автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Фазовый состав, структура и свойства моно- и биметаллических тонкопленочных слоев тугоплавких металлов на кремнии

i Г" r\

'i ó

0.1

Нацюнальный техшчшт ушверситет Украиш «Кишський полггехшчний ¡нституг»

На правах рукопису

МАКСИМОВИЧ Людмила Пегр1вна

УДК - 539.216.2:661.685

ФАЗОВИЙ СКЛАД, СТРУКТУРА | ВЛАСЩВОСТ1 MOHO- I Б1МЕТАЛ1ЧНИХ ТОНКОПЛ1ВКОВИХ ШАР1В ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛШ НА KPEMHIÍ

Спещальшсть 05.16.01 - Металознавство i iepMi'ina обробка меташв

Автореферат дисертаци на здобуття паукового ступеня кандидата техшчних наук

Кшв -1996

Дисерташею с рукопис.

Робота виконана на кафедр! «Ф1зика метал1в» Нацюнального техшчного у/пверснтету Украши «Кшвський по/итехшчний шститут».

Науковий кертник: доктор ф1зико-математичних наук, професор

Серий 1ванович Сидоренко Науковий консультант: д.т.н. ЮрШ Миколайович Макогон ОфщШш опоненти: доктор техн1чних наук

Микола 1ванович Гречанюк

доктор ф1зико-математичних наук, професор Михайло Олексшович Васильев

Провщна оргашзащя: АТ «Родон» мЛвано-Франювськ

Захист вщбудеться « » черИчя 1996 р. о. /¿1.00 год на засщанш спсшалгзовансн ради К 01.02.12 з присудження вчених ступешв Нацюнального техшчного у!мверсистету Украши «Кшвський иолггехшчний шститут» за адре-сою: 252056, Кшв, проспект Перемоги, 37, НТУУ «КП1». Вцагуки на автореферат у двох прилпрниках, зав1рених гербовою печаткою установи, просимо надсилати за вказаною адресою.

3 дисертацшною роботою можна ознайомитися у б1блютеш НТУУ «КП1».

Автореферат роз1сдано

М

«**' »

травня 1996 р.

Вчений сскретар спсцшнзопано! ради К 01.0^ кандидат техшчних наук,/донец

Г.С.Федоров

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальность проблем»

В сучасшй TexHini знаходять широке застосування po6o4¡ элемент», що створен! на ochobí сполук метал i к з кремшем. Технолог ¡я одержання сил íiuíjiíh метал1В ¡нтенсивно розвиваеться у зв'язку з задачами створення мкроприладш, яы мають полшшеш техшко-еконокнчш показники.

Силщиди тугоплавких металin поршняно з силщидами нииих Merajiin, ям градицшно використовуються, та полшрнсташчним кремшем, мають ряд пере-ваг як у luiaiii комплексу елекгрофвичних властнвовостей, ix часовоУ та тем-пераратурноУ стабшьностч, ciíhkoctí до да xím¡4ho активних середовнщ, так i в аспект! cyMÍCHOCT¡ з загальними принципами технологи виготовлення мшроприладш.

Незважаючи на те, що юльюсть публшацш, присвячених дослщженню тугоплавких MeTajiÍB та Vx силщидш, зросла за останш роки, роботи у цьому напрям-ку необхщно продовжувати, оскшьки законом1рносп формування фазового складу та структури в залежносп вщ технолопчних параметр1в nponecin одержання та TepMÍ4noí обробки не можна вважати установленими у повшй M¡pi.

Тому уявляеться важливим розвиток матер1алозцавчих основ технологи, яка дозволила б забезпечити високу вщтворювашеть одержання тонкогонвкових силщидш тугоплавких металт з потр1бними ф1зичшши властивостями та експлуаташйннмн характеристиками.

Мета ¡ завдання досл1джешш

Мета роботи: установления закономерностей формування фазового складу i структури моно- та бшетал!чних тонкогшвкових uiapie тугоплавких метал i в на кремни1*, Vx 3míh при терм!чнш обробщ у вакуум! та при ¡мпульсному фотонному Bwnani в атмосфер! високочистого аргону в ¡нтервал1 температур 773-1373 К та розробка на цШ ochobí оптимальннх режимш одержання та обробки, яю забезпечували б noTpi6ni властивосп та пщвищену стабшьшсть iuiíb-кових елементш м1кроприлад1в, що cinopeiri з використанням силщидних íuapie.

Для досягнення поставлено'!' мети були Biipiuieni та к i завдання:

1. Проаналвувати можливосп фпичних метод1в дослщження для внвчення процепв силщидоутворення у моно- та б1метал1чних тонкопл1вкових (субмшронних товщин) системах тугоплавких металiu на полшристалщному i монокристалншому кремни, застосувати комплекс метод1в для дослщження

" Дослщжап моно- та бшеталнш тонкогшвков! системи на кремпп та методн íx одержання охарактеризован! в табл.1.

