Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Современные тенденции развития микро- и наноэлектроники, повышение степени интеграции, создание БИС и СБИС с субмикронными размерами требуют интенсивного развития исследований в области тонкопленочных материалов. В свою очередь поиск и реализация новых возможностей тонкопленочной технологии неразрывно связаны с исследованием структурных и фазовых превращений в тонких пленках и системах металл-полупроводник, среди которых важное место занимают исследования по модификации материалов при воздействии плазмы. Применение плазмы позволяет в широких пределах изменять структуру, элементный и фазовый состав тонкопленочных систем, и, следовательно, их электрофизические характеристики. Знание закономерностей структурных и фазовых превращений, происходящих в тонких пленках, позволяет целенаправленно использовать возможности плазмы активных газов для модификации тонкопленочных систем, расширяет возможности по синтезу материалов с необходимыми электрофизическими параметрами.
В микроэлектронике широкое применение находят тонкие пленки тугоплавких металлов и их соединений. Особый интерес представляют карбиды и нитриды, которые перспективны для создания диодов Шоттки с малой высотой потенциального барьера в быстродействующих интегральных схемах. Нитриды тугоплавких металлов используются в затворах МОП-транзисторов, что позволяет устранить операцию подлегирования канала и предотвращает образование оксида на поверхности затвора, для пассивации поверхности алюминия, в омических контактах, а также в качестве барьерных слоев, предотвращающих диффузию меди в кремний, и т.д. Таким образом, изучение особенностей формирования карбидных и нитридных фаз в тугоплавких металлах представляет не только научный, но и практический интерес.
Актуальность темы обусловлена тем, что воздействие плазмы активных газов на пленки тугоплавких металлов и системы металл-полупроводник по сравнению, с другими способами изменения их структуры и фазового состава, такими как стационарный и импульсный термический отжиг в различных средах, электронно-лучевая, ионная и лазерная обработка изучено недостаточно. В связи с этим встает задача исследования структурных и фазовых превращений, происходящих в тонкопленочных системах при обработке плазмой активных газов, определения основных закономерностей формирования нитридов и карбидов тугоплавких металлов в зависимости от условий плазменной
обработки, а также изучения электрофизических параметров получаемых тонкопленочных систем.
Связь с научными программами. Работа выполнялась в рамках следующих государственных, отраслевых программ и научно-исследовательских работ:
1. Электроника 26 «Разработка физических основ модификации-
тонкопленочных материалов и субмикронных полупроводниковых слоев
лазерными и ионно-плазменньши пучками», № государственной
регистрации 1996606, в период 1996-2000 г. '
2. ГНТП «Белэлектроника», проект № БЭ-98/42.02. «Исследовать и
разработать процессы формирования барьерных контактных слоев к
активным элементам субмикронных ИС», № государственной
регистрации 19991359, в период 1998-2000 г.
Целью исследований являлось установление закономерностей структурных и фазовых превращений, происходящих в пленках тугоплавких металлов и системах металл-полупроводник при обработке плазмой активных газов.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-исследование методами электронной микроскопии и электронографии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии изменений структуры, элементного и фазового состава пленок Ті, V и Zr при обработке азот- и углеродсодержащей плазмой дугового разряда;
-определение оптимальных параметров обработки плазмой активных газов для формирования тонких пленок карбидов и нитридов тугоплавких металлов;
-изучение методами электронографии и электронной Оже-спектроскопии структурных и- фазовых превращений, происходящих в композициях Ti-Si, V-Si при плазменной обработке в различных средах;
-исследование влияния обработки плазмой активных газов на электрофизические параметры контактов, сформированных на основе систем Ti-Si и V-Si, методом измерения вольт-амперных характеристик; определение электрофизических параметров пленок нитридов тугоплавких металлов, полученных обработкой азот-водородной плазмой.
Объектом исследования являлись тонкие пленки титана, ванадия и циркония, а также тонкопленочные системы Ті/Si, V/Si.
Предметом исследования являлись структурные и фазовые превращения, происходящие в пленках данных тугоплавких металлов и системах металл-полупроводник при обработке азот- и углеводородной плазмой; электрофизические параметры полученных тонкопленочных систем.
В качестве методов исследования были использованы просвечивающая электронная микроскопия и электронография - для исследования структуры и фазового состава тонких пленок тугоплавких металлов и систем металл-полупроводник; электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) - для изучения элементного состава пленок тугоплавких металлов и систем металл-полупроводник; зондовые методы измерения электрофизических параметров - для определения удельного сопротивления тонких пленок и вольт-амперных характеристик систем металл-полупроводник.
Научная новизна и значимость проведенных исследований заключаются в следующем:
Установлены основные закономерности структурных и фазовых превращений в тонких пленках титана, ванадия, циркония и системах Ti/Si, V/Si при обработке азот- и углеводородной плазмой в зависимости от температуры и времени плазменного воздействия.
