Материалы микроэлектроники: тонкие пленки для интегрированных устройств

О.М. Жигалина

Материалы микроэлектроники: 

тонкие пленки 

для интегрированных устройств

Учебное пособие

УДК 539.23+539.24
ББК 32.843.4
  
Ж68

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/46/book1701.html

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Материаловедение»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

Рецензенты:
академик РАН А.С. Сигов,  
член-корреспондент РАН Н.А. Киселев

Жигалина, О. М. 
Ж68   
Материалы микроэлектроники : тонкие пленки для интегрированных устройств / О. М. Жигалина. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2017. — 121, [3] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-4743-5
Изложены основные понятия, относящиеся к науке о строении и свойствах 
сегнетоэлектрических материалов. Рассмотрены примеры применения и перспективы использования сегнетоэлектрических пленок в интегрированных устройствах 
современной микроэлектроники, а также основные тенденции развития материалов и технологий в этой области. Подробно рассмотрены вопросы формирования 
и визуализации структуры многослойных композиций на основе тонких пленок и 
границ раздела пленка — подложка на атомном уровне с помощью методов электронной микроскопии и моделирования изображений высокого разрешения, а также принципы создания наноструктур в пористых матрицах. Издание иллюстрирует 
возможности применения методов современного структурного анализа к исследованию и визуализации микро- и наносистем.
Для магистрантов, обучающихся по направлению подготовки 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов». Пособие может быть полезно аспирантам, 
научным и инженерно-техническим работникам, специализирующимся в области 
материаловедения тонкопленочных материалов.

УДК 539.23+539.24
ББК 32.843.4

  
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017
  
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4743-5 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

Предисловие

Цель изучения дисциплины «Материалы микро- и наноэлектроники» — 
освоение общих принципов материаловедения и наукоемких технологий, базирующихся на фундаментальной связи «состав — структура — свойства вещества», для создания новых материалов в микро- и наноэлектронике. 
В процессе изучения дисциплины студенты овладеют базовыми знаниями 
о принципах формирования, свойствах, возможностях и перспективах применения новых материалов для микро- и наноэлектроники, методами анализа их 
структуры и свойств композиций на их основе, способами управления структурой и свойствами, практическими навыками исследования процессов, используемых при создании новых материалов. 
Программой дисциплины предусматривается наличие у студентов первоначальных знаний по следующим дисциплинам: «Физика», «Химия», «Физика 
металлов» (основы кристаллографии, дефекты кристаллического строения), а 
также «Металлография», «Физика высокопрочного состояния», «Неметаллические и композиционные материалы», «Термодинамика неравновесных процессов», «Современные методы исследования материалов», «Физика и химия 
поверхности», «Физические свойства и разработка прецизионных сплавов».
Широкое применение сегнетоэлектрических пленок в микро- и нано
электронике обусловливает необходимость решения ряда важных задач, к которым относятся оптимизация состава, толщины слоев, выбор материалов и 
типа систем металлизации, получение пленок высокой однородности. Тонкие 
пленки цирконата-титаната свинца (ЦТС) и титаната бария-стронция (ТБС) 
являются важнейшими компонентами в технологии создания интегрированных сегнетоэлектрических устройств. Этим материалам в учебном пособии 
уделено значительное внимание, представлен обширный иллюстративный материал в виде микрофотографий структур, полученных методами электронной 
микроскопии, чем продемонстрированы, в том числе, современные возможности исследования объектов микроэлектроники.
Ознакомление с сегнетоэлектрическими материалами в пособии начинается с изучения явления сегнетоэлектричества и фазовых переходов в массивных материалах, в частности перовскитах. Эти вопросы рассмотрены в главе 1. 
Для усвоения этого материала студентам требуется знание основ кристаллографии, изучаемой на младших курсах. 
В главе 2 содержатся сведения о современных методах получения пленок, 
обсуждаются преимущества и недостатки каждого метода. 
В главе 3 подробно рассмотрено влияние различных видов термической 
обработки на структуру и фазовый состав как самих пленок, так и многослой

