автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Формирование и исследование свойств тонких пленок вольфрама, полученных при импульсной конденсации электроэрозионной плазмы

МОСКОВСКИМ- ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ).

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. № ЯГ

МИХАИЛОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК ВОЛЬФРАМА, 'ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ КОНДЕНСАЦИИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ПЛАЗМЫ.

Специальность 05.27.06 Технология полупроводников и материалов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1997

/-1 о

А

и Бход. 4-22/4/ЮСУ) 2. Исход.

_тМт.

МИЭ7 |

Работа выполнена на кафедре "Специальные материалы микроэлектроники" Московского института электронной техники (технического университета).

Научный руководитель:

Профессор, доктор технических наук Неустроев С.А.

Официальные оппонентах:

1.Заслуженный деятель науки РФ,

профессор, доктор технических наук Сорокин И.Н. 2.Доктор технических наук Валеев A.C.

Ведущая организация: НПО >лЭлка".

Автореферат разослан _(РЪ_1997 г.

Запцхта состоится _1997 г.

на заседании диссертационного совета Д.053.02.03 при Московском институте электронной техники по адр е су:

103498, Москва, Зеленоград, МИЭТ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ (ТУ)

Ученый секретарь диссертационного совета

Д.053.02.03

профессор, доктор технических наук

Раекин A.A.

3

д

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Одним из основополагающих факторов современного развития микроэлектроники является повышение степени интеграции электронных схем. Увеличение числа элементов на кристалле при сохранении их размеров ограничивается -технологическими и эксплуатационными условиями создания и применения изделий электронной техники. Дальнейшее увеличение интеграции связано с уменьшением размеров элементов интегральных схем (ИС). С одной стороны, это предполагает использование технологического

оборудования, способного формировать и обрабатывать топологический рисунок нанометрового разрешения. С другой стороны, возникает потребность в материалах, которые, обладая необходимыми свойствами в макрообъеме, сохранят эти свойства в микрообъеме элементов ИС и не изменят их при дальнейшей эксплуатации в экстремальных условиях. Взаимодействия на границе раздела фаз являются одним из основных механизмов функционирования полупроводниковых приборов, а устойчивость и воспроизводимость характеристик границы, в конечном итоге, определяет качество, стоимость и надежность изделий микроэлектроники.

Тугоплавкие металлы, имея высокую температуру плавления и достаточно низкое удельное сопротивление, более стабильны с точки зрения диффузионных процессов, протекающих на границе раздела при повышенной температуре. Это позволяет использовать тугоплавкие

металлы непосредственно в качестве металлизации, а также как тонкий диффузионный подслой в традиционных системах металлизации из алюминия, меди и т.п. С этой точки зрения представляет интерес формирование тонких (менее 100 нм) пленок металлов с заданными свойствами. Одним из перспективных факторов/ влияющих на успешный переход к нанометровой электронике, является использование аморфных пленок металлов и их соединений в металлизации ИС. Особый интерес в этой связи вызывают тугоплавкие металлы и их соединения, способные выполнять роль эффективных диффузионных барьеров, препятствующих реакциям на границах раздела активных и пассивных элементов ИС, а также новые технологические приемы формирования пленок тугоплавких металлов и их соединений.

Традиционные методы осаждения тонких пленок позволяют воспроизводить необходимое удельное сопротивление в пленках толщиной от 50 нм в следствие формирования поликристаллической структуры на подогреваемых подложках. Осаждение тонких пленок при конденсации электроэрозионной дуговой плазмы позволяет воспроизводимо формировать пленки толщиной от 1 нм с хорошей адгезией без нагрева подложек, при этом, барьерные свойства тугоплавких металлов сохраняются. В этой связи возникает необходимость исследования свойств тонких (от 1 нм) пленок вольфрама и одного из его соединений - карбида вольфрама, применительно к металлизации ИС.

Целью настоящей рабочш является: — изучение морфологии поверхности, структуры и

электрофизических свойств пленок вольфрама толщиной от 1 нм;

— изучение морфологии поверхности, структуры и электрофизических свойств тонких пленок карбида вольфрама;

— доработка оборудования по импульсному осаждению дуговой электроэрозионной плазмы применительно к современным требованиям технологических процессов микроэлектроники.

Научная новизна, работы:

1. Предложены способы повышения надежности работы генераторов эрозионной плазмы.

2. Рассчитан и реализован способ полного удаления макрочастиц материала катода из осаждаемого потока плазмы.

3. Определены температурные интервалы изменения структуры аморфных пленок вольфрама при термообработке.

4. Исследована зависимость удельного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления пленок вольфрама от толщины при термообработке до 1273 К.

5. Изучены твердофазные реакции в тонкопленочной системе вольфрам-углерод и измерены электрофизические характеристики пленок карбида вольфрама.

Практическая значимость работы.

1. Использование метода импульсного плазменного осаждения на отдельных этапах создания современных ИС позволяет на новом качественном уровне решать вопросы контролируемого осаждения тонких пленок

д

б

металлов и их соединений в соответствии с требованиями нанометровых технологий.

