Дефектообразование в кремнии под пленками никеля при термообработке Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.23:669.22

В.Н. Джуплин

ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЕ В КРЕМНИИ ПОД ПЛЕНКАМИ НИКЕЛЯ

ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ

Таганрогский государственный радиотехнический университет,

пер. Некрасовский, 44, ГСП-17А, Таганрог, Ростовская обл., Россия,

тел.: (86344) 6)6//

Разработчики полупроводниковых приборов проявляют в последние годы интерес к использованию полупроводниковых материалов, способных работать при высоких температурах. Это материалы, подобные карбиду кремния, и температуры выше 500-600 °С, В связи с этим представляют интерес особенности поведения хорошо изученного монокристаллического материала с решеткой типа алмаза - кремния в процессе вакуумных температурных обработок.

При создании тонкопленочных металлических контактов необходимо исследование причин и характера проникновения материала контакта в подложку при высоких температурах.

Известно, что после вакуумного нагрева металлов на кремнии, в системе пленка-подложка появляются большие механические напряжения [1-3]. Кинетика изменения напряжений при нагреве и охлаждении зависит от прочностных свойств металлов, и взаимодействия их с кремнием. Установлено [3], что в процессе термообработки в приповерхностной области кремния под пленками никеля, титана и других металлов появляется сложноупорядоченная дислокационная структура. В настоящей работе анализируются причины дефектообразоваиия в кремнии под пленками никеля при температурах около 700 "С.

Исследования проводились на пластинах монокристаллического кремния, вырезанного в плоскости {111}. Пленки никеля толщиной 1-1.5 мкм в виде дисков диаметром 0.5 мм напылены сквозь маски при давлении (1-3)-10'5 мм.рт.ст. В прошедших термообработку образцах слой никеля и образовавшихся его соединений с кремнием снимался шлифовкой алмазной пастой. Структура поверхностной области кремния, находившейся под металлом, выявлялась химическим травлением. Как видно на рис. 1, кремний под металлом пронизан равномерно распределенными дислокациями и ориентированными под углами, кратными 60°, дислокационными линиями. Глубина искаженной подобным образом зоны составляет несколько мкм.

Для объяснения картины проанализируем возможность образования неравновесных точечных дефектов, влияние на структуру таких факторов, как механические напряжения в системе пленка-подложка, растворимость металла пленки в кремнии и режим термообработки.

Точечные дефекты по Шотки образуются при уходе атома из узла кристаллической решетки, концентрация их оценивается из выражения [4]

пш ~ ТУехр

где М-количество атомов в 1 см3 кремния, - энергия дефектообразования, к -постоянная Больцмана, Т - температура. Например, при 1000 К концентрация таких дефектов невелика и составляет МО11 см-5.

Рис. 1. Дислокационная структура в кремнии под пленкой никеля пост вакуумного отжига при 750 °С

Для образования дефектов по Френкелю необходима сумма энергий дефекта по Шотки и атома внедрения, поэтому концентрация их в объеме будет еще ниже. При высоких температурах образовавшиеся точечные дефекты- вакансии могут объединяться, так как суммарная энергия уменьшается. Образуются вакансионные диски, лежащие в плоскостях {111} и растущие до тех пор, пока их энергия не превысит энергию дислокационной петли такого же диаметра (энергия вакансионного диска пропорциональна квадрату диаметра, а дислокационной петли - диаметру в первой степени) [5]. Затем вакансионный диск захлопывается, образуя дислокационную петлю и дефект упаковки, что поясняет рис. 2. Агрегат вакансий занимает в кремнии плоскость плотнейшей упаковки {111}, перпендикулярную чертежу (рис. 2,6). Затем плоскости А и Б (4 и 2) начинают притягиваться до тех пор, пока не сомкнутся, т.е, вакансионный диск исчезает и остается дислокация, линия которой лежит в плоскости {111} и имеет форму контура диска вакансий. Возникает дефект упаковки АБАЬ вместо АБС'АБ. В нашем случае рассмотренный процесс маловероятен, так как при 900-1000 К концентрация вакансий мала и в чистом кремнии дислокации и двойники образуются при поглощении большой энергии.