ных композиций на их основе. Особое внимание уделено сопоставлению механизмов кристаллизации пленок ЦТС и ТБС, обусловливающих принципиальные различия в их структуре.
Для успешной работы специалистам-материаловедам необходимы базовые представления о технологиях создания и архитектуре современных 
интегрированных устройств микроэлектроники. В связи с этим в главе 4 
содержатся сведения об основных типах памяти, интегрированных сегнетоэлектрических устройствах, запоминающих устройствах с произвольной выборкой на основе перовскитов, рассмотрены примеры применения активных 
диэлектриков в устройствах сверхвысокочастотного диапазона.
Принято считать, что существует два основных принципа создания микро- и наноструктур. Принцип «сверху вниз» означает миниатюризацию традиционных микроэлектронных схем и микроэлектромеханических устройств 
вплоть до размеров 1...100 нм с помощью усовершенствованных методов и 
процессов, используемых в технологии, новых нетрадиционных процессов, 
новых материалов и новых физических эффектов. Этот принцип, рассмотренный в главе 5, лежит в основе создания, например, тонких пленок и наноструктур в пористых матрицах. Принцип «снизу вверх» означает создание 
наноприборов и наноустройств, собранных из молекул и атомов. Второй принцип остается за рамками учебного пособия.
Дисциплина «Материалы микро- и наноэлектроники» включает три модуля, изучаемых последовательно в течение одного семестра. 
Модуль 1 «Материалы микроэлектроники» содержит информацию о классификации микро- и наноструктурных материалов, перспективах развития 
нового поколения устройств приема, обработки и хранения информации на 
основе сегнетоэлектрических пленок, о физических и химических методах 
получения тонких пленок. Особое внимание уделено принципам формирования структурного состояния перовскитов — ЦТС и ТБС, кристаллизованных 
в виде пленок или структур в каналах пористых матриц. 
Модуль 2 «Материалы наноэлектроники» содержит сведения о полупроводниковых гетероструктурах, сверхрешетках, ферромагнитных материалах, 
мультиферроиках и композитах на основе углеродных наноматериалов, а также о методах их формирования и устройствах на их основе. 
Модуль 3 «Методы визуализации и исследования структуры материалов 
для микро- и наноэлектроники» содержит информацию о методах подготовки материалов для структурных исследований, а также современных методах электронной кристаллографии, электронной микроскопии для исследования структуры материалов микро- и наноэлектроники с субангстремным 
разрешением. 
Материал, рассмотренный в учебном пособии, в полном объеме соответствует первому модулю дисциплины «Материалы микро- и наноэлектроники». После изучения первого модуля студенты смогут выбрать метод 
получения пленок и нанесения их на подложку, способы и режимы термической обработки для формирования оптимальной структуры сегнетоэлектрических пленок с высокими электрофизическими свойствами; обобщить 

и проанализировать информацию о современном состоянии и перспективах 
развития тех или иных материалов микроэлектроники; представить результаты работы с информацией в виде аналитических обзоров и презентаций; 
назвать и объяснить понятия и термины, в том числе на английском языке, 
описывающие виды интегрированных устройств микроэлектроники, методы 
создания многослойных композиций на основе тонких пленок, структурные 
особенности материалов микроэлектроники, указать их назначение и выполняемые функции. 
Для успешного освоения курса студентам рекомендуется следующая методика проработки материала:
первая неделя — получение учебного материала по тематике модуля, ввод
ная лекция, постановка целей и задач, представление основных ресурсов Интернета для расширения области поиска информации, получение задания на 
самостоятельную домашнюю проработку учебного материала;
вторая и третья недели — проработка по презентации и раздаточным материалам ключевых положений, понятий и терминов, получение задания на 
поиск и обобщение информации с использованием рекомендованной литературы и сети Интернет; 
четвертая неделя — консультация по проработанному материалу, обсуждение результатов подготовки рефератов по тематике модуля, обсуждение вопросов предстоящего теста;
пятая неделя — контрольное мероприятие по оценке освоения модуля: 
письменное задание по проработанному материалу, сдача рефератов по тематике модуля.
В пособии используется большое число сокращений, принятых в специальной литературе по изучаемой тематике, которые могут быть незнакомы 
студентам, поэтому аббревиатуры объединены в список и помещены в начале изложения. В этом же списке имеются англоязычные эквиваленты, которые 
необходимы при чтении специальной литературы и в сфере профессиональных коммуникаций. В конце каждой главы приведены контрольные вопросы, 
в конце пособия дан поглавный перечень основной и дополнительной литературы. В приложениях можно найти некоторые примеры применения сегнетоэлектрических микро- и наноструктур в микроэлектронике (приложение 1), 
словарь терминов (приложение 2), а также фонд оценочных средств для проведения аттестации (приложение 3).
Учебное пособие по курсу «Материалы микро- и наноэлектроники» 
предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению подготовки 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов». Рассмотренный 
в пособии материал может быть полезен магистрантам при выполнении курсовых и дипломных проектов, проведении научно-исследовательской работы. Пособие также будет интересно аспирантам и молодым специалистам,  
работающим в области материаловедения современных тонкопленочных материалов. 
Автор благодарен профессорам К.А. Воротилову, В.М. Мухортову, Е.Д. Мишиной, кандидатам технических наук Д.С. Серегину, Н.М. Котовой, кандидату 