Таблиця 1 - Об'екти дослщжень та режими ix одержання

№ п/п Позначатя дослщжуваних ПШВКОВИХ СИСТЕМ ToHKonjiiBKOB! шари таУхтовшини Пол1крис-талшнй кремшй i Яоготовшина ГМжладанка Вид ТСрМ1ЧНО» обробки

1-й шар . 2-й шар

шари,одержан) магнетронним осаджениям

1 2 3 4 ч Ta-SiM Ta-Sin-SiM (la+Si>Si„ Ti-W-Siu AI-Ti-W-SiM тантал, 300 нм тантал, 300 нм тантал+кремшн (спшосаждення), 300 им сплав складу 50ат.%тнтану-50 ат.% вольфраму, 150нм алюмшШ,100 нм сплав складу 50 атЛо титану-50 ат.% вольфраму, 150 нм 450 нм монокристашч-нийкремжй з opicnrauino ГОМЩИШ ПОВфХН! (100) Biirnan у вакуум! в!дпал у вакуум! ¡мпулъснийфотоннийвштл вщпалувакууми ¡мпульсний фотоний вщпал в!ллал у вакуум1

шари, одержан» електронно-променевим випаровуванням

6 7 8 9 Ti-Si„ W-Sin Ti-W-Si„ W-Ti-Sin титан, 15нм вольфрам, 15 нм тктаи, 15 нм вольфрам, 15нм вольфрам, 15 нм титан, 15 нм 30 нм 30 нм 30 нм 30 нм кристали NaCl вщпал у вакуум! «in situ»

фазового складу, структури та електроф1зичних властивостей дослщжуваних систем. •

2. Вивчити вплив умов одержання 1 терм1чноУ обробки на фазовий склад, структуру I електроф1зич1п властивосп дослщжуваних систем.

3. Установити температурно-часов1 штервали стабшьносп фазового складу дослщжуваних систем, проанал1зувати закономфност1 фазових перетворень.

4. Розробити режими одержання тонкошивкових систем з фазовим складом, який вщповщае складу дисилщиду металу, та оптимальними властивостями; виробити рекомендацн по практичному застосуванню цих режим1в при виготовленш шпвкових елемент1в мжроприладов, що мають потр1бш фвичш пластивосп, пщвищеш сгабшыпсть та ступшь штеграцн.

На захист виносяться наступи! положения:

1. На формуванмя фазового складу, струкгури та електрсфзпчш властивосп систем «тонка шппка танталу - монокриспинчний кремшй», «тонка шпвка титлу - полжристлтннй кремшй - монокрискипчннй кремшй», «тонка гилвка, одержана ашюсаджснням танталу га кремнно, - монокристалнннй кремнш» I ншшнпою гиппк-оннх шарш.150 300 им пшшппкль:

- структурно-фазовий стан пщкладинки,

- метод одержання,

-' склад газового середовища пщ час осадження та подальшому вщпаш,

- розподщ дом ¡шок по товщиш плшки,

- умови теркичноУ обробки (у вакуум! чн при ¡мпульсному фотонному Buuia;ii в aproni);

роль умов теркнчноУ обробки е визначалыюю.

2. У npoueci терьпчно! обробки вщбувасться значка змша розподшу домшюк (насамперед кисню та водню) у приповерхневих щарах пл1вки: формування KpiiCTajii'iiioi структури силщидних фаз у дослщжуваних системах на кремни супроводжуеться дифуз!ею домшкових атомш до меяи розподшу «пл1вка-пщкладинка» i «шнвка-середовище вшпалу», завдяки чому формуються кисне-та вуглецевмштю дифузшш бар'ери складного складу, як1 забезпечують пщвищення терм!чно1 стабшъносп фазового складу i властивостей.

3. Наявшсть пром1жного шару полшристашчного кремшю у систем! «тонка пл!вка танталу - полисристашчний кремшй - монокристал1чний кремшй» зу-мовлюе зниження температури процест силщидоутворення на 200 К та пщвищення температури початку формування TaSi2 (снлщиду з оптималышмн фпнчними властивостями) на 100 К поршняно з температурою початку процест силщидоутворення i температурою початку формування TaSi-, вщповщно у систем! «тонка шинка танталу - монокрисгалшний кремшй», що не мютить шару полжристалшного кремнио.

4. Промшний шар шйвки сплаву титан-вольфрам у систем! «тонка шпвка алюмнню - тонка шпвка сплаву титан-вольфрам - монокристшйчний кремшй» е ефектнвним бар'ером, який 3ano6irae взаемодифузи алюм'ийю та кремшю при Bwnani у вакуум! 2-10 3 Па в !нтерв&ш температур 573-773 К.

5. 1мпульсний фотонний в!дпал (1ФВ) систем «тонка плшка, одержана сшвосадженням танталу та кремшю, - монокристал!чний кремшй», «тонка шпвка сплаву титан-вольфрам - монокристашчний кремшй» в атмосфер! висо-кочистого аргону при ¡нших однакових умовах (склад металнного шару, струк-турно-фазовий склад пщкладинки) забезпечуе одержання пл!вок скдаду дисил!циду металу, - що обумовлюе оптимальн! електроф!зичш i технолопчш властивост! пл!вкових елемента.

6. Формування фазового складу моно- та б1метал!ч(шх тонкошнвкових uiapiB тугоплавких метал!в на кремни залежить вщ методу одержання та умов терм!чно1 обробки:

- у систем! «тонка шпвка танталу - монокристал!чний кремшй (SiH)»:

Тя

пщ час шдпал у 1 а> вчшал у . вцгш у

осаджсиня^ Та, вакуум! Та4 5Si, вакуум! TasSi3 вакуум! ^ _

" при553К Ta4,5Si при973К Ta2Si- при 1273К* TaSi2 прн1373К

Ta5Si3

- у систем! «тонка шивка танталу - пол!кристал1чний кремнш (51п) -монокристал1чний кремнш (51м)»:

пщчас вщпалу Та, вщпалу

осадження Та, вакуу^ Та4 58!, вакуум

п м при 553 К Та4^1, при773К ' Т«^, при 1373 К

Та^з

- у систем! «тонка шпвка, одержана сшвосадженням танталу та кремнно, -монокрисгатчний кремнШ(8!м):

_ осадагення Дифракц1й-' „ ф Тя^!, 1фв

(Та+51)-ам но-аморф- —¡^-3'-Та^ц, - - ТаЭи;

при553К Н11йста„ При 1123К 2 при 1273К Та58^ при 1333К

- у систем! «тонка шивка сплаву титан-вольфрам - монокристал1чний кремшй

шд час вщпал у

осадження \у вакуум!