2. Использование тонких пленок вольфрама и карбида вольфрама как диффузионного барьера позволяет стабилизировать границу раздела металл-полупроводник, металл-диэлектрик, повышает воспроизводимость характеристик элементов ИС, снижает разброс параметров, увеличивает надежность и время наработки на отказ изделий микроэлектроники.

3. Низкое удельное сопротивление при малой толщине пленок, термостабильность, высокая адгезия и другие свойства вольфрама и карбида вольфрама могут быть с успехом использованы при создании элементов ИС нанометрового разрешения.

На методику осаждения пленок при конденсации дуговой электроэрозионной плазмы выдано 4 авторских свидетельства СССР, в том числе один патент СССР. Результаты'работы использованы при выполнении 8 научно-исследовательских работ в период 1987-1997 гг.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Исследование морфологии поверхности, структуры и электрофизических свойств пленок вольфрама толщиной 1...100 нм, полученных при конденсации электроэрозионной плазмы.

2. Исследование твердофазных реакций в тонкопленочной системе вольфрам-углерод, морфологии поверхности, структуры и электрофизических свойств тонких пленок состава вольфрам-углерод.

3. Конструктивно-технологические решения повышения

качества осаждаемых пленок на этапах генерации и транспортировки дуговой электроэрозионной плазмы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на научно-технических конференциях: Межвузовская научно-техническая конференция

"Микроэлектроника и информатика -95", МИЭТ, апрель

1995 г., Межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика -96", МИЭТ, апрель

1996 г., Межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика -97", МИЭТ, март

1997 г. Экспериментальные результаты работы использовались при оформлении отчетов по научно-исследовательским работам, выполненным в МИЭТ на кафедре "Специальные материалы микроэлектроники" в период 1987-1997 гг.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 научных работ в том числе 4 авторских свидетельства СССР.

Структура, и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, включая 76 рисунков, 18 таблиц и библиографию из 74 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

Во яяпдеяии обосновывается актуальность

исследований свойств тонких пленок вольфрама для дальнейшего использования в технологических процессах

металлизации ИС, формулируется цель диссертационной работы, дается краткая аннотация по главам, излагаются защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены основные современные методы осаждения пленок тугоплавких металлов и их свойства. Для получения пленок с хорошей адгезией и требуемой величиной удельного сопротивления материал наносится на подогреваемые подложки, при этом, пленка приобретает поликристаллическую структуру со свойствами, определяемыми методом и условиями осаждения. В следствие этого, удельное сопротивление таких пленок с толщиной менее 100 нм имеет сильную зависимость от толщины пленки. Наиболее характерные зависимости удельного сопротивления от толщины для магнетронного распыления при различных режимах представлены на рис.1 и рис.2.

Начале формирования поликристаллических пленок происходит через образование зародышевых островков с последующим их срастанием, при этом, интегральная толщина пленки определяется высотой островков, а проводящие свойства пленки зависят от толщины межостровковой пленки и соотношения их площадей. Параметры процесса осаждения определяют количество зародышевых островков и направление их разрастания, что обуславливает зависимость удельного сопротивления пленки от толщины и режимов осаждения, а наличие пленки между островками будет определять температурную зависимость удельного сопротивления. Диффузионные свойства таких пленок, используемых в качестве подслоя,

я •а

О)

2

2

0)

S 5

я 1,

ш ч S

я S в S о 1

0 а 5

СЬ 2 о,

К

о

0 0

О 100 200 ЗО'О 400 500

Толщина пленки, нм.

Рис.1. Удельное сопротивление пленок вольфрама, полученных

магнетронным осаждением. Давление аргона 0,5 Па. Д-статический режим; динамический

режим: плотность мощности х-1,7 Вт-см"2; о-2,8 Вт-см~2; ---

объемное сопротивление вольфрама.

о s

ш ж о ш х с?

2

i

k 1

0,5 0

х—х

100 200 300 400 Толщина пленки, нм.

500

Рис.2. Удельное сопротивление пленок вольфрама, полученных магнетронным осаждением. Давление аргона 0,5 Па; плотность мощности 1,7 Вт-см"2.

Напряжение смещения: х-0 В, о -50 В, + -150 В;---объемное

сопротивление вольфрама.

0

будут зависеть от областей с минимальной толщиной и максимальной дефектностью. В этой с^язи представляет интерес возможность формирования тонких пленок тугоплавких металлов, покрывающих поверхность при толщине от нескольких атомных слоев, что может быть

обеспечено при импульсной конденсации электроэрозионной плазмы. Однако, использование плазмотронов такого типа в металлизации изделий микроэлектроники встречает ряд трудностей, связанных с загрязнением испаряемого металла примесями конструкционных материалов и наличием в плазме и конденсате макрочастиц, представляющих из себя капельную фазу испаряемого материала катода. Далее в первой главе рассматривается современное состояние разработок в области нанесения покрытий при

конденсации электроэрозионной плазмы.