физико-математических наук Н.Б. Дьяконовой, коллегам из отдела «Электронная кристаллография» ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН — кандидатам физико-математических наук Д.Н. Хмеленину, А.Н. Кусковой, Р.В. Гайнутдинову за многолетнее плодотворное сотрудничество в области исследования 
сегнетоэлектрических материалов для микро- и наноэлектроники. Особую признательность хотелось бы выразить академику РАН А.С. Сигову, члену-корреспонденту РАН Н.А. Киселеву и кандидату технических наук Р.С. Фахуртдинову 
за поддержку и ценные советы при подготовке пособия.

Введение 

Необходимость решения проблемы микроминиатюризации изделий 
электронной техники является мощным стимулом для поиска новых материалов — носителей информации. С этой точки зрения интеграция сегнетоэлектрических материалов и технологий микроэлектронного производства открывает возможность создания в современной электронике нового поколения 
элементной базы. 
В последние годы вырос интерес к исследованию наноструктурированных 
тонких поликристаллических и эпитаксиальных пленок (сегнетоэлектриков, 
ферромагнетиков, мультиферроиков и др.). Использование материалов в микроэлектронике в значительной мере определяется уровнем технологии создания их в пленочном виде. Различие свойств пленочных материалов и массивных образцов можно объяснить тремя основными факторами: размерными 
эффектами, плотностью структурных дефектов и характером взаимодействия 
пленки с подложкой. Так, использование сегнетоэлектрических пленок в качестве активного элемента в электронных устройствах обусловило появление 
комплекса проблем, которые можно объединить под названием «пленочное 
материаловедение сложных оксидов».
Огромный потенциал этой области деятельности стал понятен около двух 
десятилетий назад, что нашло отражение в появлении нового междисциплинарного направления — «интегрированные сегнетоэлектрики». В настоящее 
время фактически совершается переход от цифровой интегральной микроэлектроники к функциональной, в которой динамические неоднородности 
(в нашем рассмотреннии — сегнетоэлектрические домены) используются 
в качестве носителей информации. 
Однако практическое применение сегнетоэлектрических пленок в микроэлектронике ограничивается отсутствием совместимых технологий получения 
тонкопленочных сегнетоэлектрических материалов высокого качества с воспроизводимыми свойствами. Использование в технологиях многокомпонентных соединений (перовскитов) с высокими температурой кристаллизации, 
скоростью диффузии и реакционной способностью компонентов значительно 
усложнило технологический процесс и привело к необходимости разработки 
десятков новых технологических операций. В последние годы удалось добиться контролируемой совместимости тонких слоев сегнетоэлектриков с полупроводниковыми коммутационными матрицами в рамках планарной технологии полупроводниковых приборов. 
Создание интегральных схем (ИС) с элементами субмикронных размеров (в десятки нанометров) обусловило необходимость не только вовлечения 
в микро- и наноэлектронику новых материалов, но и использования обору

дования, позволяющего визуализировать структурные изменения на атомном 
уровне или контролировать параметры ИС на стадии изготовления. В настоящее время системы для комплексного исследования структуры и химического 
состава тонких слоев и объектов наноразмерной величины, в первую очередь 
электронные микроскопы, являются необходимыми инструментами для создания и развития объектов современной микро- и наноэлектроники. Благодаря 
физической природе наноструктурные объекты одновременно являются и элементами новейших приборов, а методы электронной микроскопии становятся 
не только методами исследования особого состояния конденсированных кристаллических и некристаллических фаз, но и способом контроля и управления 
качеством изделий.
Необходимо отметить, что технологии получения и методы исследования 
сегнетоэлектрических пленок непрерывно развиваются и совершенствуются. 
В связи с этим необходим постоянный мониторинг производства изделий, 
отличающихся не рекордно малыми топологическими размерами, а совокупностью новаций, позволяющих формировать сегнетоэлектрические модули и 
целые линейки различных устройств на их основе, где сегнетоэлектрический 
элемент является системообразующим, — от запоминающих устройств (ЗУ) 
до микромеханических систем и электронно-перестраиваемых функциональных устройств сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Это направление 
очень перспективно с точки зрения создания стойких к экстремальным воздействиям устройств специального назначения на основе сегнетоэлектрических пленок, а также конкурентоспособных производств отечественной электронной промышленности.