W-Ti - 81м -------щ XI,

при 553 К И при 1273 К СГ^ЛУ^,^;

- у систем! «тонка шивка сплаву титан-вольфрам - монокристал!чний кремн!й («м)»:

ПИчас № Т!Ч!

осадження \У, 1ФВ "> 1ФВ .

при553К 1 Т1 при973 К ' при1173К ' ^те^'10.

Наукова новизна

1з основних результате роботи, як! маюгь наукову новизну можуть бути в!дм!чеш таи:

- вивчено вплив метод1в одержання тонких (субмшронних товщин) метал!чних пл!вок, умов терм!чно1 обробки, структурно-фазового стану пщкладинки на послщовшсть ! темпераратуру утворення фаз, а також на електроф!зичш власгивосг! систем «тонка плтка танталу - монокристал1чний кремнШ» (Та—Б!м), <стонка г'Нвка танталу - пол!кристал!чний кремшй - монокристал!чний кремн!й (Та—51п—«тонка шпика, одержана сшвосадженням танталу та кремшю, -мопокристашчний кремшй ((Та+Б!) «тонка пл!вка сплаву титан-вольфрам -- монокриспишпшй кремшй (Ti-W - 5!м)» пщ час вщпалу у вакуум! 2-Ю"3 Па та при ¡мпульсному фотонному витал! в атмосфер! високочистого аргону в ¡терший температур 773-1373 К;

- усыновлено, то у системах 'Га Та-Б^-Б^, фактором, який низнача» юмперачуру почшку форчушшня сюммкдпих фаз, !х аруктуру ! властивост! с

" 1ФН 1М11Ч. 11.1111111 финиши» ПЫП.П

кристальна структура кремшслюТ шдкладинки. Тип легування (бором або фосфором) кремшсво? пщкладинки не вплнвае на температуру та послщовшсть фазових перетворень у систем! Та-8!н;

- пщ час дослщжень систем» Та-З^З^ установлено, що при низькнх температурах вщпалу у вакуум! (773-970 К) дифу31Я по межах зерен переважас над об'емною дифузкю, що сприяг. зниженню на 200 К температури початку фазових перетворень у систем! Та-3!м, що не мгстить шару полшристшичного кремнно (пщ час вщпалу якоТ у такому ж ¡нтервал! теператур дифуз!я по межах зерен не мае м!сця). При пщвшцених температурах вщпалу (1273-1373 К) домшжош атоми кисшо, утворюючи сполуки з танталом, блокують утворення ТаБь ;

- спостернаеться «шпТснення» домшкових атом!в кисню ! водню зростаю-чим шаром сил!циду ! утворення сегрегащй цнх домшок на межах «сшнцидний шар-кремн!ева пщкладинка» ! «силщидний шар-середовище вщпалу»;

- установлено утворення у приповерхневих шарах пл!вки кисне- та вуглецевмютких сполук складного складу, як! перешкоджають проникненшо у шнвку дом!шок залишково'У атмосфер« камери вщпалу! забезпечують пщвищення термщноГ етабщьност! фазового скдаду та властивостей;

- установлено, що ¡мпульсннй фотонннй вщпал в атмосфер! високочистого аргону систем (Та+3|>—Т!-\У - е ефектившшим методом терм!чно! оброб-ки, який дозволяе сформувати дисилщидш фази з дифракщйно-аморфного (система (Та+Б!) - Б!м) гкристал!чного (система Т1-\У - Бц,) стану при температурах на 100-300 К нижчих ! протягом 4-5 с та 30-40 с вщповщно пор!внюючи з температурами ! часом витримки при вакуумному вщпал!;

- дослщжлшями систем «тонка гинвка алк>мш!ю - тонка пл!вка сплаву титан-вольфрам - монокристал!чний кремнш» (А1 - Т!-\У - Б^) установлено, що твердий розчин кремнш в алюмши на поверхн! шнвки не утворюсться, а м!ж алюмЫем ! сплавом Т!-\У формуеться ¡нтерметалщ А13Т|. Вщсутшсть твердого розчину Б! в А1 указуе на перспективтсть застосування Ть\У бар'ера для запоб!гання взаемно! дифузп алюмншо та кремнпо;

- показано, що метод одержання плток та умови терм!чно1 обробки с факторами, як! визначають процес формування фазового складу у системах Та-Б!м, Та-8!п-Б!м, <Та+й)-Ям, Т!-\У - Б!,,;

- розроблен! режими одержання тонкошивкових систем з фазовнм складом, який вщповщае складу дисилщиду металу, ! оптималышмн властнвостями та вироблен! рекомендацн по практичному застосуваншо цих режим!в пщ час виготовлення шнвкових елемент!в м!кроприлад!в.

Апробащя роботн

Магер!али дисергацншоУ роботи допошдалнсь та обговорювались на : V Укра'шськш конференцп «Ф!зика ! технолопя тонких шивок складних

напшпровщниюв» (Ужгород, 24-26 червня 1992 p.), IV М!жнароднш конференцн з ф1зики i технологи тонких ггшвок (1вано-Франк!вськ, 4-7 травня 1993 p.), XIV науково-техшчнш нараш «Новые материалы для микроэлектроники на основе тугоплавких соединений» (Туапсе, 17-21 жовтня 1994 р.), конференщТ «Новые перспективные материалы в металлургии» (Кшв, 13-14 жовтня 1994 р.), 1994 FALL MEETING MRS (Бостон, 28 листопада-2 грудня 1994 p.), VI К^жнародному Симиоз!ум1 «Тонкие пленки в электронике» (Херсон, 23-29 вересня 1995 р.), 1995 FALL MEETING MRS (Бостон, 27 листопада-1 грудня 1995 р.), об'еднаних наукових ceMiHapax кафедр ф!зикн мегал¡в, загальноТ та експериментальноТ фпики, загально'1 ф1зики i фЬики твердого тша.

