автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Особенности распределения компонентов в наноразмерных структурах, выявленные методом вторично-ионной масс-спектрометрии

На правах рукописи

МОЛОКАНОВ ОЛЕГ АРТЕМОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ В НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ, ВЫЯВЛЕННЫЕ МЕТОДОМ ВТОРИЧНО-ИОННОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нальчик - 2004

Работа выполнена в Кабардино-Балкарском

государственном университете (КБГУ)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Кармоков Ахмед Мацевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Полистанский Юрий Григорьевич

Ведущая организация: Северо-Кавказский государственный технический университет

Защита диссертации состоится 18 декабря 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного Д 212.076.08 при Кабардино-Балкарском государственном университете по адресу: г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, КБГУ, зал заседаний ученого совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета

Автореферат разослан 18 ноября 2004 г.

кандидат физико-математических наук, доцент Калажоков Хамидби Хажисмелович

Ученый секретарь диссертационного совета доктор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Вопросы распределения элементов в поверхностном слое и на межфазных границах в различных классах систем, а также изменения этих распределений являются актуальными при разработке технологических основ создания и методов совершенствования изделий микро- и наноэлектроники.

Огромную роль играют свойства поверхностей и границ раздела металл - полупроводник, а также поверхностных и межфазных слоев наномет-ровой протяженности в направлении нормали к поверхности. Этим в значительной степени определяются электрофизические свойства, надежностные характеристики и срок работы приборов.

При довольно большом разнообразии экспериментальных методов исследования поверхности, поверхностных и межфазных слоев и границ раздела только вторично-ионная масс-спектрометрия позволяет в одном приборе и одним методом получить наиболее полную информацию о качественном и количественном составе многокомпонентных систем, а также построить пространственное (по глубине исследуемого образца) распределение элементов в поверхностном слое. В случае оснащения вторично-ионного масс-спектрометра микрозондом метод позволяет получать распределение компонентов также и по площади как на исходной поверхности, так и на поверхности, образованной стравливанием верхнего слоя образца.

Во всех случаях определения химического состава и характера распределения компонентов в поверхностном слое и на межфазных границах, все методы, как правило, дают усредненное значение по некоторой достаточно большой толщине материала при обычно используемых режимах работы стандартных измерительных установок, то есть имеют ограниченное разрешение по глубине. Это обстоятельство искажает реальную картину распределения компонентов и, следовательно, затрудняет понимание природы объектов исследования. Несвободен от этих недостатков и метод вторично-ионной масс-спектрометрии, однако, в случае реализации статического режима работы, этот метод позволяет, в пределе, получать информацию об одном внешнем моноатомном слое поверхности образца.

Это и делает вторично-ионную масс-спектрометрию наиболее подходящим и незаменимым методом для исследования состава и свойств нано-размерных структур, возникающих в технологических процессах создания изделий микро- и наноэлектроники.

Цель работы

Целью настоящей работы являлось проведение экспериментальных исследований распределения компонентов в наноструктурах, формирующихся на границах раздела тонкой металлической пленки с полупроводниковыми, металлическими и диэлектрическими подложками в технологических

процессах создания изделий микро-и наноэлектроники. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Расширение функциональных возможностей и улучшение характеристик серийного вторично-ионного масс-спектрометра МС-7201 с целью применения его для анализа наноразмерных поверхностных слоев материалов и границ раздела полупроводниковых наноразмерных структур в различных режимах работы масс-спектрометра.

2. Исследование профилей концентрационных распределений легирующих примесей полупроводника и компонентов пленочных слоев в полупроводниковых наноразмерных структурах, формируемых в технологических процессах создания активных областей различных изделий нано- и микроэлектроники.

3. Изучение особенностей перераспределения легирующих примесей полупроводника в поверхностном слое и на границе раздела металлическая пленка- кремниевая подложка в зависимости от сочетаний примесь - металлическая пленка и при различных термодинамических условиях.