Во второй главе представлены некоторые

конструктивно-технологические решения, связанные с основными этапами осаждения пленок при конденсации электроэрозионной плазмы: процессы генерации, транспортировки и конденсации плазмы.

Так как процессы на катоде являются первичными по отношению к процессам на аноде вакуумной дуги, то в качестве "плазмообразующего (распыляемого) электрода выбран катод. Для подавления образования анодных пятен, являющихся источником загрязняющих примесей от конструкционных материалов анода, предлагается принудительное разделение в магнитном поле электронов токопереноса дуги и электронов, образованных при ионизации материала катода, за счет расположения дополнительного соленоида на анодном узле генератора плазмы, количество витков которого рассчитывается из геометрических размеров анода, коаксиально

расположенного с ним катода и измеренной концентрации электронов на выходе генератора плазмы (A.C. СССР №1544163).

Для осаждения пленок, используемых в

полупроводниковой технологии, наиболее приемлемым решением возбуждения основного разряда в генераторе плазмы является инжекция плазмы осаждаемого материала в разрядный промежуток за счет воздействия лазерного излучения на катод. При этом устойчивость, надежность и стабильность работы генератора _ будет определяться используемым в технологическом процессе источником лазерного излучения, а отсутствие механических элементов инициации вакуумной сильноточной дуги обеспечивает необходимую чистоту пленок в соответствии с требованиями к технологическим процессам микроэлектроники.

При транспортировке плазмы через плазмооптическую систему, представляющую собой четвертьторовую

конструкцию из немагнитного материала (12Х18Н10Т) с внешним соленоидом, включенным последовательно в цепь разряда, представляется возможным удалить из потока плазмы макрочастицы плазмообразующего вещества катода за счет малого отношения заряда частиц к массе, а, обеспечив на корпусе системы положительный потенциал (20...50 В) , удается увеличить выход плазмы и удалить из нее высокоэнергитичные ионы, способные внести в подложку и пленку радиационные повреждения. Для более эффективной сепарации капельной составляющей

плазменного потока и упрощения технического обслуживания установки предлагается оснастить плазмовод съемными сепараторами, имеющими на внутренней поверхности резьбовой профиль переменного шага с более крупным шагом у ближнего к генератору плазмы сепаратора

(A.C. СССР №1692166) .

Наибольшую эффективность удаления макрочастиц из потока плазмы и увеличение производительности при осаждении пленок металлов дает испарение макрочастиц, возникающих при горении сильноточной дуги, в переменном высокочастотном электромагнитном поле. Теоретический расчет времени испарения частицы, на траектории которой создано переменное электромагнитное поле, дает следующее соотношение:

т =

6Ь2

271 , r+br + b2 6 ^ 2r + b --In-г—+ г— arctg-

л/з" (b-r)2 V3 -n/зЪ

8урЬ 8ршТ

где а = —---г, Ь =—-

я(цц0аН0е>0) л(^0аН0о0)

х-время испарения макрочастицы; г-радиус макрочастицы;

Н0,оо0-амплитуда и частота электромагнитного поля; ц, Цо-магнитная проницаемость среды и вакуума; а-коэффициент поглощения излучения; е - степень черноты поверхности; а - постоянная Стефана-Больцмана;

р,у,Ь,Т-удельное сопротивление, плотность, теплота и температура испарения материала макрочастицы.

При использовании промышленного генератора ВЧД-2,5/13-СД-ЛО1У4 в индуктивном режиме на частоте 13,56 МГц время испарения капли вольфрама с радиусом 10 мкм составило 0,78 мс, при этом, время пролета наиболее мелкой фракции макрочастиц с радиусом 1 мкм и скоростью 100 м/с через индуктор составляет 0,8 мс, что с запасом приводит к полному удалению капельной фазы из

а

плазменного потока (A.C. СССР №1632340).

Для анализа возникновения механических напряжений в наносимых пленках вольфрама оценивалась величина нагрева поверхности конденсации. Решение уравнения теплопроводности при соответствующих граничных условиях показало, что при оптимальных режимах работы генератора плазмы с частотой 3 Гц перегрев .поверхности за один импульс составляет величину порядка 10~3 К, что подтверждает предположение., о незначительности нагрева подложек при конденсации ...вольфрама и, как следствие, отсутствию термических напряжений в растущей пленке.

Импульсный характер осаждения позволяет прецизионно контролировать толщину осаждаемых пленок. Для определения толщины плен^ОД осажденной за один импульс, использовались данные ••эллипсометрии - (для пленок 5...20 нм) , микрофотографии растровой электронной микроскопии (для пленок 5Q--.100 нм) и интерференционного микроскопа МИИ-4 (для плёнок ~300 нм)- при осаждении на подложку известного количества импульсов.■ С точностью до погрешностей • измерения методов, все способы определения толщины показали, что при оптимальных режимах работы генератора плазмы за один импульс осаждается пленка вольфрама толщиной 0,01 нм. Толщина пленки, осажденная за один импульс, для разных материалов будет различна определяется удельным

сопротивлений, температурой кипения, теплотой сублимации и т.д*. Так, ййя- углерода, за один- импульс' осаждается пленка толщиной 0,02 нм.

