CC BY
38
УДК 539.234:666-416
СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ТОНКИХ АЛЮМИНИЕВЫХ ПЛЕНОК НА СИЛИКАТНЫХ СТЕКЛАХ
КАНУННИКОВА О.М., КОЖЕВНИКОВ В.И., ГОНЧАРОВ О.Ю.
Физико-технический институт УрО РАН, Ижевск, Россия, uds@pti.udm.ru
АННОТАЦИЯ. Методами рентгеноэлектронной спектроскопии и атомно-силовой микроскопии исследованы состав и структура тонких алюминиевых пленок, полученных магнетронным распылением. Проведен термодинамический расчет состава осажденных пленок.
ВВЕДЕНИЕ
Пленки алюминия получили широкое распространение при изготовлении полупроводниковых приборов и ИС для получения омических контактов к кремнию, контактных площадок, а также электродов затвора МОП структур, что обусловлено следующими достоинствами этого металла:
- низкой стоимостью А1 и возможностью использования его для всех процессов металлизации, что значительно упрощает и удешевляет технологию и предотвращает возникновение гальванических эффектов;
- высокой электропроводностью пленок А!, близкой к электропроводности объемного материала;
- высокой адгезией А1 к кремнию и двуокиси кремния;
- химической стойкостью А1 в окислительной среде и радиационной стойкостью;
- легкостью проведения фотолитографических операций для получения конфигурации проводящих дорожек с использованием травителей, не реагирующих с кремнием и двуокисью кремния;
- хорошей пластичностью А1 и устойчивостью к циклическим изменениям температуры.
Работоспособность устройств с алюминиевыми пленками зависит от структуры пленок. Чем больше величина зерна и чем более совершенна кристаллическая структура пленки, тем меньше ее удельное сопротивление. Одним из существенных недостатков пленок чистого А1 является перенос вещества в результате электродиффузии (дрейфа ионов материала вдоль проводника, если на концах последнего имеется разность потенциалов). Скорость перемещения ионов увеличивается с ростом температуры. Помимо электродиффузии, возможна диффузия атомов металла в результате разности температур на концах проводника. Если А1 осаждается на окисел кремния, то это вызывает плохой отвод тепла, появление «горячих» центров на проводящих дорожках и как следствие значительные градиенты температуры. Электромиграция А1 при плотностях тока, меньших, чем для других металлов, приводит к появлению пустот в пленке. Поскольку электродиффузия является активационным процессом, то она существенно зависит от состояния поверхности границы зерен. Уменьшение протяженности границ за счет увеличения размеров зерна может существенно увеличить энергию активации и как следствие увеличить срок службы устройств на основе пленок алюминия.
Таким образом, очевидна актуальность исследований структуры тонких пленок алюминия. В данной работе исследованы структура пленок и состав границ раздела пленка-подложка пленок алюминия, полученных методом магнетронного распыления.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Пленки получены методом магнетронного распыления алюминия на установке ВАТТ-1600 -3М (АО «Ферри-ватт», г. Казань). Распыляемая мишень (алюминий Ад0) движется вдоль поверхности стекла и является катодом, на который подается отрицательный потенциал (~400 В). Вторым электродом является корпус камеры. Распыление проводилось в атмосфере аргона при давлении 10-5 мм рт.ст. [1]. Поскольку в качестве подложек в микроэлектронике в основном применяют аморфные диэлектрические материалы, в качестве их аналога в работе использовалось силикатное стекло. Пленки напылялись на стекло состава 79,7% SÍO2+ 15,4% CaO + 4,2 % La2O3 + 0,7% Na2O.
Рентгеноэлектронные спектры возбуждались MgKa излучением в спектрометре ЭС-2401. Вакуум не хуже 10" мм рт.ст. Очистка поверхности и послойное травление проводилось бомбардировкой ионами аргона (1 кэВ).