4. Разработка методики определения толщины и скорости роста наноразмерных силицидных слоев, формирующихся в зоне раздела металлическая пленка — кремниевая подложка, по данным сегрегации легирующих примесей полупроводника на межфазных границах кремний- силицид металла- металл.

Научная новизна

В ходе выполнения работы получены следующие результаты, обладающие признаками конструктивной, методической и научной новизны:

1. Произведено усовершенствование вторично-ионного масс-спектрометра, что расширило функциональные возможности установки и позволило проводить исследования наноразмерных металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов, как в динамическом, так и в статическом режимах.

2. Изучены профили концентрационного распределения легирующих примесей и компонентов пленочных слоев в наноразмерных полупроводниковых структурах, формируемых в технологических процессах создания активных областей различных изделий нано- и микроэлектроники.

3. Экспериментально выявлены особенности перераспределения легирующих примесей бора и фосфора при их сегрегации на границе раздела кремния с металлической пленкой алюминия, титана, хрома, никеля, молибдена и вольфрама.

4. Впервые экспериментально изучено перераспределение легирующей примеси полупроводника в процессе роста силицида металла на границе металлическая пленка — кремний.

5. Разработана методика определения толщины и скорости роста си-лицидных наноразмерных слоев, формирующихся в зоне раздела металлическая пленка- кремниевая подложка, по данным сегрегации легирующих примесей полупроводника на межфазных границах кремний- силицид металла - металл. На этот способ измерения скорости роста силицидов получен патент.

Практическая значимость

Усовершенствованный масс-спектрометр МС-7201 применяется для выполнения научно-исследовательских работ, и в учебном процессе на факультете микроэлектроники и компьютерных технологий Кабардино-Балкарского государственного университета: в лабораторном практикуме, в научно-исследовательской работе магистрантов и аспирантов, а также при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ специалистов и магистров.

Полученные научные результаты, по исследованию распределения и перераспределения компонентов в наноразмерных структурах, формируемых в технологических процессах создания изделий микро- и наноэлектроники, а также изделий вакуумной микроэлектроники, внедрены в производство сверхбыстродействующих цифровых ТТЛШ ИС, мощных высоковольтных транзисторов, лавинно-пролетных диодов миллиметрового диапазона и других в ОАО СКБ «Элькор», ОАО НЗПП (г. Нальчик) и в производство мелкоструктурных микроканальных пластин нового поколения для техники ночного видения в ООО ВТЦ «Баспик» (г. Владикавказ).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствование вторично-ионного масс-спектрометра МС-7201, позволившее проводить исследования качественного и количественного состава наноразмерных структур на поверхности материалов проводящей, полупроводниковой и диэлектрической природы в расширенном диапазоне масс и с дополнительными функциональными возможностями.

2. Особенности перераспределения легирующих примесей бора и фосфора в результате их сегрегации на границе раздела кремния с металлической пленкой алюминия, титана, хрома, никеля, молибдена и вольфрама при различных температурах.

3. Специфика перераспределения легирующей примеси полупроводника в процессе роста силицида металла на границе кремния с металлической пленкой никеля и титана.

4. Влияние процесса силицидообразования на перераспределение легирующей примеси бора в системах металлическая пленка - кремний.

5. Методика определения толщины и скорости роста наноразмерных силицидных слоев, формирующихся в зоне раздела металлическая пленка-кремниевая подложка, по данным сегрегации легирующих примесей полупроводника на межфазных границах кремний - силицид металла — металл.

Личный вклад автора

Автору принадлежит разработка принципиальных электрических схем и конструкций устройств, модернизирующих масс-спектрометр MCD7201. В, опубликованных статьях и в полученном патенте соавторам принадлежат примерно равные доли творческого участия. Все сделанные в настоящей работе выводы принадлежат автору.

