автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Фазообразование и термостабильность пленок нитрида вольфрама на арсениде галлия, осаждаемых ионнолучевым расплылением

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ

И СЙЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

РГБ ОД

п , ш „ г. На правах рукописи

I 4 АПР Г'" -------

ГАААПШ1 Станислав Геннадьевич

ФАЗООБРАЗОВАНИЕ И ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ ПЛЕНОК НИТРИДА ВОЛЬФРАМА НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ, ОСАЖДАЕМЫХ ИОННОЛУЧЕВЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ

Специальность: 05.27.06 Технология полупроводников и материалов электронной

техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена п Научно-исследовательском технологическом институге, г. Рязань и на кафедре МК.ЭТ Московского государственно [о ипсппуга стали т сплавов (технологический университет)

Научный руководи 1ель: доктор технических наук, профессор КУЗНЕЦОВ Г.Д.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ЛАДЫГИН Е.А. кандидат технических наук, с.н.с. ПОРТНОВ С.М.

Ведущее предприятие:

Научно-исследовательски» институт молекулярной электроники, г. Москва

Зашита диссертации состоится 46" мая 1995 г.

в_часов на заседании специализированного совета Д053.08.06

при Московском государственной институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, Г'СП-1, Ленинский проспект, д. 4.

Отзыв на реферат, подписанный и заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственногог. института стали и сплавов.

Автореферат разослан "_"_ 1995 г.

Справки по телефону: 236-81-33

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

В.В.ГЕРАСЬКИН

3.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Использование ионно-плаэмениых процессов, в том числе ионно-лучевого распыления, для получения тонких пленок различных материалов во многом определяет возможность совер--шенствования технологии создания и увеличения сложности изделий электронной техники, например, больаих интегральных схем (БИС) н сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Резение проблемы повышения надежности и качества приборов электронной техники связано с разработкой новых пленочных материалов, с разработкой и освоением технологических процессов их получения. В последнее время широкое распространение получила самосовмещенная технология формирования полевых транзисторов, диодов на барьере Шоттки, являющихся одними из основных элементов быстродействующих БИС ВЧ - аналогэвого и высокоскоростного цифрового применения. Имепщая ряд преимуществ по сравнении с традиционными технологиями (сокращение технологического цикла создания прибора за счет исклэчения-рядз операций, уменьшение брака и так далее), самосовмещенная технология, с другой стороны, накладывает жесткие требования по термостабильности х материалу контакта на полупроводник. Ни один металл не удовлетворяет это; высоким требованиям, связанным с высокотемпературным откигом на определенной этапе технологии.

Это определяет необходимость использования в качестве материала затвора более териостабильного материала, которым могут являться соединения тугоплавких металлов. Материалами, в которых оптимальным образом сочетается термостабильность и электрические параметры, являются нитриды тугоплавких металлов и, в пэрвуя очередь, нитрид'вольфрама.

Применение пленок нитрида вольфрама а качестве материала контакта к полупроводникам должно быть обеспечено соответствующим мртпдом их получения. Термическая нитридиэация и осаждение нитридов из газовой фазы не могут быть реализованы на подложках арсенида галлия из-за требуемой высокой температуры, превыааюцеЯ температуру деструкции арсенида галлия. Необходима стимуляция образования соединения при пониженной температуре подлояки. Тахое стимулирование реакции может обеспечиваться увеличение!! энергии

реагирующих частиц, что может быть достигнуто при использовании ионно-плазменных способов. Но, о другой стороны, значительная энергия поступающих на подлокку частиц может привести в радиационному нарушению подложки, образованию большого количества дефектов на поверхности раздела пленка - подлокка и, как следствие, ухудшению электрических характеристик контакта. Следовательно, необходим способ, обеспечивающий такув энергии частиц, при которой происходит стимулирование химической реакции образования' соединения, ко которая еще недостаточна для заметного дефектообразования в приповерхностном слое и на границе раздела. Из большого числа ионно-плазменных -процессов способом, разрешающий это противоречие, является ионно-лучевое распыление (Ш1Р). При.ионно-лучевом распылении энергия поступающих на подложку частиц превышает термическую энергию, но меньше энергии частиц, характерной для катодного или иагнетронного распыления.