В третьей главе представлены результаты- и их

обсуждение по исследованию свойств тонких пленок вольфрама, полученных при импульсной конденсации электроэрозионной плазмы. Свойства пленок вольфрама исследовались на различных подложках и практически не зависели от материала подложки при условии отсутствия химического взаимодействия с последней при термообработке. Для более полного изучения структурных и электрофизических свойств пленок были выбраны подложки КЭФ-4,5 (100), покрытые слоем 31зЫ4 (0,17 мкм) .

Исследование поверхности осажденных пленок показало, что пленка гладкая, не имеет трещин, не отслаивается, а морфология пленок с толщиной 1 нм и 100 нм практически не имеет отличий. Результаты изучения поверхности пленок вольфрама методами сканирующей туннельной (БТМ) и атомно-силовой (АМ) микроскопии подтвердили отсутствие упорядоченной структуры пленок, ранее определенное при

рентгеноструктурных исследованиях на установке АРС-4 на отражение (Си к^, ф=30°) . Таким образом, структура пленок является рентгеновски аморфной. Наиболее характерные результаты по осажденным пленкам вольфрама представлены на рис.3 и рис.4.

При термообработке пленок вольфрама в вакууме или атмосфере аргона аморфная структура пленок переходит в поликристаллическую. Данные рентгеновской дифракции показывают, что начало образования поликристаллической фазы происходит при отжиге в течение 30 мин при температуре 673 К. При повышении температуры отжига на рентгенограммах максимумы интенсивности сужаются и

появляются дальние линии, что свидетельствует об увеличении размеров кристаллитов в пленке и появлению пр'мшуиостсе н ной ориентации (110) нормальной к поверхности, что в последствии было подтверждено данными РЭМ. Для пленок толщиной до 100 нм увеличение времени отжига не приводило к существенному увеличению раэмероь зерен в пленке; максимальный размер зерна до ;30 нм наблюдался в пленках с толщиной 100 нм обработанных при температуре 1273 К в течение 30 мин. Термообработка пленок вольфрама в вакууме (10~4 Па) и атмосфепе аргона не вызывала растрескивания и отслаивания пленок. Наиболее характерные результаты иоил«д<'Ьс1Ния поверхности пленок вольфрама методом РЭМ !И'ИЬсЛ'.ии Н«1 РИС . 5 .

Ы .ЧМЦИШ'Л!;.:!^!«!!1!^

5ТМ-изображение пленки №

а.

АРМ-изображспис пленки V/ б.

Рис.4. Результаты исследования поверхности пленок вольфрама методами: сканирущей тунельной (БТМ) (а.) и атомно-силовой (АРМ) (б.) микроскопии. Толщина пленки Ъ нм.

872104 25КУ Х30.0К 1.00ит

а.

ВЙЕ^--

: .^¿ЯЗ*?- Г'^--^"" '

071802 е5кV хзе.ек ьевив

871784 ггку ХЗ^&к'К&биа

д.

Рис.5. Микрофотографии РЭМ пленок вольфрама на Б^з^/Б! голщиной 100 нм. Температура отжига: а,6-673 К, в,г-1073 К, д,е-1273 К. Вид: а,п,д-45° к поверхности, б,г,е-торец образца. Время отжига в аргоне 30 мин.

Измерение удельного сопротивления (р) пленок вольфрама толщиной 1...100 нм, подвергнутых отжигу при температуре до 1273 К, проводилось по принятой четырехзондовой методике. Толщина пленок определялась осаждением вольфрама при заданном количестве импульсов работы генератора плазмы. Отжиг осуществлялся в вакууме (10""4 Па) и в атмосфере аргона марки ОСЧ со скоростью нагрева/охлаждения 15 К/мин при выдержке на заданной температуре в течение 30 мин.

Для нетерыообработанных пленок вольфрама удельное сопротивление составило 134 ыкОм-см и не зависело от толщины пленки, что вполне объяснимо отсутствием влияния границ раздела пленки на рассеяние носителей заряда, так как проводящие свойства практически полностью определяются неупорядоченной структурой пленки.