Апробация результатов

Основные результаты работы докладывались на 1-й подотраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Нальчик, 1985); VI-м Всесоюзном семинаре «Вторичная ионная и иион-фотонная эмиссия» (Харьков, 29-31 октября 1991 г.); Российской научной конференции «Приборы и техника ночного видения» (Нальчик, 10- 15 июля 2002 г.); Российской межотраслевой научной конференции «Тепломассоперенос и свойства жидких металлов» — Теплофизика-2002 (Обнинск, 29 - 31 октября

2002 г.); Ш-ей Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» - Кисловодск, 14— 19 сентября

2003 г.); IV-ой Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 19—24 сентября

2004 г.); XXI-ой Международной научной конференции «Relaxation Phenomena in Solids» - RPS-21 (Воронеж, 5-8 октября 2004 г.).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах, в том числе получен 1 патент. Список этих публикаций приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных выводов и содержит 150 страниц машинописного текста, включая 52 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 100 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее цель, указаны конкретные задачи, обоснован выбор методов исследования, указана новизна полученных результатов, сформулированы основные защищаемые положения.

В первой главе проводится краткий обзор методик вторично-ионной масс-спектрометрии и используемой аппаратуры.

В первой части рассматриваются методические особенности исследования поверхностного слоя материалов с помощью ВИМС. Здесь рассматривается взаимодействие ионов с веществом мишени, распыление мишени при ионной бомбардировке и вторичная ионная эмиссия.

Далее рассматриваются различные применения ВИМС в области анализа объема тонкого приповерхностного слоя и в области анализа непосред-

ственно поверхности. Отмечается, что на поверхности метод ВИМС применяется, в основном, для идентификации поверхностных атомов и молекул, а также для изучения динамики поверхностных явлений. Для полного анализа, в некоторых случаях, достаточно удалить всего лишь КГ6 внешнего атомного слоя вещества, благодаря чему динамику поверхностных процессов можно изучать, не внося заметных возмущений в эти процессы.

В первой главе также рассматривается методика количественного анализа методом ВИМС и влияние приборных и матричных факторов на характеристики профилей распределения компонентов по глубине.

В последней части рассмотрена аппаратура, применяемая для вторично-ионной масс-спектрометрии, а именно, установки ВИМС, ориентированные на решение определенных задач, роль и характеристики компонентов этих установок.

Вторая глава содержит описание установки вторично-ионной масс-спектрометрии МС-7201, а также произведенного усовершенствования этого масс-спектрометра, которое расширило функциональные возможности установки и улучшило многие параметры, и, таким образом, позволило проводить анализ наноразмерных структур.

В ходе исследований, выполняемых на масс-спектрометре МС-7201, были всесторонне изучены его функциональные возможности и определены реально достижимые параметры. С целью расширения функциональных возможностей и улучшения параметров при исследованиях поверхности и границ раздела полупроводниковых наноразмерных структур был произведено усовершенствование установки. Модернизация заключалась в следующем: 1) стабилизация тока первичных ионов; 2) компенсация статического заряда при анализе диэлектриков; 3) управление пределом диапазона масс; 4) логарифмирование выходного сигнала системы регистрации; 4) создание системы напуска кислорода в источник ионов; 6) уменьшение эффекта стенок кратера при анализе на большие глубины; 7) создание камеры-приставки для осаждения наноразмерных металлических пленок; 8) создание камеры-приставки для отжига образцов в камере масс-спектрометра.

Для стабилизации тока на образец было разработано устройство преобразования тока образца в сигнал управления системой напуска с гальванической развязкой на диодной оптопаре (рис. 1). Выходное напряжение устройства подается на вход обратной связи системы напуска. Разработанное устройство позволяет поддерживать стабильным ток образца 10... 10 А с точностью около 2 % в течение нескольких часов, что значительно улучшило достоверность количественных данных как по концентрациям, так и по глубинам травления.