Работа по исследованию возможности образования соединения, закономерностей процесса роста и особенностей фазообразования пленок нитрида вольфрама при ионно-лучевом распылении материала контакта, разработке технологических основ применения способа НДР для получения контактов Шоттки в приборах 'электронной техники, и применению сформированных контактов в реальных приборах представляется актуальной.

Цель работы. Разработка технологических основ реализации способа ионно-лучевого распыления для получения термостабильных структур нитрид вольфрама - арсеиид галлия, применимых в самосов-мещвнной технологии создания диодов и полевых транзисторов на основе барьера Шоттки.' - ' ,

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи;

- провести сравнительный теоретический анализ свойств материалов металлизации, с учетом требований термостабильности и методов их получения;

- на основе модельного эксперимента установить принципиальную возмояность получения пленки химического соединения - нитрида вольфрама ионно-лучевым распылением материала мишени при пониженной температуре и на атой основе определить основные принципы построения экспериментального оборудования;

* - разработать и изготовить экспериментальную высоковакуумную технологическую камеру для получения пленок нитрида вольфрама ионно-лучевым распылением;

- установить основные закономерности изменения фазового состава й электрических свойств пленок нитрида вольфрама з зависимости от параметров процесса и присущих ионно-лучевому распылению факторов;

- применить пленки нитрида вольфрама, получаемые ионно-луче-вым распылением, в производстве изделий электронной техники.

Научная новизна работы .

1. Установлено образование соединения нитрида вольфрама при распылении вольфрамовой мишени ионами азота, подтвержденное сопоставлением данных, полученных методами электронной Оде-спектроскопии (ЭОС) и вторичной ионной масс-спектрометрией (ВМС).

2. Установлено влияние состояния компонент реакции (вольфрама и азота) на образование соединения нитрида вольфрама.

3. Установлено влияние энергии ионов и нейтральных частиц на процесс фазообразования пленок нитрида вольфрама., .

4. Сопоставлена термостабильность структур

Практическая ценность работы

1. Разработан способ получения пленок нитрида вольфрама ион-но-лучевым распылением вольфрама при пониженных температурах, позволявший получать пленки на термояестабилышх .подложках из арсенида галлия.

2. Разработан малогабаритный источник ионов инертных газов и азота, встраиваемый в высоковакуумнуп установку.

3. Разработана экспериментальная высоковакуумная установка ионко-лучевого распыления, позволяющая получать проводящие и диэлектрические пленки в едином цикле и встраиваемая в технологические линии, используемые в промышленности.

4. Показана возможность формирования барьеров Шоттки на ос^ нове пленок нитрида вольфрама и использования их в качестве материала затвора полевых транзисторов, получаемых самосовмещенной технологией.

5. Разработан способ получения нитридных пленок (А.о.

1Р 49137В4/2Р, показана возможность получения пленок требуемого-составав с заданными параметрами. На основе разработанного способа показана возможность получения пленок из нитридов "тугоплавких металлов и их твердых растворов, позволяющих.обеспечить минимальную разницу КГР пленка - арсенид галлия.

Реализация в промышленности. Разработанный способ получения термостабильных пленок нитрида вольфрама реализован на промышленной установке ионно-лучевого распыления "ЦНА-8", что позволило использовать процесс формирования пленок в едином технологическом цикл? создания полевого транзистора.

Установка "ЦНА-8" внедрена в НИИ"Пульсар", г.Москва, что отражено в соответствующем документе.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на:

- I Всесоюзной, конференции по физическим основам твердотельной электроники, Ф.ТИ им.Ио#е, Ленинград, 1989 г.;

- конференции молодых ученых и специалистов, НИТИ, Рязань,1989;

- 9 и II Всесоюзных конференциях "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом", МИФИ, Москва, 1989, 1993 г,г.;

- Международном симпозиуме "Плазменные и лазерно-стимулированные процессы в микроэлектронике", ИОФАН, Ростов-Великий, 1991 г.;

- 3 и 4 Мехрегиональном Совещании "Тонкие пленки в электронике" РАН, МарПИ, БИЕН, Йошкар-Ола, Улан-Удэ, 1992, 1993 г.г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них I авторское свидетельство.