Морфология поверхности пленок исследовалась методом атомной силовой микроскопии (АСМ) на сканирующем зондовом микроскопе Solver P-47 в полуконтактном режиме на воздухе с использованием кремниевых зондов фирмы NT МДТ.
Для анализа состава осажденных пленок были проведены термодинамические расчеты характеристик равновесия в многокомпонентной гетерогенной системе SiO2 - Al - воздух по методологии, основанной на нахождении экстремума энтропии системы при соблюдении ряда граничных условий и реализованной в виде программы АСТРА (автор Трусов Б.Г., МГТУ им. Баумана). В связи с возможностью образования многослойных структур использовалась методика [2], предназначенная для послойного анализа и предполагающая наличие локального равновесия в каждом слое. Были выбраны следующие условия:
- общее давление в реакционном пространстве, определяемое в основном остаточным давлением воздуха, близко к
10-5 Па и неизменно;
- температура 500К;
- соотношение SiO2 / Al линейно возрастает от 0% на границе раздела воздух-алюминий до 100% на границе алюминий-оксид кремния.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Мы исследовали пленки алюминия толщиной 300 нм и 120 нм. Составы пленок проанализированы методом рентгеноэлектронной спектроскопии. Поверхность пленок окислена до Al2O3. После удаления оксида алюминия бомбардировкой ионами аргона в составе пленки наблюдаются металлический алюминий и следы кислорода. В таблице приведены составы границ раздела пленка-подложка, исследованные после удаления пленки бомбардировкой ионами аргона. В более тонкой пленке состав кремнийкислородного соединения алюминия соответствует SiO2' 1,5 Al2O3 , а в более толстой - SiO2 ' 2,5 Al2O3 . В Si2p-спектрах наблюдаются составляющие от неокисленного кремния.
Таблица
Состав границ раздела пленка алюминия -подложка силикатного стекла
Si O Металл
Образец Хим. связь Конц., Хим. связь Конц., Хим. связь Конц.,
ат.% ат.% ат.%
Al \ SÍO2, Si0 1,1 O-Si(SiO2) 9,3 Al0 10,1
120 нм Si-O(SiO2) 4,3 O-Al(AhO3) 18,5 Al-O 9,6
Si-O-Al 4,0 O-Al-Si 31,8 Al-Si-O 11,0
Al \ SÍO2, Si0 0,15 O-Si(SiO2) 2,1 Al0 19,0
300 нм Si-O(SiO2) 0,92 O-Al(AhO3) 26,9 Al-O 15,0
Si-O-Al 1,72 O-Al-Si 23,1 Al-Si-O 8,0
Как следует из результатов термодинамических расчетов, при напылении пленки в атмосфере аргона алюминий частично восстанавливает оксид кремния на границе SiO2 - А1 до металлического кремния, образуя при этом также значительные количества А1203 и А1^Ю5 (до 58 и 30 мол.% соответственно).
На рис.1 приведены результаты расчетов состава границы раздела пленки, напыленной в остаточной атмосфере воздуха [3]. Кроме оксида и силиката алюминия, образуются примеси Si3N4 на границе раздела и АШ по всей глубине алюминиевой пленки.
Рис. 1. Содержание компонентов в конденсированной фазе х,- (мол. доли) в зависимости от соотношения SЮ2/Al в системе «воздух - А1 - ЗЮ2»
При получении вакуума в напылительной камере диффузионными масляными насосами без дополнительных ловушек в состав остаточной атмосферы камеры попадают углеводороды с длиной цепи от 3 до 8 атомов углерода, двуокись углерода, вода [4]. Присутствие этих примесей влияет на состав пленки и границы раздела. Согласно результатам рентгено-электронного анализа, углерод присутствует во всей толщине пленки полученной в атмосфере, содержащей углеводороды, причем его концентрация возрастает от 30 ат.% на внешней поверхности до ~ 70 ат.% на границе раздела пленка- подложка.