Рис. 1. Принципиальная схема стабилизатора тока первичных ионов

При исследованиях диэлектрических материалов методом ВИМС возникает известная проблема, вызванная накоплением на образце заряда, что приводит к резкому ухудшению масс-спектрального разрешения, уменьшению амплитуды пиков и сдвигу шкалы масс. Для нейтрализации заряда в неиспользуемом технологическом канале в теле первого электрода иммерсионного объектива установлен сверхминиатюрный вольфрамовый эмиттер электронов. Питание спирали производится от источника стабилизированного тока. Созданное устройство нейтрализации заряда использовалось при исследованиях оксидных слоев на кремнии, а также керамических материалов, стекол и горных пород. Во всех случаях при мощности спирали, не превышающей 0,1 Вт, масс-спектральное разрешение и шкала масс полностью восстанавливались.

В масс-анализаторах, использующих квадрупольное поле, масса ионов, на которую в данный момент настроен анализатор, определяется часто-

той / и амплитудой V ВЧ-напряжения:

е /2

гдеА - по-

стоянная прибора. Развертка по массам производится, как правило, изменением амплитуды ВЧ, что дает, во-первых, линейную шкалу масс, а во-вторых, сохраняет неизменным условие резонанса выходного каскада генератора ВЧ. Предел шкалы масс, в этом случае, ограничен допустимым уровнем ВЧ-амплитуды, достигающей нескольких киловольт. При этом предельное масс-спектральное разрешение R пропорционально квадрату частоты. Та-

ким образом, условия широкого диапазона исследуемых масс и высокого масс-спектрального разрешения являются взаимно противоречивыми.

Это противоречие устранено применением двух диапазонов масс. Изменив выходной каскад ВЧ, прибор настроили на 2 диапазона, - 0...80 а.е.м. и 0...250а.е.м. При этом, задающий генератор заменен на цифровой синтезатор. Переключение диапазона масс осуществляется в подключении к монополю параллельного конденсатора и установке резонансной частоты диапазона на синтезаторе. Благодаря произведенным изменениям добавился дополнительный диапазон масс и улучшилось на ~ 20 %, благодаря повышению частоты ВЧ, масс-спектральное разрешение первого диапазона.

Динамический диапазон сигнала вторичных ионов в МСП7201 охватывает 6 декад. Отображение масс-пиков малых примесей одновременно с пиками матрицы в линейном масштабе, как правило, невозможно. В приборе МС-7201 не было предусмотрено аппаратных средств логарифмирования. Для повышения оперативности исследования и улучшения формы представления результатов, создан логарифмический преобразователь с изменяемым динамическим диапазоном 1...10 декад (рис. 2). Преобразовательная часть размещена в активном термостате. Максимальная погрешность, отнесенная ко входу, не превышает 1 %. На рис. 3, для сравнения, представлен участок спектра, включающий ПВ+ и 288г+, в линейном и логарифмическом масштабах.

Рис. 2. Схема логарифмического преобразователя для выходного сигнала

^

о

•>—I 10

8

6

4 2 0

Рис. 3. Типичные спектры 11В+ и 28812+, полученные на тестовых образцах БЦ легированных бором в линейном масштабе и с логарифмическим преобразованием в динамическом диапазоне 103

В случае использования в методе ВИМС первичных ионов при

непрерывном напуске кислорода разброс коэффициента выхода вторичных ионов резко уменьшается, а выход вторичных ионов значительно увеличивается. Увеличение степени ионизации для некоторых металлов достигает 103. Кислород привлекателен и тем, что в этом случае образуются аморфные слои и снижается тенденция к образованию микроструктуры. Соответствующее уменьшение неровностей поверхности важно в тех случаях, когда необходимо получить профили концентрации с высоким разрешением по глубине, как, например, при анализе наноструктур. Для напуска кислорода в источник ионов масс-спектрометра разработан электролитический натекатель. Он представляет собой пробирку из циркониевой керамики. На внутреннюю и внешнюю поверхности пробирки нанесены платиновые электроды: анод и катод. Снаружи пробирки расположен нагреватель, создающий в ячейке рабочую температуру. Пробирка через переходную трубку присоединяется к источнику ионов. Количество выделенного кислорода определяется по закону Фара-дея. Рабочий ток через ячейку (ток электролиза) регулируется как вручную, так и автоматически. Для обеспечения проводимости керамики достаточно температуры не выше 500 °С.