Структура и объем работы.

.Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 194 страницы машинописного текста, включая 47 рисунков, 2 таблицы и список цитированной литературы из ПО наименований.

На защиту выносятся:

1. Ионно-лучевой способ получения пленок нитрида вольфрама при пониженных температурах.

2. Закономерности изменения фазового состава пленок, нитрида вольфрама от:

а) энергии нейтральных частиц, поступающих на подложку;

б) температуры подложки;

в) энергии ионов, поступающих на подложку.

3. Результаты образования соединения нитрида вольфрама при различном состоянии компонент реакции (вольфрама и азота).

41 Результаты по термостабильности структур нитрид вольфрама - арсенид галлия в зависимости от фазового состава материала пленок.

5. Результаты измерения параметров барьеров Шотгки, образованных пленкой нитрида вольфрама на арсениде галлий, полученных . на промышленной установке,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

В диссертационной работе обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, выявлены научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, въшосимме на залету.

I. АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ МЕТАЛЛИЗАЦИИ В КАЧЕСТВЕ ТЕРМОСТАБИЛЬНЫХ КОНТАКТОВ

В работе обсуждаются опубликованные сведения о применении различных систем металлизации в качестве материала барьера Шотттш к подложкам арсенвда галлия; методы их получения; физика и техни- -ка ионного распыления; свойства пленок нитрида вольфрама.

■Контакты металл - полупроводник, являющиеся базой большого числа прибор<эв электронной техники, часто подвергаются тепловому воздействию как в процессе эксплуатации, так и в процессе создания прибора. Это может делаться преднамеренно, например, для улучшения адгезии металла к полупроводнику, так и в силу необходимости, как, например; при использовании самосовмещенной технологии, в которой требуется нагрев до высоких температур после осаждения металла. Тепловая обработка системы металл - полупроводник приводит к взаимодиффузии атомой пленки и подложки, размытия границы раздела, нарушению стехиометрии материала приповерхностного слоя подложки, следствием чего может являться деградация электрических характеристик и выход прибора из строя. Это особен. но актуально при использовании активных, термонестабильных под- ' ложек. Данное обстоятельство накладывает ясетиие требования по термостабильности материала металлизации к подложкам арсенида галлия. Анализ результатов применения различных систем металлизации показал, что практически ни одна однокомпонвнтная металлическая система не удовлетворяет требованиям по термостабильности.

С точки зрения принципов термостабильности особый интерес представляют металлоподобные соединения, являющиеся или фазаин

внедрения или фазами, содержащими структурные элементы, искажающе основную решетку. Структура и свойства фаз внедрения определяются тем, что в них при сохранении металлических связей между атомами металла появляются связи-между атомами металла и неметалла, носящие ионный характер. Литературные данные позволяют предположить перспективность применения в качестве систем металлизации пленок нитридов тугоплавких металлов, которые по своей структуре и свойствам являются типичными фазами внедрения. Металлическая связь в нитридах проявляется в ярко выраженных металлических свойствах, в том числе, в низком электрическом удельном сопротивлении,, а ионная связь определяет увеличение сил сцепления между атомами, которое проявляется, в частности, в повышении термостабильности. Кроме того, опубликованные данные позволят- констатировать, что не все нитриды тугоплавких металлов удовлетворяют совокупности требований к материалу металлизации. Одним из материалов, наиболее полно отвечающих комплексу предъявляемых требований является нитрид вольфрама.