Установлено, что обработка азот-водородной плазмой эпитаксиальных пленок титана приводит к ориентированному росту TiN, определены ориентационные соотношения между титаном и его нитридом. Обнаружено, что формирование той или иной модификации карбидов ванадия при обработке пленок ванадия углеводородной плазмой зависит от соотношения С/Н в углеводороде, используемом для создания дугового разряда.
Показана возможность формирования монокристаллических пленок диоксида циркония ZxOi моноклинной модификации путем обработки тонких поликристаллических пленок циркония углеводородной плазмой.
Установлено, что формирование дисилицида титана при обработке систем Ti/Si азот-водородной плазмой происходит в поверхностном слое кремния в результате преимущественной диффузии металла.
- Определены зависимости удельного сопротивления тонких пленок
нитридов титана и ванадия от изменений их структуры и фазового состава,
происходящих при обработке азот-водородной плазмой, рассчитаны
основные электрофизические параметры диодов Шоттки, сформированных
на основе систем Ti/Si, ,V/Si путем обработки плазмой активных газов.
Практическая значимость. Представлены экспериментальные данные о влиянии обработки азот- и углеводородной плазмой на структуру, фазовый и элементный состав, электрофизические параметры тонких пленок Ті, V, Zr, систем V-Si и Ti-Si. Предложены методы формирования тонких пленок карбидов и нитридов тугоплавких металлов путем обработки плазмой активных газов, определены условия плазменного облучения для создания многослойных систем TiN/TiSi2/Si и VNNSySi. Полученные результаты могут быть использованы в технологии
микроэлектроники для создания контактно-барьерных тонкопленочных систем к активным элементам ИС. Проведены исследования по формированию обработкой азот-водородной плазмой барьерных слоев на основе нитрида титана на поверхности кремния по отношению к медной металлизации. Результаты проведенной работы переданы на УП "Белмикросистемы".
Автор выносит на защиту следующие положения:
-
Экспериментально установленные закономерности структурных и фазовых превращений, происходящих в тонких пленок титана, ванадия и циркония, системах Ті/Si и V/Si.в зависимости от условий обработки азот-и углеводородной плазмой. Ориентационные соотношения между титаном и нарастающим слоем нитрида титана.
-
Эффект ориентированного роста карбидов и нитридов титана и ванадия под действием плазмы активных газов. Экспериментально установленные параметры синтеза монокристаллических пленок диоксида циркония с ориентацией (100).
-
Механизм формирования дисилицида титана модификации С-54 в поверхностном слое кремния при обработке системы Ті/Si азот-водородной плазмой, что обусловлено преимущественной диффузией металла в кремний.
Личный вклад соискателя: Все приведенные в диссертации
основные результаты получены лично автором. Автором были
непосредственно проведены электронографические исследования, расчет и
идентификация электронограмм, анализ Оже-профилей распределения
элементов и РФЭ-спектров, обработка тонких пленок Ті, V, Zr и систем
Ті/Si, V/Si азот- и углеводородной плазмой, определение
электрофизических параметров тонкопленочных систем. Исследования
методами ЭОС были проведены к.т.н. Уховым В.А. (ГЦ
"Белмикроанализ"), РФЭ-спектры были получены н. с. Тявловской Е.А. (Институт электроники НАН Беларуси), напыление тонких пленок тугоплавких металлов и фотолитографию производил кт.н. Кравченко В.М.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены: на 51-й международной технической конференции БГПА (Минск, 1995 г.); на VI международном семинаре "EPMS-97" (Прага, 1997г.); на П и III международных конференциях по взаимодействию излучения с твердым телом "ВИТТ - 97" и "ВИТТ - 99" (Минск, 1997 и 1999г.); на VI и VII республиканских конференциях студентов и аспирантов по физике конденсированных сред (Гродно, 1998 и 1999 г.); на XVII и XVIII российских конференциях по электронной микроскопии "ЭМ-98" и "ЭМ-2000" (Черноголовка, 1998 и 2000 г.); т II и III Всероссийских семинарах "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации систем
в современном материаловедении" (г. Воронеж, 1999 и 2000 г.); на европейской конференции по перспективным материалам для металлизации "МАМ-99" (Остенд, Бельгия, 1999 г.); на конференции Европейского физического общества "EPS-И" (Лондон, 1999 г.); на конференции Европейского физического общества "EPS-CMD18" (Монтрекс, 2000 г.); на международном симпозиуме по применению тонких пленок "TATF'2000" (Нэнси, 2000 г.), на III международном симпозиуме по ионной имплантации и другим применениям ионов и электронов "ION'2000" (Казимерс Дольны, 2000 г.), на III международной конференции "Физика плазмы и плазменные технологии" (Минск, 2000 г.).
Опубликованность результатов. Материалы диссертации изложены в 27 печатных работах, в том числе ,9 статей в научных журналах, 4 статьи в материалах конференций и 14 тезисов докладов.
Общее количество опубликованных страниц составляет 70.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографии. Полный объем составляет 173 страницы машинописного текста, 38 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 137 наименований.