ВИМС является, прежде всего, методом послойного анализа, однако, существенное влияние на точность определения концентрации оказывает эф-

фект стенки кратера. Для уменьшения влияния стенок кратера канал одного из двух ионных источников расширен до диаметра 4 мм. Канал второго источника стандартный- 2 мм. Травление образца производится первым источником (с широким пучком), а при анализе на больших глубинах образец переводится под источник со стандартным (то есть узким) пучком так, что узкий пучок направляется в центр кратера. Для совмещения пучков на образце применены световые указатели на лазерных диодах, по которым позиционируется образец. Точность позиционирования образцов не хуже 0,3 мм. Таким образом удается понизить выходной сигнал в «хвостах» распределений в несколько раз.

Для изучения процесса сегрегации на поверхности кристаллов и на границе раздела в структурах наноразмерная пленка — подложка изготовлены камеры-приставки к масс-спектрометру MCD7201 для осаждения на образец тонких металлических пленок и для нагрева образца. Приставка для напыления представляет собой кварцевый стакан с металлическими фланцами на торцах, устанавливаемый на масс-спектрометр. На верхнем фланце стакана смонтирован источник молекулярного потока - эффузионная ячейка Кнудсе-на. Ячейка изготовлена на базе кварцевой лампы. Внутри колбы лампы располагается разборный контейнер, в который размещается напыляемый материал. В нижней стенке контейнера имеется отверстие диаметром 0,5 мм. Колба закрыта экранами, и под ней располагается диафрагма для вырезания узкого пучка с углом около 4 градусов. Осажденные пленки металлов при толщине 10 нм являются сплошными. Аналогичный кварцевый стакан применяется и в приставке для нагрева образца. В этом случае направленный тепловой поток на образец создается от вольфрамовой спирали кварцевой лампы со вскрытой колбой с помощью отражателей и направляющих цилиндрических трубок.

С целью аттестации вторично-ионных масс-спектрометров по решению V Всесоюзного семинара «Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссия» в Харькове (1988 г.) были проведены сравнительные межлабораторные исследования специальных тестовых образцов. Участники сравнительных исследований представляли в рязанский научно-исследовательский технологический институт (НИТИ) концентрационные профили по масс-пикам 11В+ и 21^2+ тестовых образцов. На очередном У-м Всесоюзном семинаре (1991 г.) представители НИТИ доложили результаты обработки данных, полученных от всех исследовательских групп. Усовершенствованный масс-спектрометр КБГУ показал следующие результаты по методике расчетов НИТИ: 1) предел обнаружения по 81 2х1018 ат./см3; 2) динамический диапазон по В в Si на спадающем участке профиля 4,5х10°2 отн. ед.; 3) чувствительность по В11 в 6,5х1(Р17имп/(схнА); 4) скорость распыления 0,1 А/с; 5) значение страгг-линга 33,4 нм; 6) абсолютная погрешностьглубины 4,8 нм; 7) ошибка измерения концентрации 5 %. Было отмечено, что из всех аттестовавшихся мини-

ВИМС, прибор КБГУ имел наилучшее согласие результатов с эталонными данными.

В третьей главе представлены результаты исследований профилей распределения компонентов в наноразмерных полупроводниковых структурах.

Было исследовано влияние процессов химической обработки и ионной имплантации на степень загрязнения кремниевых пластин в технологических операциях формирования сильнолегированных слоев для производства ЛПД миллиметрового диапазона. Изучались пластины, легированные фосфором и бором, с А1 металлизацией после различных технологических операций очистки, ионной имплантации и последующей диффузии легирующих примесей.

