RU2601903C2 - Method for deposition of thin-film coatings on surface of semiconductor heteroepitaxial structures by magnetron sputtering - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: proposed method comprises generating in a known magnetron sputtering system of planar type a magnetic field, igniting a discharge in crossed electric and magnetic fields, sputtering a cathode material and its deposition on the surface of a semiconductor heteroepitaxial structure. Between the magnetron source and the semiconductor heteroepitaxial structure there is a magnetic system deflecting passing through it high-energy charged particles of gas discharge plasma. Magnetic system deflecting passing through it high-energy charged particles of gas discharge plasma can be made in the form of a rectangular steel housing with fixed in it on two opposite sides magnets in such a way, that created by them magnetic field in the inner part of the system is directed perpendicular to the movement of atoms deposited on the surface of the semiconductor heteroepitaxial structure.

EFFECT: provide is deviation by the magnetic system during sputtering of high-energy charged particles from the surface of the semiconductor heteroepitaxial structure to prevent its bombardment and, consequently, formation of radiation defects in it.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к технологии изготовления полупроводниковых приборов на основе гетероэпитаксиальных, структур с использованием магнетронного ионно-плазменного распыления для получения тонкопленочных покрытий, наносимых на поверхность гетероэпитаксиальных структур без создания в них радиационных дефектов.The invention relates to the field of electronic engineering, namely to the technology for the manufacture of semiconductor devices based on heteroepitaxial structures using magnetron ion-plasma sputtering to obtain thin-film coatings deposited on the surface of heteroepitaxial structures without creating radiation defects in them.

Известно классическое устройство планарного магнетронного типа для ионно-плазменного напыления пленок в вакууме, включающее в себя анод, катод-мишень и магнитную систему, состоящую из наборных магнитных блоков и установленную с нерабочей стороны мишени, средство охлаждения магнитной системы и мишени. Мишень изготавливается из материала, состав которого соответствует составу наносимой пленки на подложку [1].A classical planar magnetron type device for ion-plasma deposition of films in vacuum is known, which includes an anode, a target cathode and a magnetic system consisting of stacked magnetic blocks and mounted on the non-working side of the target, means for cooling the magnetic system and the target. The target is made of a material whose composition corresponds to the composition of the applied film on the substrate [1].

Указанное устройство обладает существенным недостатком: при нанесении покрытий на поверхность гетероэпитаксиальной полупроводниковой пластины последняя подвергается значительной бомбардировке высокоэнергичными заряженными частицами плазмы, что вызывает в ее структуре появление радиационных дефектов. Такие дефекты в последующем являются причиной ухудшения характеристик изготовленных полупроводниковых гетероструктурных приборов.The specified device has a significant drawback: when coating the surface of a heteroepitaxial semiconductor wafer, the latter is subjected to significant bombardment by high-energy charged plasma particles, which causes the appearance of radiation defects in its structure. Such defects subsequently cause a deterioration in the characteristics of fabricated semiconductor heterostructure devices.

Также известен способ удержания заряженных частиц плазмы в замкнутой конфигурации силовых линий магнитного поля, образованной парой планарных магнетронов, расположенных напротив друг друга и имеющих противоположные полярности полюсов магнитных систем [2]. Такой вариант магнетронной распылительной системы благодаря направлению силовых линий магнитного поля от поверхности одного катода к другому (эффект электрического зеркала) препятствует уходу заряженных частиц из пространства между катодами и их попаданию на подложку, расположенную за пределами замкнутых силовых линий магнитного поля и являющуюся анодом.Also known is a method of retaining charged plasma particles in a closed configuration of magnetic field lines formed by a pair of planar magnetrons located opposite each other and having opposite polarities of the poles of the magnetic systems [2]. Due to the direction of magnetic field lines from the surface of one cathode to another (the effect of an electric mirror), this version of the magnetron sputtering system prevents charged particles from escaping from the space between the cathodes and falling onto a substrate located outside the closed magnetic field lines and which is the anode.

