CC BY
86
НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ
УДК 621.315:621.785.3
ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ФОТОННОГО ОТЖИГА НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ И ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
Докт. физ.-мат. наук МАРКЕВИЧМ. И.У, докт. физ.-мат. наук, проф. ЧАПЛАНОВ А. М.2>,
канд. физ.-мат. наук ЩЕРБАКОВА Е. Н.2)
1 Белорусский национальный технический университет, 2Физико-технический институт НАН Беларуси
С увеличением плотности тока в сверхбольших интегральных схемах (СБИС) возникает проблема межслойных соединений и контактов c активными и пассивными элементами схемы. Использовавшийся ранее алюминий подвержен электромиграции, которая приводит к резкому падению надежности СБИС. В качестве замены применяется дисилицид титана (ГВД, обладающий малым удельным сопротивлением [1, 2]. Наряду с ^2 перспективным материалом для применения в различных электронных устройствах является дисилицид железа р-модификации FeSi2. В силу своих электрофизических, оптических и теплофизических свойств он находит применение в солнечных элементах для повышения их коэффициента полезного действия, в источниках излучения с X ~ 1,5 мкм, в волоконно-оптических линиях связи [3, 4]. На основе силицидов железа создают термоэлектрические элементы для термоэлектрических генераторов и резистивные материалы с низким температурным коэффициентом сопротивления [5].
Следует отметить, что дальнейшее увеличение степени интеграции невозможно без применения импульсных методов обработки систем, которые позволяют снижать тепловую нагрузку на полупроводниковую пластину при создании СБИС. В проводимых авторами исследованиях для формирования тонких пленок дисилицидов железа и титана применялся импульсный фотонный отжиг (ИФО).
Методика эксперимента. Исходная система для исследования закономерностей форми-
рования дисилицида титана представляла собой многослойную систему TiN-Ti-Si, которая формировалась на подложке кремния ориентации (001) методом магнетронного нанесения на установке Varían m2i. Предварительно проводилась химическая очистка подложки кремния в буферном травителе на основе HF с последующим ВЧ травлением в атмосфере аргона на глубину 5 нм. После ИФО системы TiN-Ti-Si снимался верхний защитный слой нитрида титана.
Тонкопленочная система Si-Fe-Si была сформирована на кремниевой подложке методом электронно-лучевого осаждения. Верхний слой кремния необходим для предотвращения окисления железа. Состав осажденной композиции рассчитывался по формуле
PFe = PFe^Fe/AFe(pFe^Fe/AFe + PSidsi/Asi), (1)
где pFe и psi - плотность железа и кремния; AFe и Así - атомный вес железа и кремния; dFe и dsi - толщина осажденной пленки железа и кремния; PFe - атомное процентное содержание железа.
Согласно расчетам соотношение толщин слоев в многослойной композиции Si-Fe-Si, оптимальное для формирования дисилицида железа FeSi2, составляло 50-30-50 нм.
Напыленные тонкопленочные системы подвергались ИФО на установке УОЛ.П-1, нагрев образцов в рабочей камере осуществлялся излучением трех газоразрядных ксеноновых ламп ИНП 16/250 в вакууме при Рост = 3 • 10-3 Па.
Исследования структурных и фазовых превращений в системах проводили методами
Наука итехника, № 5, 2012
электронной микроскопии на просвет (электронный микроскоп JEM 200-CX) и электронографии на отражение (электронограф малоугловой регистрирующий ЭМР-102). Для расшифровки электронограмм использовали базу данных of the International Centre for Diffraction Data. Исследования элементного состава проводили с помощью системы энергодисперсионного микроанализа для сканирующих микроскопов, установленной на микроскопе SEM 515. Качественный и количественный анализы проводили с помощью пакета программного обеспечения Genesis SEM Quant ZAF software, использующего матрицу ZAF коррекции. Величина ускоряющего напряжения в процессе проведения исследований составляла 6,3 кВ.
Результаты и их обсуждение. Режимы термообработки существенно зависят от плотности энергии и длительности обработки. Выделяют три наиболее важных случая [6] :
• адиабатический режим (1010-10-6 с) реализуется в диапазоне коротких световых импульсов;
• режим теплового потока (10-6-10-2 с) реализуется, когда за время импульсной фотонной обработки область диффузионного перераспределения теплоты становится больше толщины слоя, в котором происходит поглощение излучения, но не распространяется на всю толщину образца [4];
• режим теплового баланса (10-2с и более) реализуется, когда тепловой фронт достигает не облучаемой стороны образца и выравнивает температурный профиль по толщине.