При отжиге начало изменения удельного сопротивления совпадает с началом структурных изменений в пленке: при температуре отжига 673 К р уменьшается вдвое для пленок с толщиной более 30 нм и спадает до величины 17 мкОм-см при температуре отжига 1273 К (рис.6), причем, с точностью до погрешности измерения, р не зависит от толщины пленки. Для пленок толщиной 1...20 нм начало изменения р происходит при температуре выше 673 К, а величина р возрастает тем больше, чем тоньше пленка (рис.7). При повышении температуры отжига до 1073 К р снижается и принимает значение 20 мкОм-см при толщине пленки 10 нм, 22 мкОм-см при толщине 5 нм и 60 мкОм-см при толщине менее 2 нм. Дальнейшее увеличение

3 и

3

О

м 3

V О)

« ч

>1 ш

В О

съ с о о

140 120 100 -I 80 60 40 20 0

273

473

—о—100 нм -х-50 нм ■о- 30 нм

673

873

1073

—Я

1273

Температура отжига, К

Рис.6. Зависимость удельного'сопротивления пленок вольфрама от температуры отжига в атмосфере аргона. Время отжига 30 мин. Толщина пленок: 0-100 нм, х-50 нм, о-ЗО нм.

273 473 673 873 1073

Температура отжига, К

1273

Рис.7. Зависимость удельного сопротивления пленок вольфрама

от температуры отжига в атмосфере аргона. Время отжига 30 мин. Толщина пленок: 0-10 нм, о-5 нм, + -2,5 нм,х-1 нм. '

температуры отжига в атмосфере аргона приводит к резкому возрастанию р вследствие перехода пленки к островковой структуре, что подтверждается

микрофотографиями РЭМ (рис.8). Такая особенность поведения сверхтонких пленок может быть объяснена влиянием сил поверхностного натяжения, более выраженном при термообработке в аргоне,, в то время, как, при отжиге в вакууме возрастание р для более тонких пленок происходит менее резко и при температуре 1073 К. В остальном, численные величины для р при отжиге в вакууме и аргоне совпадают с точностью до погрешности измерения. Эффект возрастания р для пленок вольфрама с толщиной менее 10 нм может быть обусловлен образованием фазы р-вольфрама, имеющей, по литературным данным, более высокое удельное сопротивление, что в настоящей работе не представилось возможным подтвердить

а. б.

Рис.8. Микрофотографии РЭМ пленок вольфрама на Толщина 10 нм. Время отжига в атмосфере аргона 30 мин. Температура отжига: а.-773 К, 6.-1273 К.

экспериментально.

Зависимости удельного сопротивления от толщины пленки вольфрама для различных температур отжига представлены на рис.9. Просматривается общая тенденция к снижению р при повышении температуры отжига, причем, до температуры 1073 К у более тонких пленок р несколько меньше, вероятно, из-за более "быстрых структурных изменений. При температуре отжига свыше 1073 К р практически постоянно для пленок толщиной более 10 нм.

Температурный коэффициент сопротивления

исследовался в интервале 293...393 К. Результаты представлены на рис.10.

Адгезия пленок вольфрама определялась измерением

■ь Ф

1=1 я

<1! ф

ч ш

Е" О

а.

с о и

70 60 50 40 30 -I 20

10

0 20 40 60 80

Толщина пленки, нм

— о773 -□973 -•х 1073 —о 117 3 —+127 3

100

Рис.9. Зависимость удельного сопротивления пленок вольфрама от толщины при различной температуре отжига. Время отжига в аргоне 30 мин. Температура отжига: 0-773 К, 0-973 К, ж-1073 К, о-1173 К, +-1273 К.

ТКС, 1(Г3 к"1

Температура отжига, К

Рис.10. Температурный коэффициент ¿опротивления (ТКС) пленок вольфрама толщиной 100,'50, 30 нм при различной температуре отжига.' Время отжига в аргоне 30 мин.

усилия отрыва контактной площадки известного размера от подложки. Удалось определить только нижнюю границу адгезии, так как отрыв происходил по месту крепления проволоки к пленке: она составила величину не менее 530 г'мм-2 и не зависела от материала подложки, толщины пленки и температуры отжига.

В четвертой главе рассматривается формирование и исследование свойств тонкопленочной системы

вольфрам-углерод. На подложку ■ кремния, покрытую слоем 31зЫ4, последовательно наносились слои углерода и вольфрама с определенным соотношением толщин, задаваемым количеством импульсов осаждения. Суммарная толщина пленок составила от 5 нм до 60 нм. Далее структуры отжигались в вакууме (8-10-4 Па) в течение 30 мин при температурах 673, 773, 873, 973, 1073, 1173 К при скорости нагрева/охлаждения 10 К/мин.

Рентгеноструктурный анализ полученных образцов (для

60 нм) на отражение проводился на установке АРС-4 (Си кар, ф=30°) . Обобщенные результаты по структуре пленок представлены в таблице 1.

По данным результатам можно видеть, что, как и в случае чистых пленок вольфрама, наблюдаемый структурный переход Ил7а начинается в температурном интервале

673...773 К. По-видимому, начало твердофазной реакции между вольфрамом и углеродом происходит при начале фазового перехода в пленке вольфрама. Такая невысокая температура образования М2С может быть обусловлена выделением дополнительного тепла при протекании реакции полиморфного превращения

Иахофн-ХХ-И.

