CC BY
58
Секция физики
УДК 621.383
А.Г. Захаров, Н.А. Мисюра, П.В. Серба
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА ТОНКИХ СЛОЕВ СИЛИЦИДОВ ХРОМА ПРИ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКЕ
В настоящее время поликремний, применяемый для межсоединений, вытесняется полисилицидами тугоплавких, переходных и благородных металлов [1]. Ряд силицидов, кроме целей коммутации, используется и для формирования электродов затворов МОП-ИС, а также в качестве материала базы в транзисторах на основе горячих электронов. Среди силицидов наиболее широкое применение нашли дисилициды TiSi2, WSi2, TaSi2, MoSi2. Несмотря на различие электрофизических свойств перечисленных силицидов, трудно выделить один силицид как наиболее пригодный для формирования межсоединений, затворов и проницаемых баз наноразмерных систем.
Целью настоящей работы является разработка и исследование модели синтеза тонких слоев силицидов хрома при ионно-лучевой обработке структуры хром-кремний. Хром был исследован в связи с его сравнительно невысоким удельным сопротивлением (р = 19,0-10~6Ом-см; р = 51,5-10"6Ом-см; рп = 55 • 10"6Ом • см),
а также высокой химической стабильностью. Выбор ионно-лучевой обработки с целью формирования слоев силицидов хрома обусловлен тем, что данный способ позволяет строго задавать и контролировать энергию и интенсивность налетающих ионов на заданную область поверхности обрабатываемой структуры, реализовать процесс в локальном объеме [2], и, таким образом, целенаправленно управлять составом, структурой и электрофизическими свойствами силицидов хрома.
Моделирование процесса синтеза силицидов хрома проводилось на примерах облучения системы хром-кремний ионами инертных газов Не, №, Ar, & и Xe с энергиями от 50 до 300 кэВ.
В общем случае синтез в твердой фазе затруднен из-за наличия близко расположенных соседних атомов, которые препятствуют возникновению новой структуры. Поэтому образование новых фаз должно проходить через стадию, в которой атомы кристаллической решетки находятся в «беспорядочном» расположении. Такие области решетки определяются как тепловые пики. Объем каскадной области, в которой происходит выделение энергии иона E1 и преобразование ее в тепловую энергию, равен [3]
^^(Е)^2, (1)
где Яр^) - средний проективный пробег иона, нм, - средний проективный пробег атома отдачи, нм.
Кроме того, область теплового пика представляется идеальным газом с температурой Т, определяемой соотношением [3]
^^^З^кТ, (2)
где W(Ej)=Ei/NV(Ej) - средняя энергия, приходящаяся на один атом в каскаде, Дж; k - постоянная Больцмана; N - атомная плотность облучаемого материала.
При ионной бомбардировке металлов и полупроводников глубина залегания области, в которой протекают радиационно-стимулированные процессы, во многих случаях более чем в 103 превышает средний проективный пробег бомбардирующих частиц [4]. Обнаруживаемые структурные и фазовые превращения, не являющиеся результатом прямого теплового или радиационного воздействия, связаны с возникновением ударных волн при эволюции каскадов атомных столкновений. В адиабатическом приближении для оценки давления, обусловленного повышением температуры электронного газа, можно использовать следующее выражение [5]:
P=8Ei/Lk3, (3)
где Lk=2Rp(Ei) - характерный размер каскада.
Таким образом, механизм формирования новой фазы на поверхности кремния при ионной обработке можно представить следующим образом. Энергетический ион инертного газа, а также выбитый атом хрома создают в кристаллической решетке кремния область каскада соударений, в которой происходит разрыв связей между атомами кремния. При этом, в зависимости от энергии первичного иона или атома отдачи, атомы кремния, покинувшие узлы решетки, способны создать новые химические связи с внедренными атомами хрома, свойственные силицидам хрома. Состав и структура образующихся фаз определяются «мгновенными» значениями соотношения количества атомов хрома и кремния в локальных возбужденных областях. Последующие фазовые превращения практически отсутствуют, так как общая температура всей системы значительно ниже величин температур, свойственных термическим способам получения слоев силицидов [6].
Центром зарождения силицидных фаз являются каскады атомных столкновений (тепловые пики). При этом на первом этапе начинается ионно-стимулированная диффузия атомов кремния из подложки по границам зерен металлической пленки. Движущей силой диффузии являются ударные волны, проникающие в глубину кристаллической решетки кремния и обеспечивающие транспорт реагентов. Оценки с использованием выражения (3) показали, что давление в области каскада составляет величину порядка 109 Па, которое может привести к возникновению солитоноподобных волн с высокой запасенной плотностью энергии, что является основным фактором, инициирующим химические и структурные превращения в объеме кристалла [5]. Затухание уединенных волн приводит к расширению зоны фазовых превращений, индуцированных ионной бомбардировкой, поэтому глубина перестройки кристаллической решетки более чем в 103 раз превышает проекционный пробег. Таким образом, образование силицидных фаз при ионном облучении является результатом процессов разрыва химических связей Si-Si в областях каскадов атомных столкновений с участком ударных волн и образования связей Cr-Si. На рис. 1 представлена зависимость средних проективных пробегов ионов инертных газов для рассматриваемой системы Cr(30 нм)^ от их энергии. На рис. 2 приведены зависимости локальной температуры внутри каскада от типа и энергии налетающих ионов в диапазоне энергий от 50 до 300кэВ.