IIy6jiiKauiT

За матер1алами робота опублжовано 7 друкованих праць.

Об'ем та структура дисертацп

Дисерташя складаеться ¡з вступу, чотир» ох роздЫв, вйсновк1в, списка лгсератури, що цитуеться та додапив. Дисертац!я викладена на 118 сторшках машинописного тексту, Mi стать 25 рисунков та 6 таблиць.

ЗМ1С1 РОБОТИ

Необхщшсть промислового освоения новнх силщидних технолопй, завдання пщвищення контрольованосп процеа'в формування фазового складу та струк-тури силщидних гипвок обумовлюють важлив1сть фундаментальних дослщжень тонких пшвок тугоплавких метал!в як матер1алознавчих основ нових технолопй.

Вивчення законом!рностей процеав сшпцидоутворення у тонких шнвках, одержаних в умовах в!тчизняного виробництва р1зними технолопчними засо-бами, дозволяс, враховуючи функцюналын особливосп шпвкового елементу мжроприладу, контролювати процес вщтворюваного одержання шпвковнх елемент!в з оптимальними властивостями, що е найважливщгаю умовою вико-рнстання сишцидноТ технологи, осюльки близько 75% технолопчних операцш по виготовленню м^кроприладу здшснюсться тиспя того, як снлщндна шн'вка вже сфпмована.

Пл1вки танталу були одержан! магнетронним розпиленням Miuicni складу Ta+2%Fe+0,l%Y. Невелика кшыисть irpiio добавлялась для зв'язування кисню та подрЮнення зерна, а легування залпом покращувало структуру шпвок.

ГЫвки (Ta+Si) були одержан! в iGipiio'i Miiueni, яка являла собою комбшацпа пластин танталу i крсмнио, плота яких тд час ствосадження у nponeci маг-нсгронмою розпилсния мннен! забешечувала потрйний склад (Ta:Si=l:2).

Плтки сплаву складу 50 ат.%Т!~50 ат."Л>\У були одержан! магнетронним

розпиленням зб1рнс>1 мадии, що являла собою пластину високочисгого вольфраму ¡з вставками ¡з монокристал1чного титану, яю розм!щувались таким чином, щоб на поверхш, яка розпилюеться, сшввщношення участив "П 1 \\' вщповщало необхщному стввщношенню метал! в у а икни (у ат.%).

Пл1вки алюмшпо були одержан! магнетронним розпиленням м!шеш складу А1+0,1%Но+1%8! на плшку Т!-\У. 0,1 ат.% гольмно добавлявся для зв'язування кисню, окр1м того ця добавка потр!бнюе зерно, що важливо шд час фотол!тографа. 1 ат.% кремнио добавлявся для зменшення ймов1рност! «пробою» при мшких р-п переходах.

Тонкопл!вков! системи були одержан!: 1) магнетронним осадженням (сп!восадженням металу ! кремн!ю), 2) електронно-променевим випаровуванням металу на кремн!й з подальшою терм!чною обробкою для формування шар!в сипщидних фаз. Технолог!чн! параметри методав одержання ! умовн терм!чно1 обробки наведен! у табл.1, ! 2; на рис.1 представлене схематнчне зображення розм!щення шар!в досл!джуваних систем.

Дослщження були проведен! з залученням комплексу метод!в ф!зичного матер!алознавства. Структура ! фазовий склад пл1вок досл!джувались методами рентгенографи I електронографи. Для вивчення розподшу конценграцпших неоднорщностей по товщиш використовувався метод вторинно-!онно1 мас-спектрометрп (ВЩС). Вим!рювання питомого опору були виконаш за стандартною чотирьохзовдовою методикою.

Дослщженями процес!в сил!цидоутворення у системах «тонка гшвка танталу

Середовшце вщпалу: вакуум (2-10'3 Па) або високочистий аргон

ПОВфХНЯ

меж1 роздшу

1-й шар

2-й шар

промЬкний шар полжристашчного кремнш

шдкладинка (монокристалЫпий кремнш з ор1гнтац1сю поверхш' (100) або кристали N301)

Рисунок 1 - Схематичне зображення розмщення шар!в дослщжуваних систем

Таблиця 2 - Технолопчш параметри процсс1в одержання плшок

Метод одержать Тиск Р, 103Па и, В 1,А Швидаость осадження V, 10"9 м/с Температура шдкладннкиТп К

Магнетронне осадження Аг 450 300-500 1-5 0,3-0,5 553

Електронно-променеве випаровування вакуум 5-100 3600 0,16 1,5-3 533-583

- монокристашчний кремшй» (Та-Б1м), «тонка гипвка танталу - полифисгашчиий кремшй - монокристал1чний кремшй» (Та-Эг^—Згм), у процеа вщпалу у вакуум! установлено, що пщ час магнетронного осадження у процеа напилення пшвки танталу як на пщкладшпсу монокристал!чноп> кремшю обох титйв легування, так ! на шдкладинку з шаром пол1кристал1чного кремшю, утворюеться фаза Та4581; репструклься також рефлекси кристалшноТ фази а-Та без ознак тек-стури. Пщ час вщпалу у вакуум! формування сшнцидних фаз Та281 1 Та^з у систем! з шаром пол!кристал!чного кремшю вщбуваеться при температур! 773 К, що на 200 К нижче, пор!вняно з температурою формування них фаз у систем!, яка не мстить шару пол!кристал!чного кремнно. У цьому-випадку процеси дифузГ! по межах зерен переважають над процесами об'емно'1 дифузи, шо створюе сприятлив! умови для росту сшпцидних фаз при бшьш низьких температурах. Однак при шдвищених температурах вщпалу формування к!нцевого продукту взаемод!'1 танталу з кремн!ем - дисшйциду танталу — у вказанш систем! вщбуваеться при температур! 1373, що на 100 К бшьше поршняно з температурою утворення ТаБ^ у систем! Та-Б!м. Така р!зниця у розвитку твердотшьних реакшй пов'язана не тшьки Ь структурно-фазовим станом пщкладинки, але ! з р!зним вм!стом у пщкладинках дом!шкових атом!в