При температуре 973 К в пленке остаются следы фазы а свойства пленки практически полностью определяются поликристаллической фазой Я2С. Начало образования фазы ИС происходит при температуре 1073 К, при этом весь свободный вольфрам уже связан в Ю2С. При температуре отжига 1173 К пленка почти полностью состоит из поликристаллического ЯС. Таким образом, образование ИС в пленках происходит через формирование

Таблица 1. Фазовый состав пленок Ю-С.

Температура отжига, К Состав кристаллической фазы

673 Пленка рентгеновски аморфна

773 И + следы И2С

873 И + следы Ю2С

97 3 следы Я + ЩС

1073 ЩС + следы ЮС

1173 следы И2С + ЮС

ЮгС по реакции:

И +с 673"773к > И С + С_-73к >учС

Исследование морфологии поверхности пленок И-С методами растровой электронной, туннельной сканирующей (БТМ) и атомно-силовой !АГМ) микроскопии показали, что отслаивания и растрескивания пленок не наблюдается, в термообработанных пленках (60 нм) при 117 3 К видны вертикальные блоки размером 40...60 нм. Основные результаты представлены на рис.11 и рис.12.

Оже электронная спектроскопия показала, что до обработки в пленке на пределе чувствительности метода (0,1%) присутствует кислород, содержание которого после термообработки не увеличивается, а углерод и вольфрам после термообработки распределяются по толщине пленки равномерно (рис.13). Диффузии компонентов пленки в подложку не наблюдается.

Удельное сопротивление (р) и температурный коэффициент сопротивления (рт) определялись по вышеописанной методике и составили для пленок толщиной 5...60 нм: для И2С р=24±2 мкОм-см, рт=8,3-10"1 К"1, для ЮС р=115±20 мкОм-см, рт=7,5-10~4 К"1. Указанные отклонения для р соотносятся с толщиной пленки; погрешности измерений Др=5%, Арт=10%. Небольшое отличие значений ат для И2С и ЮС определяется, вероятно, более существенным влиянием на аг структуры пленок, кроме того, не выяснен состав на границе раздела зерен пленки: избыточная концентрация углерода может влиять на температурную зависимость удельного сопротивления таких пленок.

Рис.11. Вид поверхности пленок Я2С на: сканирущем тунельном !БТМ) (а.) и атоыно-силовом (АРМ) (б.) микроскопах. Толщина пленки Ь нм.

Б . Г .

Рис.12. Микрофотографии РЭМ пленок К-С на толщиной

60 нм. Температура отжига: а,6-973 К, п,г-1173 К. Вид: а,и-45° к попорхности, 6,г-т"роц образца. Время отжига и

вакууме- Зп мин.

В пятой главе рассматриваются отдельные аспекты использования тонких пленок вольфрама при изготовлении элементов интегральных схем.

Эффективность тонких пленок вольфрама, используемых и качестве диффузионного барьера, определялась по данным Оже электронной спектроскопии. На предварительно обработанную подложку кремния КДБ-1 (111) наносилась

ф АН ГЩГЖ ШУИ/»!

1.Ш. -¡.Шил

Рис.13. Профиль распределения вольфрама и углерода в пленке И2С. Толщина пленки 60 нм, отжиг при температуре 973 К в вакууме в течение 30 мин.

пленка вольфрама толщиной 10 нм. Далее осаждалась пленка алюминия и структура отжигалась в атмосфере аргона при температуре 623 К (350 °С) в течение 3 часов. Как видно из рис.14 диффузии алюминия в подложку не происходит.

Исследование контактных свойств нетермообработанных пленок вольфрама проводилось на тестовых структурах п-31. На пластине кремния марки КЭФ-4,5 (100) формировалась п+-область омического контакта, легированного фосфором, с концентрацией носителей Ю20 см"3. Для создания выпрямляющего контакта с расширенной металлизацией осаждалась пленка вольфрама,

■ ■ ш». ,г!|Д.

I. 1. шил .

Рис.14. Данные Ожэ-спектроскопии по распределению элементов в структуре А1/И/Б1 после отжига в атмосфере аргона при температуре 623 К в течение 3 часов.

с последующим проведением операций фотолитографии .• и травления. Линейный размер квадратного окна выпрямляющего контакта на тестовой структуре составил 4, 10, 15 и 20 мкм. Прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики представлены на рис.15. Высота барьера рассчитывалась из известного соотношения для тока через выпрямляющий переход:

Исходя из расчета по данным ВАХ, высота барьера составила 0,5810,02 эВ при коэффициенте идеальности

Ток, мкА

60

40

20

1

/

У

0,1 0,2 0,3 Напряжение, В а.

Ток, мкА

-¡О

20

40

60

60 40 20 0 Напряжение, В б.

Рис.15. Прямая (а.) и обратная (б.) ветви вольтамперной характеристики структуры^/п-Эл..