В изучаемых образцах анализировалось содержание водорода, бора, углерода, азота, кислорода и фосфора в объеме А1 пленки и Si пластины, а также на внешней поверхности пленки и на межфазной границе Al - Si. Установлено, что доминирующим загрязнением во всей анализируемой области глубин являлся углерод. Суммарное содержание углерода, азота и кислорода не превышало ~ 5 ат. % от содержания легирующей примеси. При анализе межфазной границы раздела Al - Si выявлено, что загрязнения сорбируются границей. В объеме А1 загрязнений вдвое меньше чем на границе. И в А1 пленке, и на межфазной границе присутствие загрязнений следует связывать не только с ионной имплантацией, но и с процессами нанесения металлизации.

Приведенные результаты внедрены в ОАО СКБ «Элькор» (ОКР «Технология изготовления многослойных систем металлизации лавинно-пролетных диодов миллиметрового диапазона и К-МОП БИС»).

Для легирования кремния алюминием в технологиях мощных кремниевых транзисторов, до настоящего времени, широко применяется термическая диффузия, которая отличается большой сложностью и недостаточной воспроизводимостью. Между тем, накоплено достаточно много фактов, свидетельствующих о том, что ионная имплантация AI с последующей диффузионной разгонкой, имеет существенные преимущества перед термической диффузией. Однако, процесс ионной имплантации А1 в Si и характер распределения А1 в подложке, особенно, имплантированного при низких энергиях, до сих пор остаются недостаточно изученными. Для уточнения особенностей ионной имплантации А1 в Si были проведены исследования методом ВИМС профилей распределения А1 в Si, полученных при низких энергиях имплантирующих ионов (20кэВ). Анализировались две серии образцов Si (111). Первая серия состояла из пластин, легированных дозами 1,5х1014, 1х1015 и 1х1016см2. Все образцы этой серии прошли обработку в аммиачно-перекисном растворе (АПР). Вторая серия образцов была получена из одной пластины Si с дозой легирования 1, 014 ион/см2. Пластина была разрезана на три части: А, В и С. Образец А никакой химической обработке не подвергался, образец В был обработан в растворе Н3РО4, а образец С - в АПР.

При построении профилей А1 методом ВИМС пользовались методом «внешнего эталона». Формы профилей, полученных экспериментально удовлетворительно согласуются с рассчитанными теоретически. Глубина расположения максимума, рассчитанного по распределению Пирсона, практически равна среднему проективному пробегу Лр и составляет 28,3 нм, а максимумы на экспериментальных профилях соответствуют глубине 26...30нм. Концентрация А1 в на глубине Яр, составляет 0,1; 0,4 и 5 ат. % (5x1019; 2хЮ20 и 2,5хЮ21 см"13) для образцов, легированных дозами 1,5x10м, 1хЮ15 и 1 х 1016 см 2. Профили распределения А1 в легированном при дозах 1,5х1014, 1x10 и 1x10 смП2, а также профили, рассчитанные с учетом распределения Пирсона, приведены на рис. 4.

На рис. 5 приведены профили А1 в образцах А и В. На поверхности исходного образца А концентрация А1 составляет ~1 ат. % (5x10го см03), на образцах В, обработанных ортофосфорной кислотой, поверхностные концентрации А1 не превосходят предела обнаружения (0,002 ат. %, то есть 1хЮ18смаз). На промытых в АПР образцах С (см. рис. 4 (а)) содержание алюминия на поверхности составляет -0,2 ат. % (1x10го см03). Этот факт наглядно показывает, что ортофосфорная кислота надежно удаляет алюминий не только с поверхности, но и из приповерхностного слоя до 10 нм.

ю

ю

0 01 ' ................ '

0 20 40 60 80 Глубина, нм

001

О 20 40 60 80 Глубина,нм

Рис. 4. Профили распределения А1, имплантированного в 81 при дозах: а- 1,5хЮ14, б - 1хЮ15,

Рис. 5. Профили распределения А1, имплантированного в при дозе 1,5x1014 см02: а- исходный образец, б- обработанный в ортофосфорной кислоте

