РОЗДІЛ 2
ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ ЕПІТАКСІЙНИХ ШАРІВ CoSi2 НА МОНОКРИСТАЛІЧНОМУ КРЕМНІЇ В НАДВИСОКОМУ ВАКУУМІ 1,3·10-8 Па
У зв'язку із зменшенням розмірів функціональних елементів мікросхем і мікроприладів необхідно використовувати епітаксійні силіцидні плівки унаслідок кращої термічної стійкості їх властивостей та експлуатаційних характеристик [3,45-42]. CoSi2 є найбільш привабливим для технічного застосування|вживання| так як може зростати епітаксійно на монокристалічному кремнії і є найбільш термічно стійким. Крім того, дисиліцид кобальту привабливий для використання в SALICIDE-процесі, так як може утворюватись під час реакції плівки кобальту з кремнієм підкладки в місцях створення контактів в процесі виготовлення мікроприладу.
Для того, щоб зростав епітаксійний шар силіциду на монокристалічному кремнії, необхідно, щоб в цьому напрямку невідповідність граток кремнію і бажаного силіциду не перевищувала 10% за кімнатної температури. Невідповідність граток обчислюється за формулою:
m = (2.1)
де - параметр гратки силіциду або кремнію
Плівкова композиція Co/Si має очевидні переваги серед численних|багаточисельних| систем "силіцид перехідного металлу / кремній|". На рис. 2.1 зображені кристалічні гратки кремнію і дисиліциду CoSi2. CoSi2 має кубічну структуру типу CaF2 з параметром гратки а = 0,5365 нм за кімнатної температури, яка на 1,2% менше ніж параметр гратки Si (а = 0,54286 нм). Так як мінімальна невідповідність сталих граток Si і CoSi2 складає за кімнатної температури близько 1,2%, а з підвищенням температури внаслідок різниці термічних коефіцієнтів CoSi2 (9,5·10-6/К) і Si (2,3·10-6/К) вона зменшується і за 670К складає 1,0%, а за 1070К - 0,7%, тому існує можливість одержання епітаксійних співвідношень (001)CoSi2¦(001)Si і [100] CoSi2¦[100]Si [48]. Зокрема, було продемонстровано, що атоми кобальту легко реагують з|із| атомами кремнію, коли осідають на підкладку монокристалічного кремнію, з|із| утворенням епітаксійного шару CoSi2 завтовшки 1 - 2 нм [3,10,49].
Рис. 2.1. Кристалічні гратки Si (а) і CoSi2 (б).
Утворення силіцидів перехідних металів під час твердофазних|твердотілих| реакцій супроводжується|супроводиться| послідовною зміною об'єму|обсягу|. На рис. 2.2 представлена|уявлені| зміна об'єму плівки під час формування силіцидів кобальту.
Рис. 2.2. Зміна загального об'єму під час утворення силіцидів кобальту біля первісної поверхні кремнію [48].
Коли шар кобальту завтовшки 100 нм реагує з кремнієм, щоб утворити різні силіцидні фази, то формування кінцевої фази CoSi2 супроводжуватиметься|супроводитиметься| скороченням загального|спільного| об'єму|обсягу|. Поверхня дисиліциду кобальту буде розташована на 12 нм нижче первісної поверхні кремнію [48]. Обчислення показали, що для формування фази CoSi2 під час твердо фазної реакції шару кобальту завтовшки 1 нм з кремнієм підкладки витрата кремнію становить 3,61 нм. Під час формування в плівковому стані силіцидів Co2Si і CoSi2 найбільш дифузійно-рухливим елементом є кобальт, в випадку силіциду CoSi - кремній підкладки [48].
В традиційній МОН (метал-окис-напівпровідник)-кремнієвій технології для виробництва мікроприладів та великих інтегральних схем використовуються підкладки кремнію орієнтації (001). Але епітаксійне зростання дисиліциду CoSi2, кінцевого продукту твердотільних реакцій між кобальтом і кремнієм, на Si(001) методом твердофазної епітаксії, коли за осадженням плівки кобальту на підкладку за кімнатної температури слідує відпал, є складною задачею. Це пов?язане з тим, що крім очікуваної епітаксії на Si(001) - CoSi2 (400)¦Si(400) існує ще декілька конкуруючих епітаксійних орієнтацій: площина Si(001) добре співвідноситься з такими площинами CoSi2 як (011), (122), (533). Інша причина пов?язана з великою швидкістю перебігу твердотільних реакцій між Co і Si з утворенням проміжних силіцидів кобальту, таких як Co2Si і CoSi, що заважає отримати однорідні епітаксійні плівки дисиліциду CoSi2. Тому|однак|, в плівковій композиції Со/Si плівка росте|зростає| переважно полікристалічною [50-52]. Для одержання бажаного епітаксійного шару дисиліциду CoSi2 необхідно було змінити кінетику реакції за рахунок створення між шаром кобальту і підкладкою кремнію особливої зони - дифузійно-контролюючої мембрани, яка дозволить знизити енергетичний бар'єр для його зародження і зростання. В зв?язку з цим у останнє десятиліття одержало|отримало| розвиток декілька методів отримання|здобуття| епітаксійних шарів СоSi2. Серед них методи твердофазної епітаксії|, що передбачають наявність між плівкою кобальту і підкладкою кремнію бар?єрних шарів: шару титана (TIME- Ti-interlayer mediated epitaxy) [46,53-58] або шару оксиду (OME- oxide mediated epitaxy) [59-63], засновані на ефекті дифузії в твердій фазі через дифузійну мембрану. Титану віддається двояка роль - зв?язувати кисень, до якого дуже чутливий СоSi2, захищаючи реакцію від забруднення, і утворювати потрійну сполуку в вигляді Co-Ti-Si, яка, руйнуючись, діє як дифузійне джерело, що поступово поставляє атоми кобальту в зону твердофазної реакції для зростання епітаксійного шару CoSi2. Використання проміжного шару оксиду в плівковій композиції Со/Si зумовлене тим, що він не "прозорий" для атомів кобальту і, таким чином, уповільнює швидкість дифузії Со в зону твердофазної реакції. Однак, під час окремого застосування методів TIME і OME не вдається отримати однорідні епітаксійні шари дисиліциду CoSi2 з гладкою морфологією поверхні і межею розділу з підкладкою кремнію. У представленій роботі для формування однорідних епітаксійних шарів дисиліциду CoSi2 на підкладці монокристалічного кремнію орієнтації (001) використані комбінація методів ТIME і OME, тобто введення між плівкою Со і підкладкою Si надтонких проміжних шарів Ti і SiO2 як дифузійно-контролюючої мембрани, в нанорозмірній плівковій композиції Co/Ti/SiO2/Si і надвисокий вак