Недостатком данного технического решения является то, что оснащение магнетронной распылительной системы, выполненной из двух расположенных напротив друг друга планарных магнетронов, требует применения специальной нетиповой вакуумной камеры. Это делает невозможным применение данного метода локализации плазмы для большинства современных вакуумных установок ионно-плазменного напыления, использующихся в промышленности, либо требует внесения значительных изменений в их конструкции.The disadvantage of this technical solution is that equipping a magnetron sputtering system made of two planar magnetrons located opposite each other requires the use of a special non-standard vacuum chamber. This makes it impossible to use this plasma localization method for most modern vacuum ion-plasma spraying devices used in industry, or requires significant changes in their design.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке способа нанесения покрытий на поверхность полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры без образования в ней радиационных дефектов во время напыления на ее поверхность тонкопленочных покрытий ионно-плазменными методами.The problem to which the claimed invention is directed, is to develop a method for coating a surface of a semiconductor heteroepitaxial structure without the formation of radiation defects in it during the deposition of thin-film coatings on its surface by ion-plasma methods.

Поставленная задача решается за счет того, что заявленный способ напыления тонкопленочных покрытий на поверхность полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры методом магнетронного распыления, включающий формирование в известной магнетронной распылительной системе планарного типа магнитного поля, зажигание разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, распыление материала катода и его осаждение на поверхность полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры, отличается тем, что между магнетронным источником и полупроводниковой гетероэпитаксиальной структурой расположена магнитная система, отклоняющая проходящие через нее высокоэнергичные заряженные частицы плазмы газового разряда. Магнитная система, отклоняющая проходящие через нее высокоэнергичные заряженные частицы плазмы газового разряда, выполнена в виде прямоугольного корпуса из стали с закрепленными в нем с двух противоположных сторон магнитов таким образом, чтобы созданное ими магнитное поле во внутренней части системы было направлено ортогонально движению осаждаемых на поверхность полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры атомов распыляемой мишени.The problem is solved due to the fact that the claimed method of spraying thin-film coatings on the surface of a semiconductor heteroepitaxial structure by magnetron sputtering, including the formation of a planar type magnetic field in a known magnetron sputtering system, igniting a discharge in crossed electric and magnetic fields, sputtering the cathode material and depositing it on the surface of a semiconductor heteroepitaxial structure, characterized in that between the magnetron source and the floor rovodnikovoy heteroepitaxial structure is a magnetic system, deflecting extending therethrough high-energy charged particles of the discharge gas plasma. The magnetic system deflecting the high-energy charged particles of a gas discharge plasma passing through it is made in the form of a rectangular steel case with magnets fixed in it from two opposite sides so that the magnetic field created by them in the internal part of the system is directed orthogonally to the motion of the deposited onto the semiconductor surface heteroepitaxial structure of atoms of the sputtered target.

Достигаемый технический результат заключается в отклонении магнитной системой в процессе напыления высокоэнергетичных заряженных частиц от поверхности полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры, предотвращая ее бомбардировку и, соответственно, образование в ней радиационных дефектов.The technical result achieved consists in the deflection of high-energy charged particles from the surface of the semiconductor heteroepitaxial structure by the magnetic system during the deposition, preventing its bombardment and, accordingly, the formation of radiation defects in it.

Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.). Цифрой 1 обозначена магнетронная распылительная система планарного типа, включающая в себя магнитную систему 2 и распыляемый катод 3, охлаждаемые проточной водой и расположенные таким образом, что силовые линии магнитного поля замыкаются над распыляемым катодом. Цифрой 4 обозначена полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура, на поверхность которой производится напыление. Цифрой 5 обозначена отклоняющая магнитная система, выполненная в виде прямоугольного корпуса из стали с закрепленными в нем с двух противоположных сторон постоянными магнитами 6, внешнее магнитное поле которых замыкается на корпусе. Кроме того, постоянные магниты расположены таким образом, чтоб созданное ими магнитное поле во внутренней части системы B_s было однородно по всему промежутку и направлено ортогонально движению осаждаемых на поверхность полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры атомов распыляемого катода 3. С целью недопущения перегрева постоянных магнитов выше температуры Кюри реализовано их охлаждение проточной водой.The invention is illustrated in the drawing (Fig.). The number 1 designates a planar type magnetron sputtering system including a magnetic system 2 and a sputtered cathode 3, cooled by running water and arranged so that the magnetic field lines are closed above the sputtered cathode. Number 4 denotes a semiconductor heteroepitaxial structure, on the surface of which is sprayed. The number 5 indicates the deflecting magnetic system, made in the form of a rectangular steel housing with fixed magnets 6 fixed on it from two opposite sides, the external magnetic field of which is closed on the housing. In addition, the permanent magnets are arranged so that the magnetic field created by them in the internal part of the system B _{s is} uniform over the entire gap and is directed orthogonally to the motion of atoms of the sputtered cathode deposited onto the surface of the semiconductor heteroepitaxial structure 3. In order to prevent the permanent magnets from overheating above the Curie temperature, their cooling with running water.

