Введение к работе
-3-
Актуальность темы.
Повышение степени интеграции и соответственно уменьшение размеров элементов интегральных схем непосредственно связано с изменением требований к свойствам составляющих их активных и пассивных элементов, что неизбежно ведет к необходимости расширения традиционно применяемого в микроэлектронике набора материалов. Это требует постоянного решения двух взаимосвязанных задач: поиск новых материалов, способных обеспечивать все возрастающие требования к физико-химическим свойствам составляющих интегральные схемы элементов, и совершенствование методов их формирования и структурирования.
Как известно, основные усилия в современной микроэлектронике до недавнего времени были направлены на разработку и исследования физических и технологических принципов построения активных элементов интегральных схем. Применяемые системы металлизации на основа алюминия, в течение длительного времени, в целом, удовлетворяли основным требованиям, предъявляемым к таким системам. Однако с уменьшением линейных размеров элементов стало очевидным, что ряд возникающих в связи с этим проблем можно решить только путен существенной модернизации или даже замены традиционной схемы металлизации. В связи с этим стали актуальными и активно развиваются исследования физико-химических и технологических свойств различных проводящих материалов и многослойных систем. К наиболее перспективным химическим соединениям, с точки зрения применения в системах металлизации, относятся силициды и нитриды тугоплавких металлов.
Детально исследованы методы получения силицидов отжигом
-4-металлической пленки или смеси металла с кремнием на моно- или поликремнии. Эти методы синтеза тонких силицидных слоев основаны на процессах твердофазного взаимодействия металла с кремнием в объеме пленки, что определяет высокие температуры отжига для формирования конечной дисилицидной фазы, обычно для тугоплавких металлов - То=800-900С. Оценивая перспективы и тенденции развития микроэлектроники, можно определенно утверждать, что с переходом в глубокосубмикронную область размеров элементов, основными станут низкотемпературные методы формирования диэлектрических, полупроводниковых и металлических слоев в сверхчистых условиях, обеспечивающие минимальный уровень дефектности и совместимые с кластерными технологическими системами. В этой связи важными являются поиск и исследования методов синтеза тонких пленок, на основе которых могут быть созданы низкотемпературные процессы формирования различных проводящих слоев для технологии микроэлектроники. К таким методам, в частности, относятся' методы, основанные на квазипослойном росте пленок, при котором формирование кристаллической структуры металлической пленки происходит непосредственно в процессе осаждения материала (или материалов, в случае многокомпонентных соединений) на нагретую подложку, без последующих тврмообработок. Механизм формирования таких пленок аналогичен механизму формирования пленок при молекулярно-пучковой эпитаксии (Ш1Э), хотя есть и отличие, заключающееся в том, что ориентирующее действие подложки необязательно, поэтому эти методы можно определить как МПЭ-подобные. Возможности этих методов для получения тонких пленок двухкомпонентных соединений (силицидов и нитридов) с заданными свойствами практически не исследованы. МПЗ-подобные
-5-методы, в отличие методов, основанных на объемных твердофазных реакциях взаимодействия металла с кремнием на границе раздела пленка-подложка, основаны на поверхностных процессах, происходящих на границе раздела пленка-вакуум, поэтому можно ожидать изменений таких свойств тонких пленок, как температура формирования гомогенных низкоомных слоев, структура кристаллических зерен и межзеренных границ, состояние и структура границ раздела пленка-подложка, электрофизических характеристик пленок. Эти возможности представляются крайне интересными как с точки зрения собственно физических исследований одностадийных процессов фазообразования двухкомпонентных соединений непосредственно в процессе роста тонких пленок, без последующих высокотемпературных обработок, так и для практических применений, поскольку такие процессы необходимы для разработки низкотемпературной технологии формирования контактных, барьерных слоев и локальных межсоединений в СБИС
Цель работы состоит в комплексном исследовании структуры и свойств, процессов фазообразования и кинетики роста двухкомпонентных соединений (силицидов и нитридов) с заданными свойствами при осаждении тонких пленок из молекулярных пучков, разработке на этой основе совместимых с кластерными технологическими системами одностадийных, низкотемпературных процессов формирования пленок силицидов и нитридов тугоплавких металлов, для формирования контактных, барьерных слоев и локальных межсоединений в кремниевых интегральных схемах.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
-Исследование электрофизических и структурных свойств,
механизма фазообразования и кинетики роста стехиометричных гомогенных силицидных слоев при электронно-лучевом соиспарении в сверхвысоком вакууме для низкотемпературного формирования низкоомных тонких пленок непосредственно в процессе роста из молекулярных пучков, без последующих отжигов.
-Исследование процессов формирования, структуры, свойств и методов селективного травления структурно- и фазово- различных пленок силицидов на кремнии и Si02 при электронно-лучевом соиспарении в сверхвысоком вакууме и магнетронном сораспылении нестехиометричных силицидов.