Для описания физических механизмов роста пленок существует две модели: модель Освальда и коалесцентная [5,6]. В первой модели предполагается, что первичные островки фиксированно располагаются на поверхности подложки. Основными процессами при напылении пленки является удаление отдельных атомов или молекул из напыленных островков и коалесценция мелких островков в более крупные. Островки, размеры которых меньше некоторой критической величины, исчезают, а более крупные увеличиваются.
В коалесцентной модели островки подвижны. Диффузия может осуществляться двумя путями: распыление - конденсация и перефирийная диффузия. В первом случае фундаментальным процессом, аналогично модели Освальда, смещение центра массы островков происходит в результате удаления отдельных атомов. Во втором - центр массы смещается вследствие изменения положения пограничных атомов. Рост островков идет путем перекрывания и коалесценции. Таким образом, различие между моделями сводится к различиям механизмов миграции островков. В случае диффузии путем распыления-конденсации увеличение толщины пленки сопровождается уменьшением размеров поверхностных структур и увеличением их количества. В случае же переферийной диффузии с увеличением толщины пленки диаметр поверхностных структур увеличивается, при этом их высота изменяется несущественно.
(а)
в гее 400 еве вив им
(б)
пН
0-И
Рис. 2. АСМ изображения пленок алюминия на кварцевом стекле: а - 300 нм, б - 120 нм.
Топография пленок алюминия, полученных напылением в аргоне, представлена на рис.2. Пленки сформированы из полусферических структур. На поверхности пленки толщиной 120 нм диаметр структур порядка 20 нм, высота - 3 нм. С увеличением толщины пленки мелкие структуры сливаются в более крупные: диаметр крупных структур порядка 50 нм, высота - 3 нм, т.е. наблюдается переферийная диффузия первичных поверхностных структур.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При магнетронном распылении рост пленок алюминия сопровождается поверхностной диффузией первичных поверхностных структур.
На границе раздела подложка-пленка в атмосфере аргона образуются оксид и силикаты алюминия, причем с увеличением толщины пленки наблюдается увеличение относительного количества окиси алюмосиликатов.
В пленке, напыленной в остаточной атмосфере воздуха, кроме металлического алюминия и следов оксида алюминия, образуется АШ. На границе раздела пленка-подложка, кроме оксида и силиката алюминия, образуется нитрид кремния SiзN4.
В пленках, напыленных в атмосфере, содержащей углеводороды, по всей толщине наблюдается углерод, причем его концентрация возрастает по мере удаления от внешней поверхности к границе раздела пленка- подложка. На пленках появляются дефекты в виде мутных пятен.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кожевников В.И., Гильмутдинов Ф.З., Канунникова О.М. Влияние остаточной атмосферы на качество напыления алюминиевых зеркал // Стекло и керамика, 2000. №11. С. 15-17.
2. Гончаров О.Ю., Канунникова О.М., Ломаева С.Ф., Шаков А.А. Состав поверхностных слоев, образующихся при получении аморфного сплава Fe70Cr15B15 // ФММ, 2001. Т.91, №6. С.64-71.
3. Канунникова О.М., Гончаров О.Ю., Гильмутдинов Ф.З., Ломаева С.Ф. Тонкие пленки меди, золота и алюминия на силикатном стекле // Стекло и керамика, 2002. №10. С.29-31.
4. Уэстон Дж. Техника сверхвысокого вакуума. М.: Мир, 1988. 365 с.
5. Gratz H. Ostwald ripening: a new relations between particle growth and particle size distribution // Scripta Mater., 1997. V.37, N1. P.9-16.
6. Suemitsu M., Togashi H., Abe T. Autocatalytic reaction model : a phenomenology for nucleation-coalescence growth of thin films // Thin Solid Films, 2003. V.428. P.83-86.
SUMMARY. By means of X-ray electron spectroscopy and molecular-dynamic simulations composition and structure of thin aluminium films on silicate glasses have been obtained. Thermodynamic analysis of films composition was performed.