Таблиця 3 - Умови терлнчно! обробки пл!вок

Вн. крмгакя Середовише 1нтервал Час

обробки вщпалу температур вщпалу

СташонарниМ гмчшШпщлал вакуум 210"1 Па 573-773 К+10К 773-1373 К±10К 1 година

ЬшулмииН (|к>юш1ш1 м/ишл (1ФВ) иисокочисшМ арюн 973 -1333 К±17К 46с 30 4» с

кисню - практично повна вщсугшсть кисню у монокристалишому кремни i до 2 ат.% кисню у полшристалшному кремни. Кисень, утворюючи сполуки з танталом, при шдвшцених температурах вщпалу блокуе розвиток реакцш аоицидоугворення у систем"! Та—Sin—SiM.

Hi висновки шдгверджеш даними методу BIMC. У систем! Ta-SiM установлено явище «витюнення» домшкових'атсппв кисню та водню зростаючим шаром силщиду i утворення сегрегашй цих домниок на мела «снлщиднин шар-пщкладинка кремшю» i «силщидний шар-середовшце вщпалу».

Даш резистометрп свщчать, що у шнвках ycix систем спостер1гасться зрос-тання питомого опору пщ час вщпалу до 973 К, що зумовлено процесом дифузп домшгок (кремшю i/або кисню) у метал!чшй rniinui та процесом формування силщидних фаз, шо протжають паралельно (рис 2). Це корелюе з даними рентгено-структурного аналгзу: при 773 - 973 К утворюються силшнди Ta45Si, Ta2Si, i Ta5Si3, з електроопором вщносно бшьш високим, н!ж у чистого металу або дисилщнду.

Пщтверджено, що послщовшсть утворення фаз у системах Ta-SiM, Та—Sin—SiM у пронес! вакуумного вщпалу наступна: пщ час низькотемпературних вщпал!в утворюються збагаче!)] меташчною компонентою силщидш фази; при пщвищенш температури вщпалу вщбуваеться формування фаз, багатих кремшсм.

Впливу типу легування пщкладинки (бором або фосфором) на температуру початку фазоутворення, а також на температуру i послщовшсть фазових пе-ретворень у систем! Ta-SiM не установлено.

Дослщженнями процеа'в силщидоутворення у систем! (Ta+Si)-SiM, тдданп'} ¡мпульсному фотонному вщпалу, установлено, що даний режим дозволяе одер-жати TaSij (сил!шщ з оптимальними фшшними властивостями) кристал1зац!ею !з дифракц!йно-аморфного стану вже при температур! 1123 К (час вщпалу 5 с) i при температур! 1333 К протягом 6 с одержати склад, коли весь метал вит-рачено на формування дисилшиду. Вщсутшсть сшнщцив, збагачених метал!чною компонентою, е шдставою для прогнозу пщвищеноУ стабильности утворених пщ час терм!чно1 обробки фаз.

Питомий оп!р imiBOK систем« (Ta+Si) - S!M зменшуеться з пщвищенням температури вщпалу до значения 136,5Т0"8 Омм.

Результат» В1МС свщчать про те, що шсля 1ФВ вщбувасться виршнювання xiMi4iioro складу шпвки по товщиш, При цьому па поверхш шп'вкн main пщпалу утворюсться шар па основ! сполуки кремипо з вуглецсм, якнй персшкоджас. подальшому проникнснню у нл!вку дом!шкових атомт п залишкопоУ атмосферы камсри вщпалу.

Для внзначепня опгнмалышх умов термнпюТ оОроПкн крнстал!чна структура силщидпих фаз сипеми Ti-W SiM формупалась пщ дию вщпалу у вакуум! та ¡мпульсного фогонпою п!дпалу у середовшш аргону. Усганоплеио. шо зразу

? 500

£

О

со 'О

I- 400 С.

"с о о

ш §

>5

г

300

200

100

1

/ N

\ \ \

N j 3 1

2

770 970 1170

Температура Т.К

Рисунок 2 - Залежшсть електроопору вщ температури вщпалу у вакуум! тонких шавок систем:

1 - Та_5'м (пщкладинка легована бором);

2 - Та-Б^

3

.м (шдкладинка легована фосфором);

Та-^Л.

шсля осадженняоутворюеться твердий розниц титану у вольфрам! з перюдом гратки а=3,182 А (для масивного W а=3,165 Я). При температурах вщпалу у вакуум! 773-1173 К не вщбуваеться змша фазового складу, 1 лише вщпал при 1273 К протягом 1 години призводить до формування сшнцидних фаз Т|5!, Однак температури 1273 К не досить для завершения реакцн сил!цидоутвореннч - формування дисил'щиду не установлено; подальше ж пщвищення температури выпалу недоц!льне, осюльки призводить до вщшарування та розтрюкування пл!вок.

Продес силшидоутворення шд час 1ФВ ночинаеться при температурах на

300 К нижних пор1вняно з температурами вакуумного вщпалу: вщпал при 973 К протягом 30 секунд призводить до формуванля силшщп'в TiSi, W5Sij та дисилщиду TiSi2.