Перспективность импульсной фотонной обработки в режиме теплового баланса связана с равномерным нагревом пластины по толщине, что обеспечивает отсутствие ее деформаций [4]. При такой обработке кремниевой пластины и гетероструктур на основе кремния с использованием секундных импульсов следует учитывать потери теплоты на излучение от самой пластины. Процесс нагрева пластины и гетероструктуры TiN-Ti-Si импульсами секундной длительности представляют при допущениях [7]:
• импульс излучения имеет прямоугольную форму;
• перед облучением температура гетеро-структуры постоянна по всему объему;
• отсутствует теплообмен между пластиной и подложкодержателем;
• отсутствуют градиенты температуры по всем координатам.
Процесс нагрева кремниевой пластины и структуры на ней описывается уравнением теплового баланса [8]
рекМТ = (1 -Я)Е-2еи(Т4 -Г04), (2) М
где р - плотность кремния; с - теплоемкость кремния; Н - толщина кремниевой пластины; Е - плотность мощности светового потока, падающего на структуру; Я - отражательная способность; То - температура окружающей среды; г - время; е - степень черноты; о - постоянная Стефана - Больцмана.
Характерные зависимости изменения температуры от времени в исследуемых авторами режимах приведены на рис. 1. На приведенных графиках видно, что в процессе импульсной фотонной обработки происходит резкий подъем температуры за короткий промежуток времени. Согласно рис. 1 за 2 с при плотности энергии 285 Дж/см2 температура достигает более 800 °С. При достижении такой температуры в гетероструктуре TiN-Ti-Si создаются условия для формирования дисилицида титана TiSi2 в модификации С54.
800
т, °е
600 500 400 300 200 100
0 10 20 30 40 t, с 60
1000
т, °е 800
600
400
200
о 10 20 30 40 г, с 60
Рис. 1. Изменение температуры образца в зависимости от времени при различных плотности энергии и длительности облучения: а - 230 Дж/см2, 1,6 с; б - 285 Дж/см2, 2,0 с
■■ Наука итехника, № 5, 2012
а
б
Методами электронной просвечивающей микроскопии были проведены исследования структуры и фазового состава поверхностного слоя, образовавшегося в результате ИФО системы Было установлено, что при плотности энергии 170 Дж/см2 на поверхности кремния образуется силицид титана TiSi. Увеличение плотности энергии до 300 Дж/см2 приводит к образованию дисилицида титана TiSi2 модификации С54 (рис. 2а). На рис. 2б приведена структура пленок, подвергнутых ИФО.
ч
Рис. 2. Электронограмма на просвет (а) и структура (б) тонкопленочной системы ТМ-Т-Б! после ИФО при плотности энергии 340 Дж/см2
При импульсной фотонной обработке плотностью энергии 340 Дж/см2 и длительностью 2,2 с происходит эпитаксиальный рост пленок дисилицида титана в модификации С54 на поверхности кремния ориентации (001), о чем свидетельствует наличие муаровых полос на электронно-микроскопическом изображении структуры слоя TiSi2-Si (рис. 2). Средний размер зерен составляет 150-200 нм.
Исследования композиции Si-Fe-Si с помощью системы энергодисперсионного рентгеновского микроанализа показали, что атомное соотношение железо:кремний в исходной композиции составляет около 1:2, что является оптимальным для формирования дисилицида железа. Кроме того, исходная композиция содер-
Наука
итехника, № 5, 2012_
жит существенное количество кислорода, что обусловлено абсорбцией остаточных газов при осаждении тонкопленочной системы и вкладом кислорода из слоя оксида на поверхности кремниевой пластины (рис. 3).
2,0 1 KCnt 1,6 -
1,2-
Si
OFe
0,8 -
0,4-
0 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 Energy 14.00 Рис. 3. Рентгеновские спектры исходного образца Si—Fe—Si
Электронографические исследования систем Si-Fe-Si показали, что осажденные пленки являлись аморфными, на электронограммах присутствует характерное гало. Импульсный отжиг при плотности энергии 100-150 Дж/см2 не приводит к изменению вида электроно-грамм, пленки остаются аморфными. Как показывает расшифровка полученных электроно-грамм от образцов после ИФО с плотностью энергии 200 Дж/см2 и длительностью импульса 1,4 с (температура 670 °С), на поверхности системы образуется поликристаллическая пленка, состоящая из дисилицида железа Р-модифика-ции FeSi2. При увеличении плотности энергии до 250 Дж/см2 вид электронограммы не изменяется (рис. 4).
