных нанотолщинных покрытий.  
Приведенные в библиографическом списке публикации автора могут быть при необходимости скачаны в открытом доступе с личной 
странички автора в сети Интернет: https://www.researchgate.net/ profile/Vladislav_Vasilyev2/publications. К каждой главе также приведен 
список рекомендованной литературы. 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Г л а в а  1 

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ  
МЕТОДОВ ХОГФ ТОНКИХ ПЛЕНОК  
ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ 

Достижения технологий ИМС принято отображать с использованием так называемого «правила Мура» («закона Мура») в виде графика 
(рис. 1.1, а). Он показывает экспоненциальное возрастание числа транзисторов на чипе ИМС от времени. С 1965 по 1975 год число транзисторов удваивалось каждый год; примерно с 2008 года темп замедлился от 2,5 до 3 лет. Однако для решения технологических задач ИМС 
отображение «правила Мура» осуществляют в виде графика экспоненциального уменьшения характеристических размеров элементов ИМС 
от времени (рис. 1.1, б). На этом графике точками обозначены годы 
появления транзисторных структур (Bipolar, MOSFET, CMOS, FinFET) 
и принципиально важных событий в технологии ИМС, например, появления технологий вольфрамовых контактов (W Plugs), изоляции канавками (Trench Isolation), медной металлизации (Copper).  
Аналогичный график использован автором и для анализа тенденций развития методов ХОГФ, поскольку в ходе развития требований 
технологий ИМС к тонким пленкам происходили разнообразные и 
многочисленные изменения: конструкций оборудования, исходных 
реагентов.  
Диаграмма-хронология основных тенденций развития методов 
ХОГФ, составленная по совокупности исследований [1–20] показана в 
обобщенном виде на рис. 1.2 [20]. По нижней оси х длительностью 
50 лет отложено время от начала 1970-х годов (время, когда началось 
интенсивное исследование возможностей методов ХОГФ применительно к технологиям ИМС) до 2020 года. 

а 

 
б 

Рис. 1.1. Иллюстрации так называемого «правила Мура» для 
изменения числа транзисторов в ИМС памяти (а) и размера 
элементов (б) во времени. Использованы изображения вебсай- 
    тов: https://bezopasnik.info и https://images.anandtech.com 

25…50 
75…100 
150…200 
200…300 
Размер подложек 

(РПТ): 
РАД  
(РПТ): + 
РПД, ПХО 
(РПТ): + 
ПВП 
+ РИТ ХОГФ, + РИТ 
АСО  
Тип реактора 

ГРУП. 
ГРУП., ИНД.  ИНД.      
ИНД., ГРУП. 
Загрузка 

Низкая 
Высокая          Высокая       Высокая  
Производительность 

15…20 % 
10 % 
3…5 % 
2 % 
Однородность 

Плоская 
Ступеньки 
Зазоры         Узкие зазоры  и «нерегулярные» структуры 
Тип структуры 

 

 
Этап 2 
(цели, задачи) 
 

1970              1980                    1990                     2000                    2010                    2020    Год 

 
Основные изменения условий процессов ХОГФ 
  Высокое давление                                                                      Низкое давление  
  Низкая концентрация реагентов  
 
    Высокая концентрация реагентов 

                                       Основные  тренды изменения критического размера                       
               Нано                                                Микро                                                    Макро              
      101                                                      103                                                  105            (нм) 

                                     Основные  тренды используемых химических реакций    
  Низкая скорость                                                                                                              Высокая скорость      
  Гетерогенная                                                                                                                                 Газофазная 

Этап 2 
(результаты) 

 

 
Этап 3 
(цели, задачи) 
 

 
Этап 1 
(цели, задачи) 

 
Этап 4 
(цели, задачи) 
 

Этап 3 
(результаты) 

 

Этап 5 
(цели, задачи)  

Этап 4 
(результаты) 

 
 
 «Закон Мура» 

Этап 1 
(результаты) 

 
Рис. 1.2. Диаграмма основных тенденций развития методов ХОГФ 
ТП для ИМС. Расшифровка аббревиатур и пояснения обозначений  
                                         приведены в тексте 

По левой оси y в логарифмическом масштабе отложено изменение 
характеристических размеров ИМС, обобщенных в терминах «макро  
микро  нано» с примерным указанием порядков численных значений размеров. По верхней оси x и по правой оси y стрелками показаны 
тенденции изменения основных характеристик процессов ХОГФ: 
вверху – тенденции изменения основных параметров процессов ХОГФ 
(снижение температуры и давления в процессах ХОГФ), справа – изменения подходов к применяемым химическим реакциям в направлении от использования высокоскоростных «газофазных» к низкоскоростным «гетерогенным» реакциям. Пунктирная линия отражает «закон Мура» (рис. 1.1, б). Ниже нижней оси x в табличном виде показаны 
изменения основных требований технологии ИМС для процессов 
ХОГФ в ходе исторического развития: размеров подложек (мм), основных типов и производительности реакторов, однородности толщины ТП, изменения сложности структур ИМС. Приняты следующие аббревиатуры и сокращения: РПТ – реактор проточного типа, РАД – реактор атмосферного давления; РНД – трубчатый групповой реактор 
низкого давления; ПХО – плазмохимическое осаждение; ПВП – осаждение в плазме высокой плотности; РИТ – реактор импульсного типа; 
АСО – атомно-слоевое осаждение (знак + означает появление реакторов 
нового типа в дополнение к уже имеющимся типам); ГРУП. – групповой 
реактор; ИНД. – реактор индивидуального типа.  
Автором выделены и на диаграмме рис. 1.2 показаны блочными 
стрелками пять основных хронологических этапов развития методов 
ХОГФ для ИМС в ходе исторического изменения размеров элементов 
ИМС. Начало стрелок по шкале времени примерно соответствует 
началу этапа, окончание этапа указывает стрелкой на эллипсы с достигнутыми количественными результатами этапа. Расшифровки содержания: целей, основных задач / направлений и результатов исследований процессов ХОГФ приведены в табл. 1.1. 
Обобщенно выделенные этапы соответствуют вышеупомянутым 
уровням: 
– «макро» (Этап 1: характеризовались собственно процессы ХОГФ 
«в целом»); 
– «микро» (совершенствование методов ХОГФ под изменение задач ИМС). На этом уровне выделено три самостоятельных этапа 
(Этап 2, Этап 3 и Этап 4), соответствующих возникающим по ходу 
развития ИМС задачам для технологии ИМС и вызвавших серьезные 
изменения в развитии процессов ХОГФ ТП;  