Таким чином, !мпульсний фотонннй вщпал е видом теркпчноТ обробки сис-теми Ti-W - SiM, який дозволяе одержатн фазовий склад, що вщповщае складу дисилщиду металу, протягом короткого часу i при нижних температурах поршнюючи з часом та температурами вакуумного вщпалу.

Методом BIMC установлено наявшсть у приповерхневих шарах пл1вок х!м!чних неоднорщностей, яю базуються на сполуках домипок (кисню та во-дню) 3 металом плтки, головним чином, з титаном, i вииграготь роль бар'ера, який перешкоджае подалыиш дифузи у шпвку домшнсових aTOMiB залишковоТ атмосфери камери вщпалу.

Для визначення ефективносп використання пл1вки сплаву Ti-W як бар'ерНого шару багатошарових структур струмопровщних систем надвеликих ¡нтегралышх схем проведет дослщження системи At - Ti-W - SiM.

Рентгенограф1чно установлено, що вщпал у вакуум! 2-Ю"3 Па при температур! 573 К протягом 1 години призводить до утворення штерметал!чно1 сполуки Al3Ti, розчиншсть кремшю у яюй ¡стотно вище (-15%), шж у чистому AI. Можна припустити, що весь кремшй, який подолав бар'ерний шар, буде розчи-нений в штерметашчшй фаз!. Твердий розчин кремнио в алюмши в ¡нтервал! температур 573-773 К не утворюеться.

Дан! резистометри корелюють з даиими структурного аналЬу i методу BIMC.

Електронограф!чними дослщженнями модельних зразюв систем Ti-Sin, W-Sin, Ti-W-Sin, W-Ti-Sin установлено, що пронеси фазоутворення проходять ¡нтеисишпше у систем! Ti-S!n пор1'вняНо з процесами, як! вщбуваються у систем!-W-Sin (температури початку npoueciB фазоутворення у системах T!-Sin i W- Sin 1173±25 К i 1293±25 К вщповщно). Це може бути зумовлено р!знмцею гетерних властивостей W i Ti. У nponeci осадження титан захоплюе атоми кисню залиш-ково! атмосфери приладу напилення i утворюе оксиди, як! у подальшому мо-жугь блокувати процеси фазоутворення у системах, де шввка титану осаджуеться першою. 1Дi висновки пщтверджуюгься результатами дослщжень систем W-Ti-Sin ! Ti-W-Sin (температури початку npoueciB фазоутворення у системах W-Ti-Sin i Ti-W-S!,, 1263±25 К i 1173±25 К вщповщио).

В ycix досл!джувапих системах у npoueci вщпалу «in situ» спостер1гагться настуина послщовшсть утворення фаз: в !д фаз, збагачених метатчною компонентою, до фаз, збагачених кремшем.

OCHOBHI РЕЗУЛЬТАТ!! I ВПСМОПКН

1. 3 викорнстанням комплексу метод!» фпнчного матср!алознавсгпа внвчен!: фазовий склад, структура i електрофничт пласгипосп моно- i (нмета.шчних

uiapie ряду тугоплавких метал ¡в на кремни, Тх змши, викликаш теркпчпою обробкою у вакуум! 210 3 Па в штервал! температур 773-1373 К та щпульсним фотонннм вщпалом у середовшщ високочисгого аргону.

2. Установлено, що основними факторами, ши визначають законом!рност1 розвитку фазових перетворень, формування структури i електроф!зичш властивосп у системах «тонка пшвка танталу - монокрнстал!чний кремнш», «гонка пшвка танталу -полкристалнннй кремнш - монокристащчний кремнш», «гонка плшка, одержана спшосадженням танталу i кремнио, - монокрисшнчнип кремнш», «тонка пшвка сплаву титан-вольфрам - монокристшичний кремнш» з товщиною шнвкових шарш 150-300 им е:

- структурно-фазовий склад пщкладинки (кремшй монокристаЛ1чний або иолнфистшнчннй, легування бором, легування фосфором); '

- метод одержання плавок (магнетронне осадження або сшвосадження);

- склад газового середовища пщ час осадження та наступного вщпалу (вакуум, аргон);

- розподш дом!шок по TOBiniiui плшки;

- умови термшноУ обробки (вщпал у вакуум! 2-10 3 Па в штервал! температур 773-1373 К або ¡мпульсний фотонний в!дпал у середовииц високочистого аргону при 773-1333 К).

Роль умов терм1чноУ обробки е визначальною.

3. Показано, що для доогнджених ыоно- та бшетал!чних тонкошпвкових uiapiB тугоплавких метал1в на кремни гидтверджуються уявлення про нослщовщсть формування силщидних фаз у ripoueci герм1чно'1 обробкн, що внражен! правилом Бене, зпдно якого процес силщидоутворення почицаеться формування фаз, збагачених метал!чною компонентою, i закшчуеться форму-ванням фаз, збагачених кремшем. Наприклад:

- у систем! «тонка пшвка танталу - монокрнсталЬший кремнш (SiM)»:

П1Я час витал у Та, вшп;ш у вщпал у

-j-a_gj осадження^ Та, вакуум! ^ Ta4 5Si, вакуум! Ta5Si3 вакуум! _

м при553К Ta4,5Si при973К Ta2Si, npll)273K TaSi2 при 1373К

Ta5Si3

- у систем! «тонка пл!вка танталу - пол!кристал!чний кремн!й (Sin) -монокрисгал1чшш кремний (S!M)»:

till час вшпал у Та, вщгеш у

,. £.. „. осадження Та, вакууш TaltSi, вакуум!

i a-bi -oi „, » г-1*'^,. — TaSU;

при 553 К * а4,5 » при 773 К Ta2Si, при 1373 К '

Ta5Si3

- у систем! «тонка шнвка, одержана спшосадженням танталу та кремшю, -монокриспинчний кремшй (SiM):

n j+snsi Д"ФРаКЦ1П' 1ФВ Ta.Si,, 1ФВ 1ФВ . ... (la+Si)-biM-——■«. но-амирф--"" т. с--' ' " I - »■ I aSi2.

