2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Синтез силицидов Т1 и Мо. Основные методы и закономерности формирования силицидных пленок, их субструктура и ориентация. Состояние проблемы 10
1.1. Методы формирования и исследования пленок силицидов титана и молибдена 10
1.2. Начальные стадии формирования силицидов Л и Мо 11
1.3. Последовательность фаз образующихся при синтезе силицидов
в гетеросистемах Ть81 и Мо-81 14
1.4. Полиморфные превращения в пленках дисилицидов Л и Мо 22
1.5. Быстрый термический и импульсный фотонный отжиг 30
1.6. Закономерности ориентированного роста силицидов на 81 33
1.7. Заключение и постановка задачи 42
Глава 2. Материалы, способы получения пленочных гетероструктур Бь силицид металла, методы исследования и методики подготовки образцов для исследований . 44
2.1. Материалы и подготовка исходных структур 44
2.2. Получение пленок Л и Мо на кремнии и синтез силицидов при вакуумной конденсации на подогреваемые подложки Б1 45
2.3. Синтез пленок силицидов металлов методом импульсной фотонной обработки 47
2.4. Методика подготовки образцов для электронно-микроскопических исследований 48
2.5. Анализ фазового и элементного состава, субструктуры
и ориентации пленок силицидов 50
2.6. Измерения электрических параметров 52
3
Глава 3. Ориентация и субструктура пленок TiSi2, синтезированных при конденсации металла на поверхность монокристаллического кремния в сверхвысоком вакууме
3.1. Пленки TiSi2(C49)
3.2. Пленки TiSi2(C54)
3.3. Закономерности сопряжения TiSi2 на Si
3.4. Выводы к главе 3
Глава 4. Фазовые, ориентационные и субструктурные превращения при фотонной обработке пленок Ti на Si
4.1. ИФО пленок Ti на (111 )Si
4.2. Система a-Si - Ti
4.3. Удельное сопротивление пленок системы Si - Ti
4.4. Выводы к главе 4
Глава 5. Фазовый состав, субструктура, ориентация и удельное сопротивление пленок силицидов, образующихся при конденсации Мо на Si и при ИФО пленок Мо на Si
5.1. Образование, силицидов Мо при вакуумной конденсации металла на монокристаллический кремний ориентации (111) и (001)
5.2. Фазовые, ориентационные и субструктурные превращения при фотонной обработке пленок Мо на Si
5.3. ИФО пленок Мо на a-Si
5.4. Удельное сопротивление пленок системы Si - Мо
5.5. Выводы к главе 5 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
53
53
55
59
67
68
68
78
82
83
84
84
90
93
95
96
97
99
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Проблема исследования фазовых, ориентационных и субструктурных превращений при синтезе силицидов методами конденсации металлов на нагретые подложки в вакууме и импульсной фотонной обработки (ИФО) пленок Ті и Мо на Бі, а также закономерностей сопряжения в гстеросистемах Бі - силицид металла сохраняется по ряду обстоятельств.
В фундаментальном плане - на момент постановки цели данного исследования не исследован эффект быстрого отжига излучением ксеноновых ламп в синтезе пленок силицидов Ті и Мо. Кроме того, были достаточно хорошо изучены закономерности-ориентированного роста и структура межфазных границ (МГ) в системах силицид-кремний с малым структурным несоответствием (МіБіг-Бі, СоБіг-Бі, Рс^Бі-Бі, ОБіг-Бі), полученных путем термического отжига в вакууме пленок металлов на Бі. В системах кремний - силицид металла с большим структурным и размерным» несоответствием; например, 8І -силицид титана, закономерности эпитаксиального роста на монокристалличе-ских подложках кремния и структура межфазных границ изучены недостаточно. Большинство исследователей основное внимание уделяли технологическим аспектам синтеза силицидов. Субструктурным исследованиям пленок силицидов, не уделялось должного внимания.
В практическом плане - современное развитие микроэлектроники направлено к повышению степени миниатюризации элементов СБИС. Для систем металлизации эта тенденция означает переход к субмикронным размерам. В этом случае, решение проблемы контактно-металлизационных систем связано с использованием силицидов тугоплавких металлов, которым свойственны высокая термическая и химическая стабильность, низкие значения удельного сопротивления, хорошая: совместимость с базовой МОП и биполярной технологией, стойкость к электромиграции. Наиболее распространенным способом формирования ТіБіг и МоБіг является отжиг пленок металлов на подложке Б і в вакууме, инертной или восстановительной атмосфере.
