РАЗДЕЛ 2
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСЛОЕВ
СИЛИЦИДОВ
2.1 Анализ физических процессов получения нанослоев силицидов
Большие потенциальные возможности ионных технологий получения нанослоев требуют
всестороннего изучения и анализа механизмов их формирования.
В связи с этим необходимо построение теоретических моделей, адекватных реальным
процессам получения нанослоев на моноатомном уровне.
В процессе формирования конденсата происходят гомогенные и гетерогенные
реакции, одновременная диффузия одной или нескольких компонент, образование
одно- или многофазных монокристаллических слоев, которые можно рассматривать
как многокомпонентную термодинамическую систему, аналогичную многокомпонентным
полупроводниковым гетерогенным системам А3В5.
Качество и структура пленок существенно зависят от метода их получения.
Формирование нанослоев низкотемпературными ионными методами позволяет улучшить
их качество, например, обойтись без высокотемпературного отжига, при котором
может ухудшаться зеркальность поверхности пленки, а также улучшить условия
проведения литографических процессов. При промышленном получении СБИС указанные
методы позволяют получать чистоту слоев, сопоставимую с чистотой образцов,
осажденных в условиях сверхвысокого вакуума, за счет уменьшения в
плотноупакованных структурах конденсируемых пленок примесных атомов О, С, N
[43-44].
Для понимания физической сущности образования нанослоев химических соединений
при ионной бомбардировке рассмотрим процесс формирования нанослоев силицидов
при высокотемпературном отжиге [45].
Как известно [46], при напылении на кремниевую подложку тонких металлических
пленок и последующем их отжиге при высоких температурах в области контакта
металл-кремний в процессе диффузионного проникновения кремния в титан, тантал,
молибден, вольфрам и никеля, кобальта в кремний и протекающих при этом
химических реакциях гетерогенного типа происходит формирование нового
кристаллического вещества – силицида. Через образовавшиеся первоначально
нанослои силицида в направлении к межфазным границам силицид-кремний и
силицид-металл диффундируют свободные атомы металла и кремния, которые,
пересекая границы, вступают в реакцию, обуславливая дальнейший рост силицидного
слоя [47].
Экспериментальные исследования показали, что при одной и той же температуре
отжига возможно формирование одной, двух или трех фаз силицидов одновременно.
Предположим, что отжиг начинается при комнатной температуре с постепенным ее
увеличением до температуры, минимальной для формирования низшей фазы MeSi. По
истечении некоторого промежутка времени в слое кремния по глубине можно будет
зафиксировать некоторое количественное распределение атомов свободного металла,
которое условно можно разбить на три зоны по величине отношения концентрации
атомов металла и кремния в единице объема:
1) СMe / CSi >2;
2) 1 < CMe / CSi < 2;
3) CMe / CSi < 1;
т.е. 1-я зона тяготеет к образованию Me2Si, наиболее обогащенной металлом; 2-я
зона – к MeSi; 3-я – к силициду MeSi2.
В общем случае в зависимости от величины энергии активации атомов металла и
кремния, температуры отжига и термической стойкости той или иной фазы возможно
образование одной или нескольких фаз одновременно.
После достижения температуры, равной по величине значению, при котором
формируется фаза Me2Si, в пределах 1-й зоны образуется тонкая прослойка
силицида Me2Si, через которую затем диффундируют атомы свободного металла.
Концентрация диффузанта на межфазной границе не будет превышать некоторого
максимального для данного силицида значения cmax, соответствующего предельной
растворимости свободного металла в силициде, которая является функцией от
температуры [48].
Для определенности предположим, что преимущественным диффузантом является
металл. В дальнейшем, с увеличением температуры, в общей толще силицидного слоя
появится сначала моносилицид MeSi, а затем и дисилицид MeSi2. Очевидно, что с
увеличением температуры отжига улучшаются условия для возникновения более
высокой фазы в связи с увеличением кинетической энергии атомов диффузанта. В
некоторых переходных интервалах температур возможно существование двух или даже
трех фаз силицидов одного металла. Формирование той или иной фазы силицида
прекращается, как только температура отжига превысит предел термической
устойчивости данной фазы.
Заметим, что для формирования конкретной фазы силицида необходимо, чтобы
количество атомов металла, поступивших в единицу объема кремния, находилось в
соответствии либо было больше того количества, которое необходимо для
формирования данной фазы.
В интервалах температур, где присутствует только одна фаза силицида,
(изотропная среда), представляется возможным применение математического
аппарата для приближенного количественного и качественного анализа процессов
формирования тонких силицидных пленок на кремнии, как при высокотемпературном
отжиге, так и при ионной бомбардировке.
2.2. Математическое моделирование получения нанослоев силицидов при
регулируемом высокотемпературном отжиге
Получение дисилицидных пленок тугоплавких металлов переходной группы,
обладающих наименьшим удельным сопротивлением, является одной из важных
технологических задач микроэлектроники, поскольку открывает большие перспективы
для разработки новых конструктивных принципов СБИС.
Математическое описание процесса формирования тонких силицидных пленок на
кремнии при высокотемпературном отжиге приведено в [49], где указывается, что в
условиях отжига при постоянной температуре диффузионный поток с течением
времени уменьшается,
- Київ+380960830922