при 553 К miiiciaii при 1123К '«bij при 1273К i,p„|33JK • "

4. Вивчено вплив структурно-фа зового складу кремшевоТ пщкладинки (кремшй монокристатчний або полжристашчшш, легування бором, легування фосфором) на процеси фазоутворення i електроф!зичш. властивост1 систем Ta-Sifl, Ta-Sin-SiM тд час вщпалу у вакуум! 2-10"3 Па в ¡нтервал! температур 773-1373 К. Установлено, що на розвиток фазових претворень i електроф1зичш властшюст! досшджених систем нанбшьш ¡стотний вплив серед шших фактор1в мае кристалпша структура кремшевоТ пщкладинки (кремшй монокристал1чний або полжристалгший).

У систем! Та—Sin—SiM при низьких температурах вщпалу у вакуум! (773-973 К) дифузш атом1в танталу у uiapi полжристал!чного кремш'го npoTi-кае по м1жзерсн!гому мехашзму. Насшдком домтуючоТ рол) дифузп по межах зерен е той факт, що температура початку процеелв фазоутворення у систем1 Ta-Sin-SiM приблизно на 200 К нижча температури початку фазових перетворень у систем! Ta-SiM, шд час вщпалу якоТ у тому ж штервал1 температур дифуз1я по межах зерен атомт танталу у uiapi кремнио не мае мгсця.

При пщвищених температурах вщпалу (1273-1373 К) системи Ta-Sin-Si4 flOMÍniKOBi атоми кисню, як1 м!стяться у uiapi полпсрисиилчного KpeMHiro, м1грують до меж i розподшу inapie «тантал-полшристал!чний кремшй», де утворюються оксиди танталу, що блокуе реакцпо формування дисилшиду танталу TaS¡2. Результатом е те, що у систем! Ta-SiM (у монокристал!чн!й кремшевш пщкладинш якоТ bmíct кисню на кшька порядив нижчий, шж у uiapi полшриптийчного KpeMHiio) температура утворення TaS¡2 на 100 К нижча портняно з температурою утворення TaSi2 у систем! Ta-Sin-S¡M.

У систем! Ta-SiM тип легування пщкладинки (бором або фосфором) не впли-вае на послщовшсть i температуру фазових перетворень.

Для одержання сил!циду TaSi2 з найменшим питомим електроопором може бути рекомендовано використовуватн пщкладинки монокристатичного кремнио, леговаш фосфором, з opienTaniero площини поверхш (100) та вщпал у вакуум! протягом 1 години при температур! 1170±!0 К.

5. Установлено, що факторами, як1 визначають законом!рност! фазових перетворень при вщпал! до 1373 К i електроф^зичш властивост! систем Ta-SiM, Ta-Sin-S¡M, е метод одержання i умови терм!мноУ обробки.

Пл!вки, одержан! сшвосадженням танталу i кремнио. у вихщному сташ явля-ють собою днфракшйно-аморфну фазу; шавки тангалу, одержан! магнетрон-нпм розпнленням на п!дкладннки монокристал1чного кремнио, маюгь пол!кристал!чну сфуктуру з обЧ миоиентропанога грат кою KyGimioV ciiMCipií без озннк тексгурм.

Формування TaSij у плжках, одержаппх еппшеалженням i тдданил ¡мпульсному фоюнному вщпалу. пщбупапься при TCMiieparypi 1333117 К

протягом 6 с, а у пл!вках, одержаних магнетронним осадженням i пщцацих вщпалу у вакуум! - при 1373±10 К протягом 1 години-

Вщсутшсть силщщив, збагачених метал1чною компонентою, зумовлюе стабшынсть шйвкових елементш мкропрнладш, що створен! з використанням сил!цндного шару дослщжувано!' системи.

Для одержання сил!циду складу TaSi2 рекомендован! методи сп!восадження, а саме: рекомендуеться використання зб!рних кнщеней, як! являють собою комбшацпо пластин танталу i кремнно, площа котрих при осадженн! у npoqeci магнетронного розпилення забезпечувала б стех!ометричний склад (Ta:Si= 1:2), i ¡мпульсний фотонний вщпал у середовищ! високочистого аргону при температур! 1333±17 К протягом 6 с.

6. Показано, що основним фактором, який визначае законом!рпст! процеав фазових перетворень i електроф!зичн! власгивост! системи «тонка пл!вка сплаву титан-вольфрам - монокристащчний кремн!й» е умови терм!чно1 обробки.

У процес! вакуумного вщпалу силщидоутворення починаеться при температурах 1273±10 К (час вщпалу 1 година); при цьому формуються сшициди TiSi ! (Ti3W2)Si|0; у npoueci ¡мпульсного фотонного вщпалу при 973±17 К (час вщпалу 30 с) формуеться юнцевий продукт реакци взаемодн металу i кремшю - днс1ш!цид TiSi2.

Показана можливють одержання тонкогипвково'! системи з фазовим складом, який в!дповщае складу дисилщиду металу, що забезпечуе оптимальний комплекс технолог^чних властивостей.

7. Вивчено перерозподш дом!шбк (насамперед кисню та водню) у приповер-хневих щарах (-100 нм) та по товщищ imiaoK тугоплавких метал!в на кремни у npoueci TepMiHHoV обробки.

