CC BY
50
Физика твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2007, № 5, с. 35-38
УДК 621.382
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК №^й-х, СФОРМИРОВАННЫХ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ
© 2007 г. Д.А. Савельев, Д.О. Филатов, Е.С. Демидов, Д.М. Дружное, С.М. Планкина
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского [email protected]
Поступнла в редакцню 11.09.2007
Исследованы морфология, кристаллическая структура, электрофизические и оптические свойства тонких аморфных пленок №^1-г (х=0+1), сформированных методом импульсного лазерного осаждения на подложках кварца. Показано, что пленки №^1-г по своим свойствам удовлетворяют, по крайней мере, части требований, предъявляемых к материалам затворов МОП-транзисторов нового поколения.
Введение
В настоящее время совершенствование приборов микроэлектроники, в частности, увеличение быстродействия интегральных схем (ИС) достигается за счет уменьшения характерных размеров активных элементов. Уменьшение размеров МОП-транзисторов диктует необходимость уменьшения эффективной толщины слоя подзатворного диэлектрика до 10 нм и менее. В качестве одного из путей решения рассматривается замена оксинитрида кремния (используемого сейчас в качестве подзатворного диэлектрика) на материалы с высокими значениями диэлектрической проницаемости е > 20 (т.н. Ыgh-k диэлектрики), а поликремниевых затворов - на металлические. К материалам металлических затворов предъявляются жесткие требования по удельному сопротивлению, шероховатости поверхности, температурной стабильности, а также значениям работы выхода электронов. Чтобы удовлетворить этим требованиям, предлагались двухкомпонентные системы материалов: Та№, Т№, SiNi и др.
В работе исследованы морфология, структура, электрофизические и оптические свойства тонких (20^40 нм) аморфных пленок нестехиометрического соединения №^1-х (х = 0^1), сформированных на подложках из плавленого кварца методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО). Целью работы было исследование влияния соотношения компонент на электрофизические свойства пленок (в частности работу выхода электронов из материала пленок) и выяснения возможности их использования в каче-
стве материала затвора в перспективных МОП-транзисторах.
Методика эксперимента
Осаждение пленок №^1-х проводилось при комнатной температуре подложки методом ИЛО в сверхвысоком вакууме (при давлении остаточных газов р0 ~ 10-7 Па) в камере препарирования рентгеновского фотоэлектронного спектрометра XSAM-800 (Kratos) путем совместного испарения мишеней Si и № с помощью АИГ :№ лазера с удвоением частоты (дина волны излучения X = 532 нм), работающего в режиме модуляции добротности. Одним из преимуществ метода ИЛО является качественное перемешивание атомов соосаждаемых материалов, что при температуре подложки 300К приводит к формированию однородных по составу пленок. Образцы были изготовлены в Московском инженерно-физическом институте.
Для определения элементного состава пленок использовался метод обратного резерфор-довского рассеяния (ОРР). Исследование кристаллической структуры пленок №^1-х проводилось методом электронографии на отражение с помощью электронографа ЭМР-102 при ускоряющем напряжении 50 ± 1.25 кВ. Для исследования электрофизических свойств пленок использовался 4-зондовый метод измерения удельной проводимости на постоянном токе и эффекта Холла на переменном сигнале. Исследование морфологии и работы выхода электронов из материала пленок проводилось методом сканирующей кельвиновской микроскопии (СКМ) на атомно-силовом микроскопе (АСМ)
Solver Pro производства фирмы NT MDT (Зеленоград, Россия). Использовались кремниевые зонды NSG-11 фирмы NT MDT, покрытые Pt. Оптические свойства пленок исследовались методами спектроскопии: оптического пропускания на фурье-спектрометре FTS 7000 фирмы Digilab (США) и оптического отражения - на решеточном монохроматоре МДР-2 при 300 К в диапазоне длин волн 0.9-2.6 цм.
Результаты и обсуждение
Одним из важных параметров пленок, на основе которых предполагается формировать затворы МОП-транзисторов нанометровых размеров, является шероховатость поверхности. По данным АСМ, шероховатость поверхности пленок составляет 0.57 ± 0.05 нм и не зависит от х в пределах погрешности измерения.