Способ осуществляется следующим образом. После подачи постоянного напряжения между катодом 3 магнетронной распылительной системы 1 и анодом, являющимся держателем полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры 4, на поверхность которой необходимо произвести напыление покрытия, в камере зажигается тлеющий разряд. Плазма тлеющего разряда локализуется у поверхности распыляемого катода 3 арочным магнитным полем B_m, создаваемым постоянными магнитами 2 магнетронной распылительной системы. Электроны двигаются в скрещенных электрическом и магнитном полях над поверхностью катода по сложным циклоидальным траекториям, ионизуя атомы рабочего газа. Образовавшиеся ионы ускоряются в катодном падении потенциала по направлению к катоду 3 и распыляют его поверхность. Эмитированные при этом вторичные электроны поддерживают горение разряда. Распыленные атомы катода движутся по направлению к поверхности полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры 4, осаждаясь на которую формируют покрытие.The method is as follows. After applying a constant voltage between the cathode 3 of the magnetron sputtering system 1 and the anode, which is the holder of a semiconductor heteroepitaxial structure 4, on the surface of which it is necessary to spray the coating, a glow discharge is ignited in the chamber. A glow discharge plasma is localized at the surface of the sprayed cathode 3 by an arched magnetic field B _m created by the permanent magnets 2 of the magnetron sputtering system. Electrons move in crossed electric and magnetic fields above the cathode surface along complex cycloidal trajectories, ionizing the atoms of the working gas. The formed ions are accelerated in the cathodic potential drop towards the cathode 3 and spray its surface. The secondary electrons emitted in this case support the combustion of the discharge. The atomized cathode atoms move towards the surface of the semiconductor heteroepitaxial structure 4, deposited on which form a coating.

Помимо распыленных атомов катода по направлению к поверхности полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры 4 движутся высокоэнергичные заряженные частицы плазмы газового разряда. Проходя сквозь магнитное поле B_s, сформированное во внутренней части отклоняющей системы, однородное по всему промежутку и направленное ортогонально движению попавших в нее заряженных частиц, последние под действием силы Лоренца отклоняются от поверхности полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры в зависимости от своей массы и заряда. Таким образом, предотвращается бомбардировка поверхности полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры высокоэнергетическими частицами плазмы газового разряда и, соответственно, предотвращается образование в ней радиационных дефектов при напылении покрытий методом магнетронного распыления.In addition to the atomized cathode atoms, high-energy charged particles of a gas discharge plasma move towards the surface of the semiconductor heteroepitaxial structure 4. Passing through the magnetic field B _s , formed in the inner part of the deflecting system, uniform over the entire gap and directed orthogonally to the movement of charged particles falling into it, the latter deviate from the surface of the semiconductor heteroepitaxial structure depending on its mass and charge. Thus, the bombardment of the surface of a semiconductor heteroepitaxial structure by high-energy particles of a gas discharge plasma is prevented and, accordingly, the formation of radiation defects in it during coating sputtering by magnetron sputtering is prevented.