Формуваипя кристал!чно!' структури сил!цидних фаз супроводжуеться дифуз!ею дом!шкових атом!в до меж подщу «пл!вка-пщкладинка» i «пл!вка-середовище вщпалу», завдяки чому формуються кисне- та вуглецевм!стк! дифуз1Йн1 бар'ери складного складу, як! забезпечують пщвищену терм1чну стабшьн!сть структури i властивостей.

8. Досл!дженнями системи «тонка пл!вка алюмшио - тонка шпвка сплаву титан-вольфрам - монокристал!чний кремн!й» установлено, що шпвка сплаву Ti-W товщиною 150 нм с ефективним бар'ером, який попереджае взаемну дифузио Al i S! у систем! А1 - Ti-W - SiM при вщпал! у вакуум! в штервал! температур 573-773 К. Твердий розчин алюмшио в кремни у дослщжуваному штервал! температур не утворюеться, що забезпечуе пщвищення над!йност! робочих ашвкових елеме1шв, як! створен! з використанням дано!' системи, у процес! експлуатацп (зменшуеться процент вщмов, зумовлених явищем «пробою»).

9. Одержан! нов! пауков! результати, установлен! законом!рност! i ризначен! у робот! опгимальн! технолог!чн! умови одержання силщидш ряду тугоплавких

меташв застосоваш у розробках. нових режпм'т формуваиня структурно-фазо-вих сташв, яю забезпечуюють одержання шпвкових елемештв мшроприладш з потр^бними властивостями, 'ix пщвищену стабшьщсть i над1Йн!сть у npoueci експлуатацн. Результати роботи впроваджеш' на AT «Родон» м.Гвано-Франшвськ.

ОСНОШП РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦЕЙНО? РОБОТИ ВИКЛАДЕН1 У НАСГУПНИХ ДРУКОЙАНИХ ВИДАЙНЯХ:

1. Макогон Ю.Н., Максимович Л.П., Сидоренко С.И. Закономерности процессов фазообразования и электрофизические свойства тонкопленочной системы «тантал-кремний»//Металлофизика и новейшие технологии. - 1995. — т.17, '- №9, - С. 1-4.

2. Бойко С.Н., Макогон Ю.Н., Максимович Л.П., Остапчук А.И. Формирование структуры и свойств пленок дисилицида тантала, применяемых для металлизации интегральных схем//Сб. Материалы У-й Украинской конференции «Физика и технология тонких пленок сложных полупроводников». - Ужгород, 24-26 июня 1992.-С.186-188.

3. Бойко С.Н., Васильковский А.Ю., Макогон Ю.Н., Максимович Л.П., Остапчук А.И., Сидоренко С.И. Фазообразование в системе тантал-кремний// Сб. Материалы IV Международной конференции по физике и технологии тонких пленок. - Ивано-Франковск, 4-7 мая 1993. - С.339.

4. Yu.N.Makogon, L.P.Maximovich Structural and phase composition changes unger theTi-W barrier layers formation// 1994 FALL MEETING MRS, Simposium Bl. - Boston, November 28-December 2 1994. - P. 1.47 .

5. Макогон Ю.Н., Максимович Л.П., Сидоренко С.И. Закономерности фазообразования и электрофизические свойства тонкоплеиочной системы «тантал-кремний»//Сб. Матсрюли VI Межнародного Симпоз1ума «Тонкие пленки в электронике». - Херсон 23-29 вересня. - С. 137-140.

6. Makogon Y.N., Maximovich L.P., Sidorenko S.I. Influence of О, С impurity atoms of the phase composition and properties of transition metals silicides//1995 FALL MEETING MRS, Simposium H. - Boston, November 27-December 1 1995.

- P. 254.

7. Котенко И.E., Макогон Ю.Н., Максимович Л.П. Формирование структуры и свойств в тонкопленочной системе Ti-W на кремнии// Тезисы докладов конференции «Новые перспективные материалы и технологии в металлургии».

- Киев, 13-14 октября 1994. - С. 12-13.

Максимович Людмила Петровна. Фазовый состав, структура и свойства моно- и биметаллических тонкопленочных слоев тугоплавких металлов на кремнии.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов», Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 1996.

Установлены закономерности формирования фазового состава и структуры моно- и биметаллических тонкопленочных слоев тугоплавких металлов на кремнии, определены факторы, влияющие на развитие процессов фазообразо-вания в исследованных системах, что позволяет определить пути направленного формирования фазового состава и структуры с целью получения пленочных элементов микроприборов с необходимыми физическими свойствами и повышенной температурно-временной стабильностью эксплуатационных характеристик.

Результаты работы внедрены на AT «Родон» г.Ивано-Франковск.

Maxymovich Lyudmila. Phase composition, structure and properties of refractory metals mono- and bimetal thin film layers on silicon substrate.

The dissetation submitted for degree of Doctor of Philosophy in the speciality 05.16.01 - Metal Science and Heat Treatment of Metals, National Technical University of Ukraine«Kiev Polytecnhnical Institute», Kiev, 1996.

There were revealed the regularities in the phase composition and structure development and formation in the refractory metals mono- and bimetal thin film layers on the silicon substrates. There were determined a number of factors which have the influence on chemical reaction development in systems under investigation. It made up possible do mark out the ways for in-line formation phase compound and structure to design thin film elements of microdevices with the advanced time-temperature stability of the duty perfomences.

The results of the project were introduced at the Stock Association «Rodon», Ivano-Frankovsk.

Кдючов! слова: TOHKi гшвки, силщиди, структура, фазовий склад.

Подп. к печ.-H.or.ie. Формат 60X847,«.

Бумага тип. у . Способ печати офсетный. Условн. печ. л. О ^ Условн. кр.-отт. ^ ¿у . Уч.-изд. л у 0 . Тираж №о . Зак. .

Фирма «ВИПОЛ» 252151, г. Киев, ул. Волынская, 60.