На рис. 1 представлено типичное АСМ-изо-бражение поверхности пленок NixSii-x. В связи с тем, что пленка повторяет морфологию подложки, на АСМ-изображении наблюдаются полосы, сформировавшиеся на поверхности подложки в ходе полировки. Т акже на поверхности присутствуют частички абразива.
Электронографические исследования показали, что полученные пленки являются аморфными. Аморфная структура слоев связана, прежде всего, с тем, что осаждение проводилось при комнатной температуре подложки. С другой стороны, как упоминалось выше, важным достоинством метода ИЛО является качественное перемешивание атомов соосаждаемых материалов. В результате хорошего перемешива-
ния атомов № и Si, а также отсутствия процесса фазовой сепарации при комнатной температуре формируются однородные (на микроскопическом уровне) по составу слои.
Особенностью амофных пленок №^1-х, исследованных в данной работе, является то, что исследуемый материал представляет собой непрерывный ряд нестехиометрических соединений (в отличие от широко исследовавшихся ранее поликристаллических силицидов, представляющих собой одно- или многофазные системы, состоящие из кристаллитов стехиометрического состава: SiNi, SiNi2 и т.д.). На одном конце этого ряда находится аморфный Si (а^0, на другом - а-№. Это - материалы с принципиально разной зонной структурой и, как следствие, электрофизическими, оптическими и пр. свойствами. Вопрос о том, как происходит трансформация одного типа зонной структуры в другой с изменением х, представляет значительный фундаментальный и практический интерес.
Удельное сопротивление пленок р при х = 0 (а^0 составляло «700 Ом-см (300 К). Увеличение х до 0,33 приводит к уменьшению р до « 5.5х 10- Ом см. Дальнейшее увеличение х до 1 приводит к уменьшению р до 1.4 х10-4 Ом см. Хотя исследованные пленки при х > 0.33 обладали более высоким удельным сопротивлением по сравнению с металлами, используемыми в настоящее время для металлизации ИС (Си - 1.7х х10-6 Ом см, Аи - 2.2х10-6 Ом см), их удельное сопротивление меньше типичных значений для поликремния, легированного В (1 х 10-3 Ом см). Концентрация основных носителей (электронов) при изменении х в указанных пределах изменяется от 4*1020 до 8*1022 см-3, что сравнимо с типичными металлами. Подвижность электронов изменяется в пределах 1.5^90 см2В-1с-1 (300 К).
На рис. 2 представлена температурная зависимость удельного сопротивления пленок №^1-х. При х =1 температурная зависимость характерна для металла. С уменьшением х наклон уменьшается и при х = 0.33^0.7 температурный коэффициент сопротивления (ТКС) пленок был близок к нулю (в пределах порога обнаружения метода « 10% С-1). При х = 0 (а^) температурная зависимость удельного сопротивления подчинялась закону Мотта (см. вставку на рис. 2), что характерно для аморфного кремния.
Исследование спектров пропускания и отражения пленок №^1-х показали, что при х = 0 вид спектров является типичным для аморфного кремния. При х > 0.33 спектры оптического
с а,5 ,а is го 2,5 и з і so 4.5
ЦГГ
Рис. 1. АСМ-изображение поверхности пленки №10 52310,48. Стрелками указаны частицы абразива, оставшиеся на поверхности подложки после полировки
т то
Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления пленок №^1-х от температуры. 1 - №^0; 2 - №0,^03; 3 - №о,66^0,34; 4 - №о,52^0,48; 5 - №о,33^о,67; 6 - №о&1
X, ао !1 а! ёу
Рис. 3. Зависимость работы выхода электрона из материала пленок №^1-х от атомной доли № металла х
■ ■
*ї Н
1
£ 2 / \
я г
■ 4
А ■■ ^ _
■' „ . _ 5
-=> - ■ * '
«■
■О ш о
г. Г. П (Г 'Л .у Л" 1ГІ 1П ГІ1
Iі"
Рис. 4. СКМ изображение поверхности пленки
N>0,52^0,48
пропускания и отражения пленок слабо зависят от длины волны излучения и имеют вид, типичный для металлов.