Практически предлагаемый способ может быть реализован на большинстве промышленных установок магнетронного напыления при их оснащении описанной отклоняющей магнитной системой. Так, при напылении низкоомных оптически прозрачных электропроводящих пленок In₂O₃:SnO₂ (ITO) на поверхность слоя p-GaN гетероэпитаксиальной структуры AlGaInN на Al₂O₃ магнетронной распылительной системой планарного типа с величиной магнитного поля на поверхности распыляемого катода B_m=0,25 Тл и плотностью ионного тока на мишени 14 мА/см² значения температуры электронов и их концентрации, измеренные методом одиночного ленгмюровского зонда вблизи поверхности гетероэпитаксиальной структуры, отстоящей от поверхности распыляемого катода на расстоянии 4,5 см, составили 60000 К и 6·10¹² м^-3 соответственно. Введение магнитной отклоняющей системы с величиной магнитного поля во внутренней части системы B_s=0,15 Тл позволило уменьшить энергию электронов в пять раз, а концентрацию плазмы у поверхности гетероэпитаксиальной структуры снизить более чем в тринадцать раз.Practically the proposed method can be implemented on most industrial magnetron sputtering plants when equipped with the described deflecting magnetic system. So, when sputtering low-resistance optically transparent electrically conductive In ₂ O ₃ : SnO ₂ (ITO) films on the surface of a p-GaN layer of an AlGaInN heteroepitaxial structure on Al ₂ O ₃ with a planar magnetron sputtering system with a magnetic field on the surface of the sprayed cathode B _m = 0 , 25 T and an ion current density of 14 mA / cm ² on the target, the electron temperature and concentration measured by a single Langmuir probe near the surface of the heteroepitaxial structure located at a distance from the surface of the sputtered cathode and 4.5 cm, amounted to 60,000 K and 6 · 10 ¹² m ^-3, respectively. The introduction of a magnetic deflecting system with a magnetic field in the internal part of the system B _s = 0.15 T allowed the electron energy to be reduced by a factor of five, and the plasma concentration at the surface of the heteroepitaxial structure was reduced by more than thirteen times.

Источники информацииInformation sources

1. Ананьин П.С., Кривобоков В.П., Кузьмин О.С., Легостаев В.Н. Магнетронная распылительная система. Патент РФ №2107971 на изобретение по заявке №96113838/09 от 09.07.1996. Опубликовано 27.03.1998.1. Ananyin P.S., Krivobokov V.P., Kuzmin O.S., Legostaev V.N. Magnetron Spray System. RF patent No. 2107971 for the invention according to application No. 96113838/09 of 09/09/1996. Published 03/27/1998.

2. Кузмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. - Киев: Аверс, 2008. - С. 158-163.2. Kuzmichev A.I. Magnetron Spray Systems. Book 1. Introduction to the physics and technology of magnetron sputtering. - Kiev: Avers, 2008 .-- S. 158-163.

Claims (1)

Способ магнетронного напыления тонкопленочных покрытий на поверхность полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры, включающий формирование в магнетронной распылительной системе планарного типа магнитного поля, зажигание разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, распыление материала катода и его осаждение на поверхность полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры, отличающийся тем, что во время напыления предотвращают образование в полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуре радиационных дефектов посредством магнитной системы, отклоняющей проходящие через нее высокоэнергичные заряженные частицы плазмы газового разряда, которую располагают между магнетронной распылительной системой и полупроводниковой гетероэпитаксиальной структурой, при этом упомянутую магнитную систему выполняют в виде прямоугольного стального корпуса с закрепленными в нем с двух противоположных сторон магнитами с возможностью создания ими магнитного поля во внутренней части отклоняющей системы, направленного ортогонально направлению движения осаждаемых на поверхность полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры атомов материала катода. Method of magnetron sputtering of thin-film coatings on the surface of a semiconductor heteroepitaxial structure, including forming a planar type magnetic field in a magnetron sputtering system, igniting a discharge in crossed electric and magnetic fields, spraying the cathode material and depositing it on the surface of a semiconductor heteroepitaxial structure, characterized in that during prevent the formation of radiation defects in the semiconductor heteroepitaxial structure of by means of a magnetic system that deflects the high-energy charged particles of a gas discharge plasma passing through it, which is located between the magnetron sputtering system and the semiconductor heteroepitaxial structure, while the said magnetic system is made in the form of a rectangular steel case with magnets fixed in it from two opposite sides with the possibility of creating them magnetic field in the inner part of the deflecting system, directed orthogonally to the direction of motion on the surface of the semiconductor heteroepitaxial structure of the atoms of the cathode material.

Images