На основании рассмотрения различных методов получения пленок нитрида вольфрама и с учетом требования получения их на термонестабильных подложках арсенида галлия, можно констатировать,что их получение возможно только ионно-плаэменныыи способами, так как.другие способы, такие кан осаждение из газовой фазы и термическая нитридизация металла требуют высоких температур, значительно превосходящих температуру диструкции арсенида галлия. Это обусловлено рядом факторов, присущих ионно-плазменным способам вообще и способу ионно-лучевого распыления, в частности. К этим факторам относятся: наличие ионной компоненты в потоке осаждаемых частиц, нахождение нейтральных частиц в активном, возбужденном состоянии и повышенная энергия нейтральных частиц.

Приведенный подробный анализ физики ионного распыления, существующих в настоящее время ионно-плазменных способов.получения покрытий и. соотвётствующего оборудования позволяет определить путь построения используемого в работе экспериментального оборудования.;

На основании проведенного анализа литературных сведений конкретизированы задачи, которые ставятся и решаются в настоящей работе.

2. ТЕШКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА '

Представлены результаты по разработанному оборудованию,применяемому для проведения экспериментов по получению пленок нитрида вольфрама ионно-лучевым распылением, включающем экспериментальную высоковакуумную установку и источник_ ионов инертных газов и азота низких энергий; по методике эксперимента и по примененным методам исследования.

Экспериментальная установка включает высоковакуумную камеру, камеру загрузки, камеру подготовки газовой смеси, конструкцию мишени, подложкодержатель и источник ионов. Установка снабжена масс-спектрометром для контроля остаточной атмосферу в камере и исследования состава распыленного материала в процессе роста пленок. Для формирования пучка ионов азота был разработан малогабаритный источник ионов. К достоинствам этого источника ионов ' относится то, что он не использует магнитных систем, не требует принудительного охлаждения и может монтироваться в любом положении. На мишень может подаваться потенциал от О В до (-) 5 кВ; -на' подложку может подаваться потенциал от 0 до (-) 500 В. Подложка в процессе роста пленок может нагреваться до температуры 600°С, а конструкция подложкодержателя обеспечивает возможность вращения подложки. Камера подготовки газовой смеси предназначена для полут чения смеси рабочих газов (аргона и азота) требуемого состава и обеспечения возможности быстрой смены газа в источнике. Средства откачки позволяют получать остаточный вакуум не хуже 5.10"^ Па и поддерживать рабочее давление при работающем источнике на уров-' не Ю'3 Па. Камера загрузки предназначена для мобильной смены подложек и мишеней без вскрытия рабочей- камеры на атмосферу.

Разработана методика получения пленок нитрида вольфрама ионно-лучевым распылением материала мишени при пониженной температуре. Получение пленок осуществляется в экспериментальной уста. новке ионно-лучевого распыления. Процесс получения пленок заключается в распылении вольфрамовой мишени пучком ионов рабочего газа, представляющего смесь азота и аргона, с осаждением продуктов распыления на подложку. Работа включает в.себя эксперименты по выявлению места взаимодействия вольфрама и азота, по установлению влияния энергии ионов, энергии нейтральных частиц, температуры подложки на процесс роста, на фазовый состав пленок и на их свойства.

Для определения влияния состояния компонент реакции предусмотрена; подача нейтрального азота к подложке и-термическое напыление вольфрама. Сравнивается процесс образования нитрида вольфрама, получаемого тремя способами; (А) распылением вольфрамовой мишени ионами азота, (В) распылением вольфрамовой мишени ионами аргона с подачей нейтрального азота к подлокке, (С) сублимацией вольфрама в атмосфере азота.

Дня установления места образования соединения использовались методы ЭОС и БИМС и прозодился также масс-спектрометрический анализ состава распыленного материала после длительного облучения ионами азота_в различных режимах.

Для выделения влияния энергии ионов, присутствующих в потоке поступающих на подлокку частиц, получали пленки при различной величине притягивающего ионы потенциала подлоаки, а для выделения энергии нейтралей меняли потенциал мишени. При этом смещается максимум распределения распыленных частиц по энергии.

