CC BY
70
Э Л Е К Т Р О Н И К А
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, доц. МАРКЕВИЧМ. И.1, 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 к активным и пассивным элементам схемы. Использовавшийся ранее алюминий подвержен электромиграции, которая приводит к резкому падению надежности СБИС. В качестве замены применяется дисилицид титана (Т1812), обладающий малым удельным сопротивлением [1, 2]. Наряду с Т1812 перспективным материалом для различных электронных устройств является дисилицид железа |3—Ре81з-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 импульсных методов обработки систем, которые позволяют снижать тепловую нагрузку на полупроводниковую пластину при создании СБИС. В данной статье рассматривается импульсный фотонный отжиг (ИФО), который применяли для формирования тонких пленок дисилицидов железа и титана.
Методика эксперимента. Исходная система для исследования закономерностей формирования дисилицида титана представляла собой
^Я Наука
итехника, № 2, 2013_
многослойную систему TiN-Ti-Si, которая формировалась на подложке кремния ориентации (001) методом магнетронного нанесения на установке Varían m2i. Предварительно проводили химическую очистку 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 рассчитывали по формуле
PFe = PFe^Fe/AFe(pFe^Fe/AFe + PSids/Asi), (1)
где pFe, pSi - плотность железа и кремния; AFe, ASi - атомный вес железа и кремния; dFe, 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 силицида железа FeSi2, составляло 50-30-50 нм соответственно.
Напыленные тонкопленочные системы подвергали ИФО на установке УОЛ.П-1, нагрев образцов в рабочей камере осуществляли 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 электронной микроскопии на просвет (элек-
тронный 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 выполняли 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 (10-10-10-6 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 (10-2 с и более) -реализуется, когда тепловой фронт достигает необлучаемой стороны образца и выравнивает температурный профиль по толщине.
Перспективность импульсной фотонной обработки в режиме теплового баланса связана с равномерным нагревом пластины по толщине, что не позволяет ей деформироваться [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 реализуют 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]
Jfjl
р с h — = (1-R)E-2 ео(Т4 - Г04 ), dt
(2)
где р, с - плотность и теплоемкость кремния; Н - толщина кремниевой пластины; Е - плотность мощности светового потока, падающего на структуру; Я - отражательная способность; Т0 - температура окружающей среды; t - время; е - степень черноты; о - постоянная Стефана-Больцмана.
Характерные зависимости изменения температуры от времени в исследуемых авторами режимах приведены на графиках рис. 1. Из графиков видно, что в процессе импульсной фотонной обработки происходит резкий подъем температуры за короткий промежуток времени: за 2 с при плотности энергии 285 Дж/см2 температура достигает более 800 °С. При достижении такой температуры в гетерострукту-ре ТК-ТС^ создаются условия для формирования дисилицида титана TiSi2 в модификации С54.
а
t, с 60
Рис. 1. Изменение температуры образца в зависимости от времени при различных плотностях энергии и длительности облучения: а - 230 Дж/см2, 1,6 с; б - 285 Дж/см2, 2 с
Наука итехника, № 2, 2013
Методами электронной просвечивающей микроскопии провели исследования структуры и фазового состава поверхностного слоя, образовавшегося в результате ИФО системы TiN-Ti-Si. Было установлено, что при плотностях 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 C54 (рис. 2а). На рис. 2б приведена структура пленок, подвергнутых ИФО.
позиции составляет около 1:2, что является оптимальным для формирования дисилицида железа. Кроме того, исходная композиция содержит существенное количество кислорода, что обусловлено абсорбцией остаточных газов при осаждении тонкопленочной системы и вкладом кислорода из слоя оксида на поверхности кремниевой пластины (рис. 3).
c:\edax32\genesiB\genrnaps.spc 2.0т „: LSecs : 71
1.6 ■
1.2 ■ KCnt 0.S
0.4
Si
OFe
0.00 2.00 4.00 6.00 S.00 10.00 12.00 14.00 Energy -keV
Рис. 3. Рентгеновские спектры исходного образца Si-Fe-Si
Рис. 2. Электронограмма на просвет (а) и структура (б) тонкопленочной системы Т1Ы—Т1—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 с ориентацией (001), о чем свидетельствует наличие муаровых полос на электронно-микроскопическом изображении структуры слоя Т1812—81 (рис. 2). Средний размер зерен составляет 150-200 нм.
Исследования композиции 81-Ре—81 с помощью системы энергодисперсионного рентгеновского микроанализа показали, что атомное соотношение железо:кремний в исходной ком-
Наука
итехника, № 2, 2013_
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
а
б
Результаты рентгеноспектральных измерений с дисперсией по энергии согласуются с данными, полученными с использованием электронографии.
В Ы В О Д
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/см . Определены оптимальные режимы импульсного фотонного отжига для формирования на кремнии тонких пленок дисилицидов железа и титана. При плотностях энергии более 275 Дж/см2 происходит формирование дисилицида 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 TiSi2 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 FeSi1+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 дисилицида 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 06.07.2012
итехника, № 2, 2013