Рис. 2. Кинетика образования дислокационной петли и дефекта упаковки: а - исходная структура; б - край агрегата вакансий; в -• край дислокационной петли и дефекта упаковки; белые кружки — нижний слой атомов, черные — верхний

Термические напряжения в системе пленка-кремний оцениваются теоретически как [6]

где Е, V - модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала пленки, апл и апил -значения коэффициентов термического расширения материалов пленки и подложки. Так как прочностные свойства пленок отличаются от объемных материалов, то расчеты по формуле дают ориентировочный результат. Истинные значения напряжений при 500°-700° определены нами из экспериментально полученной зави-

а

о

я

симости напряжений (ст) в пленках никеля от температуры. (Чегодика получения зависимости ст-^Т) описана в работе [I]. С учетом изменения упругих свойств кремния при росте температуры, напряжения в пленках никеля при 700°-750° можно считать равными 10-15 кГ/мм2.

Эта величина позволяет оценить плотность образующихся в приповерхностной зоне кремния дислокаций. Указанные напряжения вызывают в плоскостях {131} касательные напряжения т, равные

2

Г---—=г<7>

Зл/З

т.е. около 3.8 кГ'/мм2. Последние генерируют дислокационные петли источника Франка ~ Рида длиной Ь:

СЬ

4г

где б - модуль сдвига кремния, Ь - вектор Бюргерса кремния. Значение Ь составляет 1.8-10"5 см. Плотность генерируемых дислокаций подсчитывается как

Nli = — и равна 2.9 ] О9 см'2, т.е. близка к величине, определенной на отожжен-

ных при 750°С образцах. Распределение дислокаций, формирующихся данным механизмом, должно быть равномерным.

Оценим вклад дефе ктообр азо в ания из-за взаимной растворимости материалов пленки и подложки. Величина и знак напряжений (сжатие или растяжение) зависят от соотношения размеров атомов металла и кремния и определяются по формуле [7]

/?С,-£

(Ту - —--—“— >

г 1-1/

где С5 - концентрация примесных атомов в подложке; р - коэффициент сжатия решетки кремния. Значение [3 вычисляется из соотношения

/? =

(г ^ 3 “

1- р

ЛГ

где гр - радиус атомов растворяемого вещества, гл - радиус атомов подложки, N -концентрация атомов подложки. Растворимость никеля в кремнии определяем экстраполяцией данных, обобщенных в работе [9], до 750°С. Получаем С.<. равной 3.6-1016 см 3. Величина напряжений получается 3.6-10"3 кГ/мм2 и плотность дислокаций 3.7-102 см'2. Видно, что только растворение никеля в кремнии не способно вызвать наблюдаемую высокую плотность и специфическую картину распределения дислокаций.

Следовательно, основным фактором, приводящим к дефектообразованию, остаются механические напряжения в пленке на поверхности кремния. Но этот механизм не объясняет ориентированную под углами 60° друг к другу линейчатую дислокационную структуру.

Объяснение может быть построено следующим образом. Термические напряжения, и в меньшей степени диффузия никеля в подложку, совместно генерируют большое количество точечных дефектов внедрения в приповерхностной обоасти кремния, т.е. происходит пересыщение дефектами. Они собираются в агрегаты и могут образовывать диски внедрения (аналогично вакансионным дискам), которые затем захлопываются с образованием “сидячей” дислокации Франка и дефектом упаковки внутри нее [5]. Достаточно ли атомов примеси для образова-

ния таких дисков? Ранее была найдена концентрация вакансий, находящихся в термодинамическом равновесии при 1000 К. она составляет 110" см'3. А растворимость никеля в кремнии при такой температуре равна 3.6-1016 см’3. Таким образом, избыток атомов металла способен образовывать агрегаты в пространстве между плоскостями {И!}. В структуре типа алмаза такое внедрение происходит между плоскостями Аи а, Вир, Сиу (рис. 3), так как энергия связи между ними меньше, чем между аВ. рС и уА. Плоскости ММ и НН являются плоскостями двойникования, ограничивая дефект упаковки, связанный с лишними плоскостями.