Однако высокие температуры формирования низкоомных слоев дисилицидов при длительной-термообработке приводят к деградации контактов на р*-диффузионных областях за счет миграции легирующей примеси в пленку силицида. Таким образом, дальнейшее увеличение степени интеграции СБИС требует разработку новых технологий с применением методов, позволяющих в результате уменьшения времени обработки свести к минимуму негативное диффузионное перераспределение примесей и легирующих добавок, уменьшить структурные нарушения. Уже первые эксперименты показали эффективность метода импульсной фотонной обработки (ИФО) пленок металлов на кремнии излучением ксеноновых ламп.
Поэтому вполне закономерной была постановка исследований ориентации и субструктуры пленок силицидов, синтезированных при конденсации металла в вакууме на поверхность монокристаллического кремния, а также фазовых, ориентационных и субструктурных превращений при фотонной обработке пленок Т\ и Мо на Бь
Работа выполнена в региональной научно-исследовательской лаборатории электронной микроскопии и электронографии Воронежского государственного технического университета в соответствии с планом' научно-исследовательских работ ВГТУ по научному направлению “Физика, химия и технология конструкционных и функциональных материалов различного назначения” по теме “Перспективные тонкопленочные материалы для электронной техники” (№ГР 01960009745), а также в рамках проекта программы "Фундаментальные исследования высшей школы в области естественных и гуманитарных наук Университеты России” и РФФИ №01-03-32927 и 02-03-06086;
Цель работы. Установление фазовых, ориентационных и субструктурных превращений: при синтезе силицидов методами конденсации металлов на нагретые подложки в вакууме и ИФО пленок Т1 и Мо на Б1, а также закономерностей сопряжения в гетеросистемах Бг- силицид металла.
6
Решались следующие задачи;
1. Сравнительные исследования методами просвечивающей электронной* микроскопии, дифракции быстрых электронов и электронной оже- • спектроскопии фазового и элементного состава, ориентации и субструктуры пленок, образующихся:
в процессе вакуумной конденсации1 металлов на поверхности монокри-сталлического кремния в зависимости от температуры подложки (Тп);
при ИФО пленок, металла на поверхности монокристаллического, по-ликристаллического и аморфного кремния в зависимости от дозы энергии излучения.
2. Анализ закономерностей сопряжения на межфазной границе кремний - силициды металлов на основе, кристаллогеометрических критериев и ' исследование структуры межфазных границ.
3. Исследование зависимости удельного сопротивления пленок от дозы энергии излучения.
При выборе объектов исследования исходили:
- из возможности синтеза силицидов тугоплавких металлов методом конденсации металла в вакууме на нагретую подложку и методом ИФО пленок металла на подложке кремния и их способности к закономерному ориентированному росту на монокристаллическом Si.
- из существующих и потенциальных возможностей практического' ‘ применения исследуемой группы, силицидов в качестве контактно-металлизациоииых систем ИС разных поколений.
Методы исследования. Фазовый состав, структуру и ориентацию пленок исследовали на электронных микроскопах ЭМВ-100 АК, ПРЭМ-200 и Philips 420 ST НМ с использованием различных методик1, анализ элементного состава образцов по толщине проводили на оже-спектрометре РН1-551.
1 Консультирование по электронно-микроскопическим исследованиям пленок силицидов проводил д.ф.-м.н. Кущев С.Б.
7
Научная новизна результатов. Установлены закономерные ориентационные соотношения в системе (111)51 - ТСйг. Для данной системы характерно некогерентное сопряжение на МГ.
В условиях ИФО для пленки Т151г(С49) на (111)51 преимущественными* являются ориентации с высокой плотностью РСУ (кинетически выгодные); а в условиях конденсации металла на нагретые подложки - ориентации с наилучшим согласованием плотноупакованных плоскостей (энергетически выгодные);. Полученный результат объясняется тем, что для хорошего согласования плотноупакованных плоскостей необходима глубокая релаксация атомной структуры в области МГ, которая, не успевает проходить условиях ИФО; напротив квазиравновесные условия конденсации металла на нагретые подложки достаточны для ее развития.