-Разработка и исследование одностадийного низкотемпературного процесса формирования контактов к мелкозалегающим р-п переходам
-Разработка и исследование процесса формирования низкоомных слоев нитрида титана при реактивном магнетронном распылении с малыми мощностями для формирования барьерных слоев и локальных межсоединений.
-Исследование термостабильности многослойных структур, сформированных с помощью самосовмвщенного низкотемпературного процесса формирования -контактных силицидных слоев, процесса реактивного магнетронного распыления при малых мощностях для осаждения барьерных слоев нитрида титана< тугоплавких металлов и алюминия.
Научная новизна работы состоит в том, что в диссертационной работе впервые создана новая концепция, определены и развиты подходы к решению проблемы создания одностадийных, низкотемпературных процессов фазообразования силицидов и нитридов тугоплавких металлов непосредственно в процессе роста тонких пленок заданного состава из молекулярных пучков
-7-(МПЭ-подобные процессы), что позволило разработать новые высокоэффективные, совместимые с кластерными технологическими системами процессы формирования контактных, барьерных слоев и локальных межсоединений в кремниевых интегральных схемах с субмикронными размерами элементов.
Впервые выполнены комплексные исследования процессов фазообразования и особенностей формирования тонких пленок силицидов при осаждении из молекулярных пучков в сверхвысоком вакууме. Исследовано влияние условий формирования слоев на температуры фазообразования, электрофизические и структурные свойства, состояние границ раздела пленка-подложка.
Предложена новая феноменологическая модель фазообразования силицидных слоев, объясняющая различия свойств пленок, формируемых в МПЭ-подобных процессах и при отжиге металлической пленки на кремнии различными механизмами оттеснения примеси при силицидообразовании.
Впервые обнаружено и дано объяснение формированию тонких пленок силицидов титана с фазовым и структурным контрастом на кремнии и Si02 при осаждении нестехиометричных силицидов из молекулярных пучков в высоком вакууме. Обнаружен и исследован конвертированный рост силицидных фаз на SiO, по отношению к росту силицидных фаз на кремнии.
Впервые предложен и исследован новый одностадийный низкотемпературный способ выращивания низкоомных пленок силицидов, основанный на магнетронном сораспыления металла и кремния на нагретую подложку, позволяющий самосовмещенно формировать контакты к мелкозалегающим р-п переходам с глубинами залегания менее 0.15 мкм.
Исследованы процессы формирования тонких пленок нитрида
-8-титана методом реактивного магнетронного распыления титановой мишени при малых мощностях и давлениях азота, меньших критического (давление азота при котором происходит нитридизация мишени). Предлокен способ формирования тонких и сверхтонких беспористых поликристаллических слоев с мелкозернистой столбчатой структурой и экстремально низким удельным сопротивлением на диэлектрических и проводящих подложках для барьерных слоев и локальних межсоединений в кремниевых ИС.
Впервые исследованы особенности формирования многослойных структур, состоящих из силицидного контактного слоя, сформированного в, одностадийном низкотемпературном процессе, барьерного слоя нитрида титана, вольфрама и алюминия. Показано, что предлагаемые способы формирования слоев позволяют выращивать термостабильные многослойные структуры с планарными межслойными границами.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Фазообразование низкоомных гомогенных силицидных слоев, формируемых в процессе контролируемого роста тонких пленок из молекулярных пучков (МПЭ- подобный процесс), происходит при температурах существенно более низких (на 200-300С), чем при отжиге металлической пленки, что связано с заменой твердофазной реакции взаимодействия металла с кремнием на границе раздела пленка-подложка при отжиге пленки, на поверхностные процессы на границе раздела пленка-вакуум при росте пленки.
-
Формирование пленок дисилицида титана осаждением металла и кремния из молекулярных пучков б сверхвысоком вакууме при высоких температурах подложки (Т>700С) может приводить к образованию дефектных гетерообластей на границе раздела пленка-подложка (эпитаксиальных кремниевых "бугров" в пленке и
-9-силицидных микровключений в подложке), что связано с условиями формирования пленки, состоянием поверхности и дефектности подложки и зависит от локальной ствхиометрической неоднородности распределения атомов титана в пленке.
3. Электрофизические и структурные свойства тонких пленок
силицидов, получаемых одновременным осаждением металла и кремния
на нагретую подложку, зависят от механизма оттеснения кислорода
на межзеренные и межфазные границы в процессе роста силицидных
фаз. Низкоомные пленки дисилицида титана, полученные в
і результате квазипослойного контролируемого роста из молекулярных
пучков имеют низкое содержание кислорода на межзеренных границах
за счет оттеснения кислорода на границу раздела растущая
фаза-вакуум в процессе формирования пленки.