Методом СКМ было исследовано пространственное распределение контактной разности потенциалов (КРП) между материалом покрытия зонда (РҐ) и пленок №^і1-х по поверхности образцов.
Значения работы выхода электронов из материала пленок определялось путем усреднения значений локальной КРП по СКМ изображению. На рис. 3 приведена зависимость Ф от х. При изменении х от 0,5 до 1 Ф изменяется в пределах 4.55^4.97 эВ. Таким образом, изменяя элементный состав материала силицидных пленок, можно управлять величиной работы выхода электронов из них. Это дает возможность их использования в качестве материала затворов в МОП-транзисторах с каналом на основе полупроводников как п-, так и ^-типа. Кроме того, возможность управления работой выхода электронов из материала затвора дает возможность конструировать зонную диаграмму МДП структур в соответствии с требованиями схемотехники КМОП ИС, в частности, управлять значениями напряжения отсечки.
На рис. 4 приведено СКМ изображение поверхности пленки №0>5^10>48. На нем наблюдаются области скопления локального заряда как положительного (светлые области), так и отрицательного (темные области). Количественная оценка локального заряда дает порядка 5.5*10-19 Кл, что соответствует 3±1 электронам. Таким образом, метод СКМ позволяет регистрировать заряд на поверхности исследуемых образцов с точностью до 1 электрона.
Заключение
Результаты данной работы показывают, что аморфные пленки нестехиометрических соединений М^^, полученные методом импульсного лазерного осаждения, по своим свойствам удовлетворяют части требований, предъявляемых к материалам затворов МОП-транзисторов нового поколения. Пленки имеют достаточно гладкую поверхность (шероховатость поверхности составила 0.57±0.05 нм), обладают металлической проводимостью (при х > 0.33), удельное сопротивление пленок составляет (1.7^4.0)х10-4 Ом*см. Работа выхода электронов из материала пленок изменяется в пределах 4.55^4.97 эВ при изменении х в интервале
0.5^1, что дает возможность управлять зонной диаграммой МДП структур в соответствии с требованиями схемотехники КМОП ИС.
Работа выполнена при поддержке Российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» Министерства образования и науки РФ и Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF), № гранта REC-NN-001.
Список литературы
1. Thompson S. MOS Scaling: Transistor Challenges for the 21st Century / S. Thompson, P. Packan, M. Bohr // Intel Technology Journal. 1998. Q3. P. 1-19.
2. Wilk G.D. // J. Appl. Phys. 2001. 89. 5243.
3. Yeo Y.C., King T.-J., Hu C. // J. Appl. Phys. 2002. 92. 7266.
4. Choi K.-J., Yoon S.-G. // Electrochem. Solid-State Lett. 2004. V. 7, No. 3. P. G47-G49.
5. Lime F., Oshima K., Casse M., Ghibaudo G., Cristoloveanu S., Guillaumot B., Iwai H. // Solid-State Electron. 2003. V. 47, No. 11. P. 1617-1621.
in situ x-ray photoelectron spectroscopy // J. Vac. Sci. Technol. 2004. A 22. Р. 2261.
7. Демидов Е.С. Примесные состояния ионов группы железа в алмазоподобных полупроводниках: Автореф. докт. дисс. - Н. Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 1994.
8. Мьюрарка Ш. Силициды для СБИС. М.: Мир, 1986. 176 c.
9. Григорьев И.С. Физические величины: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 c.
EFFECT OF COMPOSITION OF ULTRATHIN NiXSi1-X FILMS FORMED BY PULSED LASER DEPOSITION ON THEIR ELECTRICAL AND OPTICAL PROPERTIES
D.A. Saveliev, D.O. Filatov, E.S. Demidov, D.M. Druzhnov, S.M. Plankina
We study surface morphology, crystalline structure, and electrical and optical properties of the ultrathin NixSi1-x (x = 0 - 1) films formed by pulsed laser deposition on silica-glass substrates. It is shown that the parameters of NixSi1-x films meet (at least, partially) the requirements for materials of the metal gates in advanced CMOS devices.
6. Lebedinskii Y.Y. and Zenkevich A. Monitoring of Fermi level variations at metal/high-k interfaces with