в - 1 х 1016 см02, г - рассчитанный по распределению Пирсона для дозы 1хЮ16 см02

Для всех исследованных образцов проведен анализ загрязнений поверхности и объема примесями углерода, азота и кислорода. На поверхности обнаружено небольшое увеличение концентрации углерода и кислорода с повышением дозы легирования, что, с высокой вероятностью, указывает на происхождение этих загрязнений, при этом их максимальное содержание составляет ~ 0,02 ат. % (1х1019 сма) при дозе 1х1016 см02. Концентрация других загрязняющих примесей по глубине образцов (до ~ 35 нм) не меняется и составляет Такое количество загрязняющих примесей в объеме можно объяснить двумя причинами. Во-первых, загрязнения могут войти в кремний путем внедрения этих элементов в процессе ионной имплантации. Во-вторых, нельзя исключать возможность непрерывного осаждения этих компонентов на поверхность исследуемого образца из остаточных газов рабочей камеры масс-спектрометра. Таким образом, показано, что ионной имплантацией с использованием лазерных источников ионов можно получить примеси алюминия, профиль распределения которого согласуется с расчетными данными, и позволяет формировать мелко залегающие слои с акцепторной примесью. При этом концентрация углерода и кислорода в объеме образца меньше концентрации А1 на 2...3 порядка.

В производстве мощных высоковольтных транзисторов одним из основных технологических процессов является формирование в приповерхностной области кремния контактных и базовых областей со сложным профилем легирования. В настоящее время существуют различные способы создания таких областей, содержащих дозируемое количество примесей. Наиболее перспективным из них является способ двойного легирования. Однако, этот технологический процесс до настоящего времени остается недостаточно изученным и разработанным. В связи с этим проведено исследование распределения элементов, сформированного одновременной имплантацией атомов отдачи и бомбардирующих ионов в структуры А1- Si, легированный бором. Изучены концентрационные профили бора и атомов отдачи А1.

Легирование проводилось через пленки А1 разной толщины. Энергия имплантируемых ионов бора составляла 100кэВ. Были исследованы три серии образцов с пленками А1 толщиной 1000, 1700 и 3800 А.

Исследования профилей распределения атомов отдачи А1 и бора в (рис. 6) показали, что при толщинах пленки А1, равной 1000 и 1700 А, образуется слой, легированный алюминием и бором, толщиной, соответственно. ~ 3500 и ~ 3000 А, то есть, реализуется процесс одновременного легирования Si ионами бора и атомами отдачи А1. При толщине пленки А1 3800 А эффект легирования атомами отдачи А1 исчезает, и формируется тонкий легированный бором слой.

При формировании наноразмерных высоколегированных профилей бора в Si перспективным является использование интенсивных ионных пучков. В технологии формирования активных слоев Si-ЛПД 4 мм диапазона кроме метода эпитаксиального наращивания используется также метод многократного ионного легирования. При этом, в качестве основного метода контроля профилей примеси используется ВИМС. Распределение бора в образцах этой серии показано на рис. 7. В этом случае толщина высоколегированного слоя ~200нм, средняя концентрация бора ~Зх1019см*э (~ 0,06 ат. %). Протяженность трехкратно легированной области составляла ~ 500 нм, а средняя концентрация бора в ней ~ 6х1018 ат./см3 (~ 0,012 ат. %). Как видно из рисунка на профиле распределения бора проявляются три максимума, соответствующие трем имплантациям с Яр 150; 300 и 450 нм, из которых два последних существенно перекрываются. После термической разгонки примеси концентрационный профиль по глубине выравнивается и становится, практически плоским. Рассмотренный метод формирования активных диффузионных областей внедрен в технологический процесс создания пролетных р+-р-областей ЛПД миллиметрового диапазона в СКБ «Элькор».

Рис. 7. Распределение ионно имплантированного бора при трехкратном легировании ( 1) и после термической разгонки внедренной примеси (2)

В четвертой главе представлены результаты исследования распределения компонентов в наноструктурных системах металлическая пленка - полупроводник и применение их результатов в технологических процессах.