На основании полученных зависимостей можно сделать вывод о том, что с увеличением энергии бомбардирующих частиц локальная температура в области каскада атомных смещений увеличивается, кроме того, она возрастает и с увеличением порядкового номера налетающих ионов. В выбранном диапазоне энергий локальная температура в области каскадов 1,6-103^2,8-104оС, что существенно превы-
шает температуру плавления кремния и хрома (ТплБ1= 1 417°C; ТплСг=1 903°C) и, таким образом, позволяет сделать вывод о принципиальной возможности образования силицидов хрома при облучении системы хром-кремний ионами инертных газов. Распределения концентраций перемешанных атомов хрома и кремния были получены решением уравнения переноса численным методом. Функции атомного смещения были получены с помощью программы Trim. На рис.3 представлен пример распределения относительных концентраций перемешанных атомов хрома и кремния при облучении системы Cr/Si ионами ксенона с различной энергией.
Полученные распределения и диаграммы состояний бинарной системы хром-кремний позволяют оценить возможность образования силицидов различного состава и размеры областей их формирования. Результаты анализа представлены в таблице.
МО5 2*10' 3-Ю5
Рис.1. Зависимость средних проективных пробегов ионов инертных газов для системы Сг(30 нм)/Б1 от их энергии
Диапазоны областей формирования силицидов хрома в зависимости от энергии и типа
0
ионов, А
х Ионы Xe, кэВ Kr, кэВ
N. инертных
\газов и их
^Энергии
Силицид N.
хрома n
50 100 200 300 50 100 200 300
Cr3Si 263 - 262 - 253 - 236 - 270 - 255 - 252 - 252 -
275 270 259 252 279 262 260 260
Cr5Si3 277 - 281 - 268 - 267 - - 265 - 261 - 265 -
281 307 275 287 307 278 280
CrSi - - 287 -275 - 280 -290 - 290 -308 285 -305
CrSi2 327 - 326 - 308 - 324 - 296 - 312 - 320 - 310 -
340 330 312 336 304 323 330 330
Окончание
N Ионы инертных газов и их ^ч энергии Силицид^ч хрома N Аг, кэВ кэВ Не, кэВ
50 100 200 300 50 100 200 300 50
Сг381 258 -265 259 -265 262 -270 265 -273 275 -280 274 -277 275 -280 277 -284 274 -282
С^з 268 -277 269 -280 272 -280 275 -282 280 -285 279 -282 - - -
СгБ1 277 -285 280 -305 282 -290 283 -285 - - - - -
СгБЬ 295 -307 309 -315 304 -312 292 -310 293 -303 290 -293 288 -292 290 -295 285 -290
Рис.2. Зависимость локальной температуры внутри каскада от типа и энергии
налетающих ионов
а б
Рис.3. Распределение перемешанных атомов хрома и кремния при облучении системы Ст/81 ионами ксенона с энергией 50 кэВ (а) и 300 кэВ (б)Т~\ (Сг) \ (81)
Отличительной особенностью рассмотренной модели синтеза силицидов является возможность их формирования без образования твердых растворов хрома и кремния.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
♦ бомбардировка ионами инертных газов системы Сг/Б1 стимулирует взаимодействие между атомами пленки хрома и кремниевой подложки с образованием слоев силицидных фаз при температуре подложки существенно более низкой, чем при синтезе аналогичных фаз термической обработкой;
♦ фазовый состав, структура, электрофизические свойства и размеры образующихся слоев силицидов хрома определяются энергией ионов, типом ионов и дозой облучения;
♦ на начальной стадии процесса формирования силицидных фаз центрами их зарождения могут быть каскады атомных столкновений, возникающие в системе Сг/8ц затем происходит ионно-стимулированная диффузия, обусловленная ударными волнами, распространяющимися в объеме кремния; заключительный этап характеризуется увеличением объема силицидной фазы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Данилин Б.С. Силициды и полициды в производстве СБИС// Итоги науки и техники. Сер. Электроника. М.: 1989. Т.25.
2. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. М.: Мир,1985 .
3. Зигмунд П. Распыление ионной бомбардировкой, общие теоретические представления; Под ред. Р. Бершина: М.: Мир ,1984 .
4. Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Куракин Н.Б. Воздействие пучков заряженных частиц на поверхность металлов и сплавов М.: Энергоиздат, 1987.
5. Павлов П.В., Скупов В.Д., Тетельбаум Д.И. О роли механических напряжений и упругих волн в структурных превращениях в кристалле при ионной бомбардировке и последующем отжиге // Физика и химия обработки материалов. 1987. №6. С.19-24.
6. Туренко Е.А., Яценко О.Б. Фазовые превращения при ионно-плазменном синтезе тонкопленочных силицидов меди // Конденсированные среды и межфазные границы. Т.2, 2000. №3. С.218-222.
УДК 551.594
Г.В. Куповых, А.Г. Марченко
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ АТМОСФЕРНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ
Для проведения атмосферно-электрических наблюдений разработан измерительный комплекс, включающий в себя датчики градиента потенциала электрического поля, полярных проводимостей воздуха и плотности тока. Регистрация электрических параметров атмосферы в автоматическом режиме реализована с помощью высокоскоростного аналого-цифрового преобразования (АЦП) на базе компьютера РеШ:шт-120 .
Измерителем градиента потенциала электрического поля атмосферы является электростатический флюксметр, обладающий двумя встроенными каналами с диапазонами измерения 0-500 В/м (1-й канал) и 500-5000 В/м (2-й канал). Прибор для измерения проводимости воздуха представляет собой блок аспирационных конденсаторов, сопряженных с электрометрическими усилителями. Предел диапазона измерений - 25 фСм/м. Для измерения плотности электрического тока используется метод пластины (пластина сопряжена с электрометрическим усилителем). Диа-