Для определения состава материала поверхности пленки и распределения компонент по толщине применялась электронная' оже-спектроскопия с послойным ионным распылением. Для изучения хиаш- ' ческого и фазового состава пленок применялась вторичная ионная масе-спектрометрия. Приведено краткое описание и рассмотрены физические основы методов анализа (ЭОС и ВИМС). Обсукдены возможности применения метода ВИМС для изучения фазового состава пленок. Сравнение данных, полученных различными методами показывает, высокую достоверность результатов.

Электрическое удельное' сопротивление измерялось'зондовыми методами, толщина пленок определялась с помощью интерференционного микроскопа. Методами вольт-амперннх характеристик измерялись параметры сформированных барьеров - высота и коэффициент идеальности. Были сопоставлены электрические характеристики с фазовым составом пленок и условиями роста.

Для проверки термостабильности сформированных пленок нитрида вольфрама и структур пленка-подложка в целом, структуры подвергались отжигу до температур 900°С, с последующим измерением электрических характеристик, исследованием фазового состава материала пленок, ширины и химического состава границы раздела.

■ Для максимального согласования коэффициентов термического расширения (КТР) нитридной пленки и арсекида галлия использовался разработанный способ получения многокомпонентных пленок из

нитридов тугоплавних металлов и их твердых растворов ( A.c. Е? 4913784/21), при которой распыляются составные мишени требуемого состава. ' формула для расчета составных мишеней имеет вид:

где Кр[_ - коэффициент распыления I - материала, - требуемое содержание l компонента в пленке, SL - площадь, занимаемая l - материалом на мишени, 5м - площадь иикени.'

Определение разности КТР пленки и подложки осуществлялось по изгибу структуры. Для этого использовался двухлучевой лазерный метод. Расчет разности КТР и вызванных этой разиостыэ упругих напряжений проводился по формуле Стоуни, в которой для расчета радиуса изгиба использовалась формула:

О _ , Ао __

к ~ ¡^^ШГ-^ ^ШЕ (2) 2

где R - радиус изгиба, Ао - расстояние иеяду падакщкйи лучит, 2 - расстояние от-экрана до образца, AI и А2' - расстояния в плоскости окрана между падающим и отраженным лучами, для I и 2 лучей, соответственно.

С использованием разработанных программ произведен расчет составных мишеней ( VV, fv/b ; W,Ta ; W, Mo; W,Zr" ) для определения состава пленки, при котором упругие напряжения в системе пленка - подложка будут минимальными.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФА300БРА30ВАНЙЯ НИТРИДА- ВОЛЬФРАМА, ' ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК,ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТИ И ПАРАМЕТРОВ СФОРМИРОВАННЫХ СТРУКТУР

Показано, что при распылении вольфрамовой мишени пучком ионов азота при комнатной температуре наблюдается присутствие соединения нитрида вольфрама. Сравнение результатов, полученных различными методами (ЭОС, ШМС), показывает высокую достоверность этого факта.

Охе-пик вольфрама отличается по форме от пика эталонного чистого вольфрама, что свидетельствует о нахождении вольфрама в химической связи, а методом ВИМС зарегистрированы массовые числа,

"О

соответствующие фазам и \л/Ыг » наряду с чистым йолъфрамом.

Факт образования нитрида вольфрама обусловлен стимулирующим воздействием, присущим Ш1Р.

Рассмотрена область образования нитрида вольфрама. Исследование вольфрамовой мишени, длительное время облучаемой ионами азота, не показало наличия в мишени нитридных соединений, также не обнаружено молекул нитрида вольфрама в пролетном пространстве: мишень-подложка при масс-спектрометрическом анализе состава распыленного материала в процессе распыления мишени. Перенос нитрида вольфрама с мишени на подложку или образование его в пролетном пространстве отсутствует. Областью образования нитрида вольфрама является подложка, на которую в отдельности поступают компоненты реакции. Процесс роста пленки носит гетерогенный характер. Стимулирующее воздействие факторов ИЛР (повышенная энергия нейтральных частиц, нахождение.их в возбужденном состоянии 'и'присутствие ионов в общем потоке осаждаемых частиц) проявляется непосредственно на подложке.