1,1, что несколько ниже, чем для поликристаллических пленок, осажденных магнетронным способом. Вероятно, это связано с более низкой работой выхода для электронов в аморфной пленке вольфрама. Несмотря на это, отсутствует влияние ЗЮ2, присутствующего на поверхности подложки кремния перед осаждением вольфрама. Характеристики нетермообработанного контакта

практически не отличаются от характеристик контактов, полученных осаждением пленки вольфрама магнетронным методом с прогревом подложки до 573 К.

выводы

1. При выполнении работы отработаны режимы осаждения пленок вольфрама при импульсной конденсации дуговой электроэрозионной плазмы. Выявлена зависимость толщины пленок от режимов работы генератора плазмы. Изучена возможность формирования тонких пленок состава W2C и WC.

2. Исследована структура пленок вольфрама в зависимости от температуры отжига, при этом, пленка остается рентгеновски аморфной при температуре отжига до 67 3 К в течение 30 мин. При повышении температуры пленка приобретает блочную структуру с преимущественной текстурой (110), а максимальный размер блоков в пленке толщиной 100 нм при температуре отжига 127 3 К составляет 80 нм.

3. Исследование поверхности на растровом электронном микроскопе показало отсутствие отслаивания или растрескивания пленок при термообработке до 1273 К, а данные, полученные на атомно-силовом и сканирующем туннельном микроскопах, позволяют определить, что сплошность пленок вольфрама достигается на толщине не более трех монослоев.

4. Исследована зависимость удельного сопротивления пленок вольфрама различной толщины от температуры и времени отжига в вакууме и атмосфере аргона, при этом, определено, что удельное сопротивление нетермообработанных пленок не зависит от толщины и составляет величину 134 мкОм-см, а минимальное

удельное сопротивление для пленок толщиной 30...100 нм достигается при отжиге 1273 К в течение 30 мин и составляет 17 мкОм-см и также не зависит от толщины.

5. Измерен температурный коэффициент сопротивления пленок вольфрама, при этом, ТКС нетермообработанных пленок близок к нулю, а с увеличением температуры отжига ТКС возрастает и принимает значение 1,5-10"3 КГ1.

6. Адгезия пленок вольфрама превышает 530 г-мм"2 и в пределах этой величины не зависит от материала подложки и температуры отжига.

7. Исследованы твердофазные реакции в тонкопленочной системе вольфрам-углерод. По данным рентгено-структурного анализа определено, что начало взаимодействия компонентов пленки происходит при температуре 773 К, а при температуре отжига 973...1073 К в течение 30 мин пленка толщиной 60 нм практически полностью состоит из Я2С. Данные Оже-электронной спектроскопии показывают равномерное распределение вольфрама и углерода по толщине пленки. При повышении температуры отжига до 1173 К пленка состоит из поликристаллической фазы КС.

8. По данным растровой электронной, атомно-силовой и туннельной сканирующей микроскопии поверхность пленок Ю-С повторяет морфологию подложки, при термообработке не отслаивается, не растрескивается, сплошность пленок достигается при осаждении нескольких атомных слоев. Размер блоков пленок ИС при толщине пленки 60 нм и температуре отжига

1173 К составляет 40...60 нм.

9. Удельное сопротивление пленок И2С составляет 25 мкОм-см при толщине пленки 5...60 нм. Удельное сопротивление пленок «С составляет 115±20 мкОм'см при толщине пленки 5...60 нм. Температурный коэффициент сопротивления соответственно равен 8,3-Ю"'1 К"1 и 7,5-Ю"4 К"1 с погрешностью ±10%.

10. Стабильность тонких пленок вольфрама, используемых в качестве диффузионного барьера, подтверждается данными Оже-электронной спектроскопии: взаимной диффузии компонентов в системе при отжиге в течение 3 часов при температуре 623 К не наблюдается.

11. Высота барьера Шоттки в нетермообработанной структуре составляет 0,58+0,02 эВ, что несколько ниже по сравнению с поликристаллической пленкой вольфрама, осажденной магнетронным методом. Коэффициент идеальности барьера нетермообработанной структуры составляет 1,1.

12. Для системы Ю/ваЛв установлено, что высота барьера и коэффициент идеальности зависят от способа предварительной обработки поверхности ваЛв и режимов термообработки. При плазмохимической обработке поверхности пластин высота барьера Шоттки составила 0,87±0,02 эВ с коэффициентом идеальности 1,1.

13. Для улучшения свойств тонких пленок вольфрама и дальнейшего их использования в производстве ИС предложен способ стабилизации сильноточной дуги за

счет привязки электронов разряда к аноду с целью предотвращения образования анодных пятен, являющихся источником загрязнения осаждаемых пленок. Разработана конструкция плазмооптической системы со сменными сепараторами, имеющими профилированную внутреннюю поверхность с переменной высотой для повышения эффективности сепарации капельной фазы и увеличения срока эксплуатации плазмооптической системы. Рассчитан и реализован способ очистки потока эрозионной дуговой плазмы от макрочастиц за счет их испарения в переменном электромагнитном поле.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ПРЕДСТАВЛЕНО В СЛЕДУЮЩИХ НАУЧНЫХ ТРУДАХ:

1. Е.Б.Соколов, Т.О.Попова, В.М.Рощин, Г.А.Сазонова, Т.И.Гогричиани. Исследование и разработка конструктивно-технологических и схемотехнических методов создания СС ИС на полупроводниках А3В5. Отчет о НИР. Книга 5 (заключительный)/МИЭТ.-Г. Р.№ФЗ4615/8001698 . -М. -.МИЭТ.-1988.

