Кинетика атомных процессов и формирование сверхтонких пленок Cr, Co и их дисилицидов на Si(III) Миленин, Алексей Петрович

Введение к работе

Актуальность работы. Бурный прогресс в микроэлектронике, особенно в области цифровой техники, при постоянной тенденции в сторону миниатюризации ее элементов вызывает пристальное внимание к выращиванию сверхтонких слоев металла на полупроводнике. В современных интегральных схемах степень интеграции возросла настолько, что размер отдельного активного элемента не превышает долей микрона, - т.е. фактически работа ведется в нанометровом диапазоне.

Сложности, которые возникают в процессе создания подобного рода устройств, связаны не только с рядом технических проблем, но и с необходимостью учитывать физические эффекты, которые имеют место на границе раздела металл - полупроводник.

Например, проблема создания планарного рисунка с нанометровым размером элементов и резкой границей раздела как в плоскости подложки, так и перпендикулярно ей, носит комплексный характер. С одной стороны, это проблема литографии, которая накладывает свои ограничения на размер элемента. С другой стороны, возникают ограничения, связанные с диффузионными процессами на поверхности и в объеме полупроводника, которые приводят к «размытию» профиля элемента.

Поэтому одно из основных направлений решения данной проблемы - это исследование формирования резкой и совершенной границы раздела металл-полупроводник.

Другое направление в интегральной схемотехнике - создание объемных интегральных схем. При этом возникает особое требование к структуре каждого слоя и основная проблема - это создание эпитаксиальной пленки с захороненным слоем металла или полупроводника.

Как показывает практика, решение подобных проблем зачастую связано с разработкой новых технологий, в частности, сверхвысоковакуумных.

Исследования формирования границы раздела и эпитаксиальных сверхтонких пленок металла на полупроводнике в сверхвысоком вакууме относятся к наиболее перспективным направлениям в области создания высокоинтегрированных полупроводниковых схем. Как свидетельствуют последние эксперименты российских и зарубежных авторов, некоторые фазы, которые возникают при формировании границы раздела в отдельных системах, отличаются по своим свойствам от объемных и представляют интерес как новые тонкопленочные материалы. Знание физики процесса формирования границы раздела в неравновесных условиях позволяет создавать условия для роста таких необъемных фаз и управлять их свойствами.

Выбор систем Si(lll)-Cr и Si(lll)-Co для проведения исследований, а также концентрация внимания на кинетике формирования границы раздела, обусловлены следующими причинами.

Во-первых, дисилицид хрома, CrSi2, и дисилицид кобальта, CoSi2, эпитаксиально растут на кремнии. При этом СгБіг - узкозонный полупроводник (E_g = 0,3 эВ), в то время как

C0S12 обладает хорошими металлическими свойствами. Это дает возможность выращивать различные полупроводниковые элементы на базе этих материалов по отдельности и совместно. Важно отметить, что для 0 и CoSi2 несоответствие решетки с Si составляет всего 0,14 и 1,2%, соответственно¹'². Это дает возможность выращивать протяженные эпитаксиальные пленки и гетероструктуры без значительных напряжений.

Во-вторых, рост объемных силицидов Сг и Со при твердофазной или молекулярно-лучевой реакции металла с кремнием происходит за счет диффузии кремния из подложки, что требует высокой температуры роста и высоких скоростей осаждения металла. С другой стороны, при низкотемпературном осаждении металла на кремний желательно ограничить рост силицида на границе раздела. Поэтому роль кинетики, в частности скорости осаждения, в формировании границы раздела несомненна.

Третья причина — высокая реакционная способность Сг и Со по отношению к кремнию и высокая энергия образования силицидных фаз. При низких температурах это приводит к атермическому процессу атомного перемешивания в данных системах, в котором роль кинетики осаждения еще недостаточно выяснена.

Все это делает актуальным исследование механизма формирования границы раздела и сверхтонких пленок металлов и силицидов в системах Si(lll)-Co и Si(lll)-Cr и роли в нем кинетических процессов роста и осаждения.

Цель настоящей работы состояла в исследовании роли кинетики роста в формировании границы раздела и сверхтонких пленок в системах Si(lll)-Co и Si(lll)-Cr, а также в формировании электрофизических свойств этих пленок. Для этого необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ литературных данных с целью сбора имеющейся информации по выбранным системам, а именно информацию по: существующим моделям формирования границы раздела, условиям роста силицидов и фаз, особенно на начальной стадии роста, а также методам исследования.

2. Модернизировать экспериментальную сверхвысоковакуумную установку, позволяющую производить исследования по формированию границы раздела в широком диапазоне скоростей осаждения (влияние кинетики на формирование границы раздела). Сюда входят разработка и создание источников Сг и Со, позволяющих производить напыление не только с низкой, но и с высокой скоростью осаждения, разработка и создание манипулятора с двумя держателями образцов, двумя источниками напыления и кварцевым датчиком контроля скорости осаждения, а также разработка и изготовление измерительной 4-х зондовой головки для контроля проводимости структур в процессе их роста.

¹ A. Vantomme, М.А. Nicolet, Appl. Surf. Sci., 73 (1993) 146-152.

² U. Starke, J. Schardt, Surf. Rev. and Let., Vol. 5, No. 1 (1998) 139-144.

3. Экспериментально исследовать влияние кинетики (скорости осаждения) на процесс формирования границы раздела в системах Si(l 11)-Со и Si(l 11)-Сг.