Представлены результаты по;;влиянию состояния компонент реакции (нахождения одного из них или обоих в возбужденном состоянии) на Газообразование пленок. Методом ВИМС анализировались пленки, полученные в режимах А, В, С. Показано, что пленки, полученные в режиме С чисто вольфрамовые, образование нитрида отсутствует. В пленке, полученной в режиме В, наблюдается незначительное содержание фазы 1л/Ы . Нахождение в возбужденном состоянии только атомов вольфрама недостаточно для интенсивного образования соединения. Пленки, полученные распылением вольфрамовой мишени ионами азота (режим А), представляют смесь \л/., \л/К с высоким ходержанием именно нитридных соединений. В пленках контролировалось наличие атомов мышьяка и галлия. В нитридных пленках диффузия мышьяка и галлия практически отсутствует. На уровне чувствительности ВИМС (10"^ сигналы галлия и мьшьяка регистрируются на уровне шума. Граница раздела резкая. В пленках с незначительным содержанием нитридных связей (режим В) ухе фиксируется наличие галлия и мышьяка в приграничной области. В чисто вольфрамовых пленках наблвдается значительное размытие границы раздела, галлий и мышьяк регистрируются по всей толщине пленок.

Нагрев подложки в процессе роста пленок до Т = 600°С не . влияет на образование нитрида вольфрама.

Рассмотрено влияние энергии ионов на фазообразование пленок. Получена зависимость фазового состава от энергии ионов (рисЛ). Зависимость носит экстремальный характер с минимумом в районе -- 300 эВ.

Рассмотрено влияние нейтральных частиц на фазообразование пленок. Из полученной зависимости (рис.2) следует, что образование нитридных фаз прямо зависит от энергии нейтральных частиц. Наблюдается тенденция к насыщению при энергии распыляющих ионов Е * 3 кэВ. Это вызвано конкуренцией двух процессов: диффузии мышьяка и галлия и образования нитрида вольфрама, являющегося барьером для этой диффузии. В пленках, полученных при Е « I кэВ отмечается высокий уровень содержания мышьяка и галлия. Это связано со стимуляцией развала арсенида галлия в приповерхностном слое и активацией диффузии мышьяка и галлия при еще недостаточной энергии для образования значительного,числа нитридных связей, являющихся диффузионным барьером. Увеличение энергии ионов до Е « 3 кэВ приводит к приоритетному развитию процесса образования нитрида вольфрама, препятствующего диффузии, а дальнейшее увеличение энергии при насыщении процесса образования соединения продолжает усиливать диффузию. Существует оптимум по энергии ионов.

Приводятся данные по исследованию термостабильности пленок. Пленки отжигались в вакууме при Т = 850°С в течение 15 минут. Обратные стороны подложек предварительно капсулировались пленками нитрида алюминия, также сформированными ИЛР, Результаты представлены на рис.3. Отжиг пленок, полученных в режимах В и С, приводит к резкому усилению диффузии мышьяка и галлия, сильному размытию границычраздела и даже к разрушению пленок при толщине пленок до 200 им. Вольфрамовые пленки не являются надежным барьером для диффузии атомов мышьяка и галлия, их применение на подложках арсенида галлия ограничено и исключается их использование в самосовмещенной технологии. Показана хорошая термостабильность нитридных пленок. После отжига мышьяк и галлия регистрируются на уровне шума, сохраняется стехиометрия приповерхностного слоя арсенида галлия. Пленки нитрида вольфрама являются надежным диффузионным барьером и могут использоваться при температурах, применяемых в самосовмещенной технологии.

Зависимость фазового состава пленок нитрида вольфрама от внергии ионов, поступающих на подложку

1««п4--:--

•100 гоо ■ зоо Рис Л.

400

Зависимость фазового состава пленок нитрида вольфрама _ от внергии ионов, распыляющих мишень

-<0

40

-ю

40

—1

'-{

>

1

а - wn

«-К'Мг

2 Ъ

Рис.2.