Рис. 4. Электронограмма на отражение от тонкопленочной системы Si-Fe-Si после ИФО при плотности энергии 250 Дж/см2
Результаты рентгеноспектральных измерений с дисперсией по энергии согласуются с данными, полученными с использованием электронографии.
а
б
В Ы В О Д Ы
В результате проведенных исследований установлены основные закономерности структурных и фазовых превращений, происходящих в тонкопленочных системах TiN-Ti-Si и Si-Fe-Si при воздействии импульсов некогерентного излучения ксеноновых ламп с плотностью энергии от 100 до 340 Дж/см2. Определены оптимальные режимы импульсного фотонного отжига для формирования на кремнии тонких пленок дисилицидов железа FeSi2 и титана TiSi2. При плотности энергии более 275 Дж/см2 происходит формирование дисили-цида титана в модификации С54. Результаты исследований свидетельствуют о перспективности использования импульсного фотонного отжига для синтеза тонких пленок силицидов титана и железа.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. ^нтез пленок Т1Б12 в процессе вакуумной конденсации и методом импульсной фотонной обработки /
В. М. Иевлев [и др.] // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2009. - Т. 11, № 3. - С. 216-220.
2. Ion beam synthesized silicides: growth, characterization and devices / K. Homewood [et al.] // Thin Solid Films. -2001. - Vol. 381, Issue 2. - P. 188-193.
3. Experimental investigation of the band edge anisotro-py of the b-FeSi2 semiconductor / M. Marinova [et al.] // Solid State Sciences. - 2008. - Vol. 10. - Р. 1369-1373.
4. Исследование сверхтонких пленок силицида железа, выращенных твердофазной эпитаксией на поверхности Si (001) / В. В. Балашев [и др.] // Физика твердого тела. -2010. - Т. 52, вып. 2. - С. 370-376.
5. Формирование резистивных свойств двухфазных систем полупроводник - металл на основе FeSh+i при малых отклонениях от стехиометрии / А. А. Повзнер [и др.] // ЖТФ. - 2001. - Т. 71, вып. 8. - С. 109-111.
6. Пилипенко, В. А. Быстрые термообработки в технологии СБИС / В. А. Пилипенко. - Минск: Издательский центр БГУ, 2004. - 531 с.
7. Электрофизические и механические свойства ди-силицида титана, полученного с применением быстрой термообработки / В. А. Пилипенко [и др.] // Вестник БГУ. - 2001. - Сер. 1. - № 2. - С. 43.
8. Борисенко, В. Е. Твердофазные процессы в полупроводниках при импульсном нагреве / В. Е. Борисенко. -Минск: Наука и техника, 1992. - 247 с.
Поступила 06.02.2012
УДК 678.01:621.7:627.217
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НАНОТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА СМЕСЕВЫХ МАТРИЦАХ ДЛЯ АВТОКОМПОНЕНТОВ
Докт. техн. наук, проф. ИВАШКО В. С.1), ВОРОНЦОВ А. С.2)
1 Белорусский национальный технический университет, 2Гродненский государственный университет имени Янки Купалы
Ресурс функциональных автоагрегатов (карданных валов, тормозных камер, амортизаторов и др.) в значительной мере определяется эффективностью использованных конструкторских, материаловедческих и технологических решений, позволяющих снизить неблагоприятное воздействие эксплуатационных факторов на интенсивность коррозионно-механического изнашивания. Важное место в номенклатуре оптимизационных решений принадлежит композиционным покрытиям различного функционального назначения, номенклатура которых в настоящее время не полностью удовлетворяет требованиям инновационной продукции и нуж-
дается в совершенствовании и развитии на базе последних достижений материаловедения и технологии композиционных материалов на высокомолекулярных матрицах [1-3]. При разработке технологии формирования функциональных покрытий из суспензий и расплавов полимерных композиций с применением технологий воздушного распыления и псевдоожижения многие авторы [3-8] рекомендуют комплексный подход, учитывающий особенности состава, структуры, электрофизических и реологических параметров, характеризующих каждый компонент формируемой системы: олиго-мерную или полимерную матрицу, дисперсный
Наука итехника, № 5, 2012