Список сокращений

АСМ  
— атомно-силовая микроскопия; атомно-силовой микроскоп
ВРЭМ 
— высокоразрешающая электронная микроскопия
ЗУ 
— запоминающее устройство
ЗУПВ 
— запоминающее устройство с произвольной выборкой
ИС 
— интегральная схема
КМОП / CMOS — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник / 
  
 
complementary metal-oxide-semiconductor
КНИ 
— «кремний-на-изоляторе»
ЛПА / PLD 
— лазерная парофазная абляция (осаждение) / pulsed laser  
  
 
deposition
МДМ 
— металл-диэлектрик-металл 
МДП 
— металл-диэлектрик-полупроводник
МЛЭ 
— молекулярно-лучевая эпитаксия
МПЭ 
— молекулярно-пучковая эпитаксия
МЭМС / MEMS — микроэлектромеханическая система / microelectromechani- 
  
 
cal system
ПЗУ / ROM 
— постоянное запоминающее устройство / read-only memory
ПХТ / PE 
— плазмохимическое травление / plasma etching
ПЭМ 
— просвечивающая электронная микроскопия; просвечиваю- 
  
 
щий электронный микроскоп
РЭМ 
— растровая электронная микроскопия; растровый электрон- 
  
 
ный микроскоп
СВЧ 
— cверхвысокочастотный
СЗУ, СЭЗУ 
— сегнетоэлектрическое запоминающее устройство
ТБС / BST 
— титанат бария-стронция Ba(Sr)TiO3
ТБС (80/20) 
— Ba0,8Sr0,2TiO3, в скобках указывается процентное соотноше- 
  
 
ние бария и стронция
ФАР 
— фазированная антенная решетка
ФИП 
— фокусированный ионный пучок
ФП1, ФП2 
— фазовый переход первого, второго типа
ФСС 
— фосфоросиликатное стекло
ЦТС / PZT 
— цирконат-титанат свинца Pb(Zr1–xTix)O3
ЦТСЛ 
— цирконат-титанат свинца, легированный лантаном
AACVD 
— aerosol assisted chemical vapour deposition (химическое осаж- 

 
 
дение из аэрозольных источников)
ALD 
— atomic layer deposition (атомно-слоевое осаждение)
AR 
— aspect rate (аспектное соотношение)

CSD 
— chemical solution deposition (химическое осаждение из  
  
 
раствора)
CVD 
— chemical vapour deposition (химическое осаждение из газо- 
  
 
вой фазы; газофазное осаждение)
DRAM 
— dynamic random access memory (динамическая память 
  
 
с произвольной выборкой)
EEPROM 
— electrically erasable programmable read-only memory (элек- 
  
 
трически стираемое перепрограммируемое постоянное 
  
 
запоминающее устройство)
FRAM, FeRAM — ferroelectric random access memory (сегнетоэлектрическое 
  
 
запоминающее устройство с произвольной выборкой)
HAADF 
— High Angle Annular Dark Field Detector (широкоугловой  
  
 
детектор темного поля)
ITRS 
— International Technology Roadmap for Semiconductors (Меж- 
  
 
дународный стратегический план развития полупровод- 
  
 
никовой промышленности)
MOCVD 
— metal organic chemical vapour deposition (химическое осаж- 

 
 
дение из газовой фазы металлорганических соединений)
MOD 
— metal organic deposition (осаждение металлорганических 
  
 
соединений)
Pe 
— перовскит 
Py 
— пирохлор
PVD 
— physical vapour deposition (физическое осаждение из газо- 
  
 
вой фазы)
RAM 
— random access memory (устройство с произвольной вы- 
  
 
боркой)
STEM 
— scanning transmission electron microscopy (просвечивающая 
  
 
растровая электронная микроскопия)