Е.оВ

Влияние отжига Т - 850 С 15 мин на фазовый состав пленок, полученных:

- распылением вольфрамовой мишени ионами азота (режим А) (а);

- распылением вольфрамовой мишени ионгши аргона с подачей азота к подложке (режим В) (б);

- термическим распылением вольфрама в атмосфере азота г (режим С) (с). [,ммп/с__

10 10'

10

10

(а)

I

(б)

V/ им ЫМ1 N Аъ йч ^ WN МЫг N Аь 6а

(с)

- ----В 5 о'С

- .... _ р^ЗР^-

- и*»НИ При <ггя<иге

- :' И М • •

W W^/ и/М2 М Аь

Рис.3

Приводятся данные по электрофизическим измерениям сформулированных Ш1Р пленок нитрида вольфрама. Поверхность пленок гладкая, блестящая, сг.ун пленки механически прочные. Скорость роста составляла 0,01 - 0,03 нм/с. Толщина пленок находится в диапазоне: 50 - .100 нм.

Технологические параметры процесса ИЛР:

Максимальный ионный ток.на мишень - до 5 мА.

диапазон ускоряющего напряжения от I до 5 к!3.

Диапазон рабочего давления в камере вт 5.10"^ до 5.10"^ Па.

Содержание азота в рабочем газе от 0 до 50&. Определен оптимальный технологический режим получения пленок нитрида вольфрама. Полученные в оптимальном режиме пленки имеют удельное электрическое сопротивление 50 мкОм.см..

• Параметры контакта Шоттки: высота барьера - 0,72 эВ, коэффициент идеальности - 1,05. Зависимость параметров контакта от энергии распыляющих ионов коррелирует с наличием в пленках про-диффундировавших мышьяка и галлия.

Измерена кривизна структур и произведен расчет разности КТР и величин остаточных напряжений для пленок различного состава. Остаточные напряжения в системе пленка-подложка минимальны при составе пленки ( МЬ5^ N •

■ По совокупности электрических параметров и .термостабильности пленок сделан вывод о возможности и перспективности применения пленок нитрида вольфрама в качестве контактов Шоттки в приборах электродной техники, получаемых самосовмещенной технологией. и о применимости метода Ш1Р для их получения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ '

1. Разработан способ получения пленок нитрида вольфрама ионно-лучевым распылением (ИЛР) вольфрама при пониженных температурах (вплоть до 50°С), позволяющий получать пленки на термонестабильных подложках из арсенида галлия. Показана возможность совмещения способа с общим технологическим циклом создания диодов и лолевых транзисторов с барьером Шоттки.

2. Показана принципиальная возможность получения пленок из нитридных соединений тугоплавких металлов ионно-лучевым распылением и экспериментально установлено, что образование соединения нитрида вольфрама в основном происходит на подложке.

3. Проведен расчет упругих напряжений в формируемых структурах пленка нитрид вольфрама - арсенид галлия и показана возможность их минимизации,

4. Экспериментально показано, что структура пленка нитрида вольфрама - 'арсенид галлия термостабильна до температуры 900°С. И установлено отсутствие взаимодиффузии материалов пленки и подложки, При этом сохраняется стехиометрия приповерхностного слоя арсенида галлия.

5. Экспериментально установлено, что закономерности фазо-образования в процессе роста пленок нитрида вольфрама в первую

'"^очередь определяются энергией ионов и нейтральных частиц, поступающих на подложку,

6. Разработан и изготовлен специализированный источник ионов, позволяющий проводить распыление тугоплавких металлов ионами азота и аргона низких энергий.

7. Разработана и изготовлена экспериментальная высоковакуумная технологическая камера ИЛР,'позволяющая проводить осаждение пленок из нитридов тугоплавких металлов.

,8. Показана возможность практического использования пленок нитрида вольфрама. Сформированы барьеры Шоттки со следующими параметрами: высота - 0,72 эВ, коэффициент идеальности - 1,05, удовлетворяющими требованиям к затворам полевых транзисторов, изготовляемых по самосовмещенной технологии.