4. По результатам эксперимента и на основе литературного обзора выработать модель формирования границы раздела в системах Si(lll)-Co и Si(lll)-Cr и произвести сравнение с моделями зарубежных авторов.

5. Разработать и создать программно-аппаратный измерительный комплекс, позволяющий проводить исследования "in situ" высоты барьера Шоттки и проводимости (4-х -зондовый метод) на базе ЦАП-АЦП-платы L1610 и компьютера PC486DX2, а также проводить электрофизические исследования экспериментально полученных образцов.

Научная новизна работы состоит в том, что:

-проведено экспериментальное исследование влияния скорости осаждения из различных источников на процесс формирования границы раздела в системах Si(lll)-Co и Si(lll)-Cr,

-выявлена роль предварительно-сформированной поверхностной фазы — серфактанта 7х7-Сг и 1x1- Со в кинетике формирования границы раздела в системах Si(l 11)- Сг и Si(l 11) -Со;

-проведены эксперименты по эпитаксии с высокой скоростью осаждения сверхтонких пленок CrSi2 на Si(l 11);

-проведены электрофизические исследования выращенных с высокой скоростью осаждения сверхтонких пленок Сг и СгБіг и получены данные по проводимости, подвижности и концентрации носителей в этих пленках;

-на основе анализа экспериментальных результатов предложена новая модель, учитывающая механизм реактивной диффузии и роста в формировании границы раздела.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальные результаты, полученные методами ОЭС и СХПЭЭ и характеризующие элементный и фазовый состав поверхностных фаз и сверхтонких слоев в системах Si(l 11)-Со и Si(l 11)-Сг.

2. Установленный экспериментально факт слабого влияния скорости осаждения из ленточного источника на механизм формирования границы раздела в системе Si(l 11)-Сг.

3. Обнаруженный экспериментально факт влияния предварительно-сформированной поверхностной фазы на кинетику формирования границы раздела Si(l 11)-Со и Si(l 11)-Сг.

4. Кинетическая модель формирования границы раздела, построенная на основе экспериментальных данных и представлений о механизме формирования границы раздела.

5. Методика высокоскоростного осаждения из ленточного источника и методика роста пленок Сг и СгБігна подложке кремния.

6. Результаты по получению сверхтонких пленок Сг и CrSi2 на Si(lll) с помощью высокоскоростного осаждения.

7. Электрофизические свойства сверхтонких пленок Сг и эпитаксиального CrSi2 на Si(l 11), полученных методом высокоскоростного осаждения. Практическая ценность,

7. Результаты проведенного исследования могут быть использованы для управляемого роста полупроводниковых элементов на основе тонкопленочных структур переходной металл (силицид) - кремний с заданными характеристиками. В частности, для создания элементов и приборов на основе сверхтонких пленок металлов (Сг, Совіг) и узкозонных полупроводников (CrSi2).

8. Предложенные в работе модели формирования границы раздела, учитывающие механизм и кинетику роста, могут быть с определенными корректировками перенесены на другие системы тугоплавкий переходной металл - кремний.

3. Ряд уникальных узлов, разработанных и изготовленных при проведении данной работы, (источники Сг и Со с перенапылением, позволяющие производить напыление с низким уровнем примесей и с высокой скоростью осаждения, манипулятор с двумя держателями образцов, двумя источниками напыления и кварцевым датчиком контроля скорости осаждения, 4-х зондовая измерительная головка), могут быть использованы при конструировании промышленных и экспериментальных установок.

4. Создан программно-аппаратный измерительный комплекс, позволяющий проводить исследования высоты барьера Шоттки и проводимости многозондовым методом "in situ" с автоматической коммутацией режимов измерения в процессе исследования и автоматическим выводом данных на монитор.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены на следующих конференциях:

Ї) Russia, Vladivostok, (1995), 6' International Conference on Mathematical Modeling and Cryptograhpy,

2. Россия, Красноярск, (1996), «Физика и современный мир»,

3. Italy, Genova, (1996), European conference on Surface Science,

4. Россия, Владивосток, (1997), Региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов,

5. France, Strasbourg, (1997), International Conference on Advanced Matherials 97/European Materials Research Society Spring Meeting, Simposium: Epitaxial Thin Film Growth and Nanostructures,

6. Japan, Tokyo, (1997), International Symposium on Atomically Controlled Surfaces and Interfaces,

7. Japan, Chiba, (1997), 7' Inernational Conference on Electron Spectroscopy,

8. UK, Cardiff, (1997), International Conference on Formation of Semiconductor Interfaces,

9. Russia, Vladivostok, (1998), Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces,

10) Россия, Владивосток, (1998), 2-я Региональная конференция студентов, аспирантов и
молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных

материалов,

11. Россия, Новосибирск, (1999), IVBcepoc. Конференция по Физике Полупроводников,

12. Germany, Halle, (1999), Autumn School on Materials Science and Electron Microscopy,

13. Russia, Obninsk, (1999), ШМежд. Конф. Рост Монокр., Пробл. Проч. и Тепломасс.

Публикации, По теме диссертации опубликованы 11 статей в научных журналах и сборниках, а также 12 тезисов докладов, которые были представлены на Всесоюзных и Международных конференциях, симпозиумах и семинарах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Она содержит 140 страниц, в том числе 48 рисунков, список литературы на 6 листах, включающий 74 наименования и 22 листа приложения.