Т а б л и ц а  1.1 

Цели, задачи и результаты этапов развития методов ХОГФ 

Этап 
Цели, задачи этапа 
Результаты обобщений автора 

1 

Цель: иследования процессов ХОГФ тонких 
пленок для создания промышленных процессов 
Задачи: поиск и описание реакторов, реагентов, условий, «in-situ» 
исследования причин 
появления микрочастиц 

1. Методология анализа (
max
max
,
W

)  
2. Введение соотношения 

eff
max
Si
/
k
W
C
 
                  (1.1) 

3. Общая схема процессов ХОГФ 
4. Классификация процессов ХОГФ 

2 

Цели: рост ТП на ступенях ИМС, планаризация 
рельефа 
Задачи: поиск и описание реакторов, реагентов, условий, влияющих 
на конформность 
роста ТП  

Описание конформности роста ТП 
на структурах ИМС: 

0,51
2
1
eff
/
~ 45,4
d
d
k 

               (1.2) 

3 

Цель: заполнение зазоров рельефа ИМС без 
пустот 
Задачи: поиск и описание реакторов, реагентов, условий, влияющих 
на заполнение зазоров ТП 

Введение параметра «Сложность структур» 
и описание взаимосвязи заполнения зазоров 
в ИМС и параметров процессов ХОГФ:  

 
1,471
eff
~ 3,03
SC
k 

                  (1.3) 

4 

Цель: конформность и 
заполнение зазоров без 
пустот 
Задачи: поиск и описание реакторов, реагентов, условий ХОГФ 

Методология описания взаимосвязи конформности осаждения на структурах ИМС 
со сложностью высокоаспектной структуры: 

2
1
/
~
(
)
d
d
f SC   

5 

Цель: конформность ТП 
в «нерегулярных» структурах  
Задачи: методология, 
прекурсоры, нуклеация  
и т. д. 

В процессе создания методологии, получения и обобщения экспериментальных данных 

– «нано» (Этап 5: развитие методов ХОГФ для ИМС и нанотехнологий).  
Ниже приводятся краткие характеристики основных этапов развития методов ХОГФ тонких пленок применительно к технологии ИМС. 
Этап 1 («макро»уровень, объект – «подложка»). Этот этап можно охарактеризовать как поисковый. Он начался с исследований в простейших реакторах атмосферного давления на одну или несколько 
подложек малого размера, а его основной целью было создание промышленных процессов ХОГФ ТП и оборудования для быстро растущей микроэлектронной отрасли.  
В обширной литературе этого периода времени [1–8] представлено 
разнообразие типов реакторов и размеров/количества исследуемых в 
них образцов-подложек, изложены результаты исследования ХОГФ 
ТП с участием разнообразных исходных химических реагентов и условий процессов ХОГФ, описаны попытки изучения кинетики процессов 
ХОГФ, в том числе с использованием различных методов «in-situ» исследований газовой фазы: концентраций реагентов и побочных продуктов реакций, микрочастиц и т. д. Именно на Этапе 1 были получены основные количественные кинетические данные для многих типов 
тонких пленок.  
Предложенные автором простые инструменты для анализа кинетики роста ТП (табл. 1.1) позволили обобщить закономерности роста ТП, 
сформулировать методологию анализа. Многообразие типов реакторов 
для ХОГФ ТП (подробнее рассмотрены в главе 2) оказалось возможным свести к двум принципиально важным и количественно описанным типам РПТ с непрерывной подачей реагентов: изотермическим 
цилиндрическим реакторам с горячими стенками атмосферного или 
низкого давления (возможны различные варианты установки группы 
пластин в таких реакторах: горизонтально или вертикально-коаксиально, как показано на примере рис. 1.3, а) и реакторам с холодными стенками индивидуального типа с нагреваемой подложкой (рис. 1.3, б); 
условный график подачи реагентов приведен на рис. 1.3, в. Практически все кинетические результаты по ХОГФ ТП, накопленные с начала 
1970-х годов прошлого столетия, получены в РПТ. Эти же основные 
типы установок начали интенсивно исследоваться и использоваться в 
начале настоящего столетия на Этапах 4, 5, но с импульсной подачей 
реагентов (рис. 1.4). Конструктивно оборудование с РИТ практически 
не отличается от РПТ, за исключением использования более надежных 
быстродействующих газовых клапанов, выдерживающих сотни тысяч 
переключений.