Исследована субструктура пленок Т151г(С54). В кристаллитах выявлены микродвойниковые прослойки, дефекты упаковки по Шокли и Франку и индивидуальные дислокации..
Установлен размерный эффект полиморфного превращения С49 —>С54.
Показано, что в системах 51 - Т1 и 51 - Мо начало образования силицид-ных фаз на поверхности (111)51 происходит при меньших величинах плотности энергии светового потока (Е„)2 по сравнению с поверхностью (001)51, на* моно-51 при меньших Еи, чем на а -51, что объясняется разной толщиной естественного слоя оксида.
Практическая значимость.
Результаты по формированию однофазных пленок силицидов Т151г и Мо512 методом ИФО на моно-51 и а-51 рекомендованы к использованию при. разработке технологического процесса создания контактно ■ металлизацион-ных систем СБИС с субмикронными размерами.
2 Здесь и далее Ей - величина плотности поглощенной энергии светового потока.
8
Основные положения и результаты, выносимые »а защиту:
- для систем с большим размерным и структурным несоответствием кристаллических решеток пленки и подложки (81 - силициды Т\, Мо) ориентационные соотношения отвечают основным кристаллогсометрическим критериям: ' наиболее плотные решетки совпадающих узлов на МГ, хорошее согласование плотных плоскостей сопрягающихся кристаллических решеток;
- для ориентированной кристаллизации на моно-81 характерна множественность неэквивалентных эпитаксиальных соотношений, что приводит к неоднородности размеров зерен и препятствует получению одноориентационных эпитаксиальных пленок;
- для гетероструктур И&г/ 81 свойственно некогерентное сопряжение кристаллических решеток;'.
- с изменением толщины пленки Т181г, полученной при конденсации металла на нагретые подложки проявляется размерный эффект полиморфного превращения С49 —> С54;
- ИФО некогерентным излучением ксеноновых ламп пленок металлов на кремнии ускоряет процесс сшшцидообразования по сравнению с классической термической обработкой;
- последовательность образования силицидных фаз при ИФО пленок металлов на 81 та же, что и при конденсации в вакууме на нагретую подложку;
- начало образования силицидных фаз на поверхности (111)81 происходит при меньших Е„ по сравнению с поверхностью (001)81; на монокристаллическом кремнии при меньших Ей, чем на а-81;
- зависимость 115 (Ей) при формировании силицидов методом ИФО имеет немонотонный характер, что отражает стадии диффузиошюго перемешивания компонентов и последовательность образования силицидных фаз.
9
Апробация работы. Основные результаты работы и ее научные положения докладывались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах: на 1-й Всес. конф. по материаловедению и физико-химическим основам технологий поликремния. Кремний 96 (Москва, 1996г.), на 16-й Рос. конф. по электронной микроскопии (Черноголовка, 1996г.), на конф. "Реализация региональных научно-технич. Программ центрально-черноземного региона? (Воронеж, ВГТУ, 1996г.), на 5-й междун. конф. "Пленки и покрытия ’98" (Санкт-Петербург, 1998г.), на XVII Рос. конф. по электронной микроскопии "ЭМ’98" (Черноголовка, 1998г.), на 2-м Веер. сем. "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" (Воронеж. 1999г.), на 3-м Веер. сем. "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" (Воронеж, 2000г.), на 12-м международном симп.'Тонкие пленки'В микроэлектронике" (МСТПЭ-12 Харьков, Украина, 2001г.), на международной конференции “Single crystal Growth and heat & mass transfer” ( Обнинск, 2001г.), на международной конференции "Interfaces in advanced materials (ІАМ’ОЗ)" ( Черноголовка, 2003г.), на ежегодных научных конференциях сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ
Личный вклад автора. Самостоятельно автором проведены электронно-микроскопические исследования и выполнен анализ фазового состава, субструктуры и ориентации тонких пленок.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы, содержит страниц 113, рисунков 42, таблиц 9 и 144 цитируемых работ.
*
- Київ+380960830922