4. Формирование фазово- и структурно- различных пленок
силицидов титана на кремнии и SiO, в одностадийном процессе
осаждения нестехиометричных силицидов из молекулярных пучков в
высоком вакууме происходит даже при относительно низкой
температуре подложки (Т=600С) и высоком содержании кремния в
исходной пленке ( до 4iSi^ г). Осаждение нестехиометричных
силицидов на кремний и Si02 при определенных условиях приводит к
конвертированному росту силицидных фаз на Sio2 по сравнению с
ростом силицидных фаз на кремнии. Это объясняется латеральной
диффузией кремния и влиянием кислорода на процесс
силицидообразования.
5. Одностадийный низкотемпературный способ выращивания
низкоомных пленок силицидов, основанный на магнетронном
сораспнлении металла и кремния на нагретую подложку, при
оптимизации скоростей осаждения и температуры процесса,
обеспечивает максимальный структурный и фазовый контраст
-10-силицидных пленок на кремнии и Si02, необходимый для полного селективного, по отношению к Tisi2, стравливания пленки TiSix на Sio2 при задаваемом исходном составе силицидных пленок до TiSi1 ,. Оптимальная температура процесса, при которой взаимодействие нестехиометричной силицидной пленки с Si02 не приводит к образованию трудноудаляемнх окислов титана, составляет Г=675С.
-
Формирование тонких пленок нитрида титана методом реактивного магнетронного распыления титановой мишени при малых мощностях и давлениях азота меньших критического, при которой реализуется квазипослойный рост пленки, позволяет получать на диэлектрических и проводящих подложках тонкие и сверхтонкие беспористые поликристаллические слои с мелкозернистой столбчатой структурой и экстремально низким удельным сопротивлением (менее 25 мк0м*см).
-
Применение одностадийных низкотемпературных процессов роста силицидных контактных слоев, барьерных, слоев нитрида титана на основе реактивного магнетронного распыления при малых мощностях и давлениях азота ниже критического, осаждения вольфрама и алюминия позволяет формировать многослойные структуры на кремнии с планарными межслойными границами являющимися термостабильными до 550С.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе комплексных исследований методов формирования, структуры и свойств тонких пленок силицидов тугоплавких металлов, разработан одностадийный низкотемпературный процесс формирования контактных слоев к мелкозалегающим р-п переходам, совместимый с современными кластерными технологическими, системами, который обеспечивает самосовмещенное формирование низкоомных силицидных
-II-
контактов в системах металлизации ультрабольших интегральных схем.
Разработанный на основе реактивного магнетронного распыления при малых мощностях метод формирования тонких пленок нитрида титана позволяет формировать барьерные слои для обеспечения высокой термостабильности в многослойных системах, состоящих из силицидов, тугоплавких металлов и алюминия.
Разработанные методы формирования силицидов и нитридов тугоплавких металлов с экстремально низкими удельными сопротивлениями позволяют использовать тонкие пленки этих материалов в качестве локальных межсоединений в системах многоуровневой металлизации кремниевых интегральных схем.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научной конференции "Состояние и перспективы развития микроэлектронной техники", г.Минск, 1985г.; Всесоюзной школе по микроэлектронике, г.Юрмала, 1986г.; I Всесоюзной конференции "Физические и физико-химические основы микроэлектроники", г.Вильнюс, 1987г.; 71 Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом", г.Москва, 1987г.; XIII Всесоюзной конференции по электронной микроскопии, г.Сумы, 1987г.; 71 Отраслевой научно-технической конференции "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем", г.Москва, 1987г.; Всесоюзной конференции "Современные проблемы информатики, вычислительной техники и автоматизации", г.Москва, 1988г.; Симпозиуме по микроэлектронике АН СССР и АН ГДР, г.Москва, 1988г.; 711 Международной конференции неупругих столкновений, г.Краков, Польша, 1988г.; II Международной конференции по электронно-лучевым технологиям ЭЛТ-88, Варна,
-12-Болгария, 1988г.; V Международной конференции по количественному поверхностному анализу, Лондон, Англия, 1988г.; VIII Международной школе по вакуумной электронной и ионной технологии, Варна, Болгария, 1989г.; XIV Всесоюзной конференции по электронной микроскопии, г.Суздаль, 1990г.; VII и VIII Международной конференции по микроскопии полупроводниковых материалов, г.Оксфорд, Англия, 1991г., 1993г.; VII Международной конференции по микроэлектронике "Микроэлектроника-90", Минск, 1990г.; IV - Республиканской ' конференции по электронной микроскопии, Кишинев, 1990г.; Европейских конференциях E-MES, Г.Страсбург, 1990г., 1991г.; X Европейской конференции по электронной микроскопии, г.Гранада, Испания, 1992г.; I Российской конференции "Микроэлектроника-94", г.Звенигород, 1994г.; Европейской конференции "Материалы для металлизации", г.Радебель, ФРГ, 1995;
Публикации. Результаты проведенных научных исследований опубликованы в 45 публикациях, включающих публикации в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, а также на отечественных и международных научных конференциях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы из 223 названий. Объем диссертации - 307 страниц, в том числе 92 рисунка.