М

|[Ш]

■ н

Рис. 3. Расположение атомных слоев в решетке типа алмаза, между которыми образуются диски внедрения диффундирующих со стороны поверхности атомов металлизации

Образующиеся дислокационные петли располагаются параллельно сторонам тетраэдра Томпсона, образованного плоскостями {111} в кремнии. Рассчитаем, согласно [10], критический диаметр диска внедрения. Энергия диска внедрения радиусом г равна

= 2яггОп,

где с?,, - поверхностная энергия кремния. Энергия дислокационной петли и дефекта упаковки

= СЪ'~я г + пгу,

где у - поверхностная энергия дефекта упаковки. Полагая г = гкр в момент образования дислокационной петли из диска, определим г^,, приравнивая выражения:

СЬ2

г —---------— •

К р

'Г? — V

Вычисления дают диаметр петли около 100 А0. Но из-за сильного пересыщения дефектами внедрения образовавшиеся сидячие дислокации Франка увеличиваются в диаметре в результате присоединения новых примесных атомов. Рост продолжается до пересечения плоскостей дефектов упаковки, находящихся рядом. Граничная плоскость между двойниковой структурой и исходным монокристаллом является совершенной в отношении укладки атомов: такие когерентные двойниковые границы наблюдаются на микрошлифах в виде прямых линий. Эти линии должны располагаться, исходя из геометрии тетраэдра Томпсона, под углами 60°, 120°, 180° и т.д. Сами плоскости двойникования пересекаются с поверхностью пластины кремния, вырезанного для экспериментов, под углом 60°. В сумме это обуславливает показанное на рис. 1 геометрическое соотношение линейных дефектов и соответствует результатам, описанным в работе [10].

Концентрация возникающих петель критического диаметра может быть

оценена с помощью модели Хирта и Лоте [И]. Согласно ей равновесная концентрация критических зародышей скользящих петель равна

А(Г‘

кТ

Якриг

где п0 - концентрация узлов решетки, ЛО* - изменение термодинамического потенциала при образовании петли критического размера. Величина потенциала ДО’ определяется как

к Ул

в(І

IV2-г -1

ЗЇУ

дг

где УЛ - атомный объем, Ст - химический потенциал, соответствующий данному пересыщению, — расстояние между плоскостями (111), г* - критический радиус петли, \У - упругая энергия, приходящаяся на единицу длины петли. В свою очередь, энергия \У равна

, г 4г’ ^

1п -2

А?)

2(1 - у) 4ж

где р - радиус дислокации (область, не подчиняющаяся закону Гука). Взяв типичные значения УЛ=Ь3 и О =0.Ш Ь3 и определив

д(Г 2-у вЬ1

дг

2(1 - у) 4пг

найдем значение ЛО* для г*=35 А0. Оно составляет 2.18 эВ, величина равна 5-109 см'3.

Определим теперь плотность дислокаций, пересекающих поверхность образца. В тетраэдре Томпсона 4 плоскости {111}. одна из них параллельна поверхности вырезанного нами образца и не пересекает ее, т.е. необходимо учитывать 3/4 пкриТ> или величину 3.8-10' см '. При такой концентрации среднее расстояние между петлями равно 6.42-10'4 см. Так как дислокационные петли будут расти до тех пор, пока не встретятся друг с дрзтом, то их максимальный диаметр в среднем будет 6.42-10‘4 см, а концентрация линий на поверхности образца - 2.4-106 см'2, что соответствует эксперименту.