9. Разработан способ получения многокомпонентных пленок требуемого состава ИЛР (A.c. № 4913784/21).

Результаты работы внедрены в научно-исследовательском институте "Пульсар" и подтверждены соответствующими документами.

Основные положения диссертационной работы представлены в следующих публикациях:

1. Галанин С.Г., Мучник М.Л., Черняк Е.Я. Формирование термостабильных пленок сложного состава ионно-лучевым распылением. Материалы I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники, ФТИ им.Иоффе. Ленинград. 1989.

2. Галанин С.Г., Мучник М.Л., Черняк Е.Я. Образование мно-гокбмпонентных пленок на поверхности кристалла при соударении.. . частиц повышенной энергии. Материалы 9 Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с: твердым телом",МИФИ:Москва,1989,

is.

3. Галанин С.Г., Назаров А.И., Орлов Ю.В., Потенкин А.Ю. Формирование диэлектрических покрытий ионно-лучевым распылением на арсениде галлия. Материалы конференции молодых ученых и специалистов, НИТИ. Рязань. 1989.

4. Галанин С.Г., Мучник М.Л., Назаров А.И., Орлов Ю.В., Потемкин A.B., Черняк Е.Я. Капсулирующие покрытия на арсениде галлия, выращенные методом иснно-лучевого распыления.//Электронная промышленность.-1990.- К? 10. С.85-88.

Fi. Галанин С.Г., Кузнецов Г .Д., Мучник M.JI., Соловьев A.B., Черняк К.Я. Ионно-стимулированный рост нитридных пленок. Материалы Международного симпозиума "Плазменные и лазерно-стимулированные процессы в микроэлектронике", ИОФАН. Ростов-Великий. 1991.

6. Галанин С.Г., Черняк Е.Я. Формирование тонких диэлект- ^ рических и проводящих пленок методом ионно-лучевого распыления. Материалы 3 Межрегионального Совещания "Тонкие пленки в электронике", РАН, МарПИ. Йошкар-Ола. 1992.

7. Галанин С.Г., Черняк Е.Я. Формирование тонких диэлектрических и проводящих пленок методом ионно-лучевого распыления. //Письма в КТФ.-1992.-Т.18.-вып.17. С.72-75.

8. Галанин С.Г., Мучник М.Я., Орлов Ю.В., Потемкин A.B., Черняк Е.Я. "Способ получения многокомпонентных пленок ионно-лучевым распылением". A.c. Р 4913784/21 (016582),СССР, 1992 г.

9. Галанин С.Г., Кузнецов Г.Д., Толстогузов A.B., Черняк Е.Я. Получение пленок нитрида вольфрама на арсениде галлия и исследование их термостабильности.//Письма в £ТФ.-I993.-T.I9.-Вып.2. С.47-50. .

10. Галанин С.Г., Кузнецов Г.Д..Толстогузов A.B.,Черняк Е.Я. Термостабильность и диффузионная стойкость пленок нитрида вольфрама, выращенных ионно-лучевым распылением на арсениде галлия. Материалы 4 Межрегионального Совещания "Тонкие пленки в электронике", РАН, БИЕН. Улан-Удэ. 1993.

И. Галанин С.Г., Кузнецов Г.Д., Толстогузов A.B..Черняк Е.Я. Фазообразование и химический состав пленок WN* на арсениде галлия при осаждении ионно-лучевым распылением. Материалы 4 Межрегионального Совещания "Тонкие пленки в электронике", РАН, БИЕН. Улан-Удэ. 1993.

12. Галашш С.Г., Кузнецов Г.Д., Толстогузоз А.Б., Черняк Е.Я. Влияние ионов низких энергий на фазовый состав пленок нитрида вольфрама. Материалы II Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью", МИФИ, Москва, 1993.

13. Галанин С.Г., Кузнецов Т.Д., Толстогузов А.Б., Черняк Е.Я. Термостабильность пленок нитрида вольфрама, выращенных ионно-лучевым распылением на арсениде галлия. // Физика и химия обработки материалов. №5 /1993, с. 87-92.