2. С.А.Неустроев, Н.Н.Антипов, В.А.Куражов, В.М.Рощин, В.А.Потакова, С.В.Шалимов. Исследование и разработка импульсного генератора плазмы и технологических режимов нанесения слоев. Отчет о НИР (заключительный)/МИЭТ.-Г. Р. №01860125561.-М.:МИЭТ.-1987.

3. В.М.Рощин, Т.О.Попова, Т.И.Гогричиани. Технология

нанесения и исследование свойств вольфрамовых покрытий, полученных методом импульсного

плазменного осаждения. Отчет о НИР

(заключительный)/МИЭТ.-Г.Р.№8Ф93180.-М.:МИЭТ.-1990.

4. В.М.Рощин, Л.П.Батюня, В.А.Куражов. Разработка импульсно-плаэменного процесса нанесения пленок тугоплавких металлов и их соединений для применения в субмикронной технологии/Отчет о НИР (заключительный)/МИЭТ.-Г.Р.№01.86.0101881.-

И.:МИЭТ.-1987.

5. В.М.Рощин, С.В.Шалимов. Способ генерации плазмы в вакуумном дуговом разряде.-А. С.СССР №1544163.-Приоритет от 29.10.87.

6. В.М.Рощин, В.А.Куражов, О.В.Селифанов, В.П.Тарасик, Э.М.Зеленковский. Устройство для возбуждения разряда в импульсном генераторе электроэрозионной плазмы.-Патент СССР №1568874.-Приоритет 21.06.88.

7. В.М.Рощин, В.А.Куражов, О.В.Селифанов, Э.М.Зеленковский. Устройство для нанесения покрытий в вакууме.-А.С.СССР №1692166.-Приоритет 10.01.89.

8. В.М.Рощин, В.А.Куражов, С.В.Шалимов, О.В.Селифанов. Способ очистки потока плазмы от макрочастиц.-А.С. СССР №1632340.-Приоритет от 7.07.89.

9. В.М.Рощин, В.А.Куражов. Напряжения в пленках тугоплавких металлов, осажденных методом импульсно-дугового испарения в вакууме//Сб. научных трудов МИЭТ. Материалы и технологические процессы микроэлектроники. -1988.-М.:МИЭТ.-с226-230.

10. С.А.Неустроев, В.М.Рощин. Деградационные свойства барьера Шоттки в структурах вольфрам-СаАэ//

д

Технологические процессы и материалы компонентов электронных устройств/Пол ред. И.Н.Сорокина.-1996.-М.:МИЭТ.-С128-131.

11. В.М.Рощин. Исследование свойств вольфрамовой металлизации на подложках арсенида галлия// Технологические процессы и материалы компонентов электронных устройств/Под ред.. И.Н.Сорокина.-1996. -М. :МИЭТ.-с123-127.

12. В.М.Рощин. Электрофизические свойства сверхтонких пленок нитрида алюминия, осажденных из потока эрозионной плазмы в атмосфере азота//Сб. научных трудов МИЭТ. Технологические процессы микро-электропики . -1989 . -М. :МИЭТ.-С150-156.

13. В.М.Рощин, Т.О.Попова Т.И.Гогричиани. К оценке эффективности нагрева газа при реактивном импульсно-плазменном осаждении тонких пленок//СО. научных трудов МИЭТ. Технологические процессы микроэлектроники.-1990.-М.:МИЭТ.-с121.

14. В.М.Рощин. Электрофизические свойства сверхтонких пленок нитрида алюминия, осажденных из потока эрозионной плазмы в атмосфере азота//Межвуэовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика". Тезисы докладов.-1995.-М.:МИЭТ.-С134-135.

15. В.М.Рощин. Оценка эффективности нагрева рабочего газа при реактивном импульсно-плазменном осаждении тонких диэлектрических пленок//Межвуэовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика". Тезисы докладов.-1995.-М.:МИЭТ.-с136.

16. В.М.Рощин. Морфология и структура тонких пленок вольфрама//Межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика". Тезисы докладов.-1996.-М.:МИЭТ.-с91.

17. В.М.Рощин. Твердофазные реакции в тонкопленочной системе вольфрам-углерод//Межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика". Тезисы докладов. Часть 1.-1997.-М.:МИЭТ.-с8 9.

10. В.М.Рощин, А.В.Зубрилина. Электрофизические

свойства тонкопленочной системы вольфрам-углерод// Межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика". Тезисы докладов. Часть 1.-1997.-М.:МИЭТ.-с90.