Приведенные оценки показывают, что во время пребывания исследуемой структуры в разогретом состоянии дисковые агрегаты внедрений, расположенные между плоскостями {111}, могут разрастись до пересечения друг с другом и проникнуть вглубь от поверхности кристалла на величину размера диска внедрения, т.е. 6-7 мкм.

Экспериментально установлено, что при снижении напряжения в пленке никеля легированием малыми добавками церия [3] избавиться от двойни кования не удалось, Это подтверждает механизм образования дисков внедрения пересыщением примеси; в его пользу свидетельствует также зависимость характера дислокационной картины от скорости нагрева и охлаждения образцов. Такие исследования были проведены при скоростях 20 и 150 град/мин и пребывании при 800 °С в течение 10 минут. Оказалось, что при медленном нагреве и охлаждении, т.е. большем времени пребывания в области высоких температур, механизм образования дисков внедрения успевает сработать. Высокие скорости термообработки при малом времени пребывания в области высоких температур сопровождаются термическими напряжениями с картиной равномерного распределения дислокаций.

ЛИТЕРАТУРА

]. Дудко Г.В., Джуппш В.Н. Влияние отжига в вакууме на внутренние напряжения в пленках тугоплавких металлов// Электронная промышленность. № 4. 1973. С. 24-27.

2. Джупят В.Н., Дудко Г.В., Чередниченко Д. И. Влияние внутренних напряжений в пленках металлов на структуру кремниевых подложек при термообработке// Электронная техника. Тезисы докладов и рекомендации НТ конференций. Сер, 3. Микроэлектроника. Вып. 2/42. 1975. С. 18-24.

3. Вернигоров Ю.М., Джутин В.Н., Заичкин Н.Н., Чистяков Ю.Д. Влияние малых добавок редкоземельных материалов на механические и температурные свойства металлических пленок// Электронная техника. Тезисы докладов и рекомендации НТ конференций. Сер. 3. Микроэлектроника. Вып. 2/42. 1975. С. 28-32.

4. Родес Р.Г. Несовершенства и активные центры в полупроводниках. М.: Металлургия, 1968.

5. Новиков И,И., Дефекты кристаллического строения материалов.М.: Металлургия, 1975.

6. Гоффман Р, У. Физика тонких пленок, Т. 3. М.: Мир, 1968.

7. PrussinS. J.AppI.Phys. Vol.32. N10. 1961. Р.1876.

8. Lawrance .I.E. J.Electrochem.Soc. ИЗ. N8. 1966, P,819.

9. Гельд П.В., Сидоренко Д.А. Силициды переходных металлов четвертого периода .М.: Металлургия, 1971,

10.Prussin S. J.AppI.Phys., Vol.43. N6. 1972. P.2S50.

1 ].ХиртДж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомщдат, 1972. 600 с,

УДК 621.382.002(076.5)

О.А. Агеев, А.М. Светличный

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРНЫХ ФАКТОРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ИС НА НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЕ В ПОДЛОЖКЕ ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОМ НАГРЕВЕ

Таганрогский государственный радиотехнический университет,

пер. Некрасовский, 44, ГСП-17А, Таганрог, Ростовская обл., Россия, тел.: (86344) 61611, e-mail: ageev$)tsure.ru

Введение

Проблема повышения выхода годных изделий при производстве полупроводниковых приборов и ИМС является актуальной задачей микроэлектроники. Установлено, что одной из основных причин снижения качества являются механические напряжения [1,2,3,4]. Под действием механических напряжений не только деформируются полупроводниковые пластины, но в элементах ИС и на границах раздела происходят необратимые электрофизические изменения, приводящие к дефектообразованию и, как следствие, - снижению выхода годных приборов.

Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию механических напряжений и процессов дефектообразования в структурах ИС, при термообработке эти проблемы требуют дальнейших исследований [1-5]. Это связано в основном со сложной и многослойной конфигурацией структур ИС, в которой в большом количестве присутствуют различные концентраторы напряжений (разры-