Методом ВИМС изучалась сегрегация бора и фосфора на границе сильнолегированного кремния (111) (102°СМШ, ТО есть 0,2 ат. %) с пленкой Л1, Т^ Сг, М, Mo, W при температурах 293 и 473 К. На рис. 10 и 11 приведены примеры двух вариантов поведения примеси: сегрегация, как в случае фосфор на границе Л1- Si, либо оттеснение примеси вглубь подложки, как в случае бора на границе Сг - Si.

В табл. приведено поведение примесей в системах металл - кремний, по результатам наших исследований, а также предсказанное в работе, в зависимости от сочетания типа примеси и материала металлической пленки.

Таблица. Поведение примесей в зависимости от сочета ния типа примеси и материала металлической пленки

Система Легирующая примесь Сегрегация

Al-Si Бор -

Al-Si Фосфор +

Mo-Si Бор +

Mo-Si Фосфор +

Cr-Si Бор -

Cr-Si Фосфор -

W-Si Фосфор -

Ti-Si Бор* +

Ni-Si Бор* +

Примечания: «+» - примесь сегрегирует на межфазную границу; «-» - примесь оттесняется вглубь кремния; «*»- дополнительное легирование образцов методом ионной имплантации

Полученные данные по сегрегации примеси на границе металлическая пленка - Si можно использовать при создании в полупроводниковой структуре сильнолегированного слоя толщиной ~ Юнм, образующегося на границе раздела силицида кремния с кремнием в результате сегрегации, в частности при создании омических контактов.

В этой же главе исследовалось перераспределение легирующей примеси бора в процессе роста силицидов в системах № - Si и Т - Si в зависимости от температуры отжига. Система И - характеризуется образованием пяти силицидов титана: Первыми образуются

силициды, более богатые металлом. Образование богатого металлом силицида продолжается, пока не израсходуется весь металл. После этого начинается образование следующей, более богатой кремнием, фазы. Этот процесс сопровождается сегрегацией бора на каждой из границ, появляющихся с системе, что проиллюстрировано на рис. 10 и 11. Из рис. хорошо видно, что протяженность переходного слоя между различными фазами около 10 нм, и что на каждой границе происходит накопление бора, так, что концентрация бора по характеру имеет вид производной от концентрации Si и, таким образом, указывает координату межфазной границы гораздо точнее, чем профиль самого кремния.

ОХ

ODO «СЮ 80 00 120 DO b

о» гооо tooa eoro вою ^

»00 I^u,,

Рис. 10. Профили распределения элементов в структуре Б! — силицид- "Л, полученные после отжига при температуре 673 К

Рис. 11. Профили распределения элементов в структуре Й - №812 -N¡31, полученные после отжига при температуре 773 К

Из полученных результатов следует, что процесс формирования силицида в системе металл-Si сопровождается перераспределением легирующей примеси. Накопленная в зоне контакта металл - Si примесь мигрирует через границу и проникает в силицид. Диффузия примеси продолжается до достижения некоторого предельного значения концентрации, и затем начинается накопление примеси на верхней границе силицида. Этот процесс может сопровождаться обеднением приграничных областей Si, если содержание примеси в Si было низким, но при высоких концентрациях примеси обеднение может и не наблюдаться.

Приведенные результаты внедрены в ОАО СКБ «Элькор» (ОКР «Технология контроля кинетики образования силицидной фазы при формировании диодов Шоттки на быстродействующих интегральных схемах...»).

Наблюдение двух явно выраженных максимумов на профиле распределения бора в исследуемых системах позволило разработать методику определения скорости роста силицида в системах тонкая металлическая пленка -кремний и определить скорость роста силицидов титана и никеля при различных температурах. На способ измерения толщины интерметаллического слоя получен патент.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе: 1. Усовершенствованный масс-спектрометр вторичных ионов МС-7201 позволяет исследовать наноразмерные структуры металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов в квазистатическом режиме работы со скоростью распыления 0,5...0,7 А/мин, с разрешением по

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

глубине до 5 % и чувствительностью до 105 монослоя в соответствии с принятыми к ВИМС требованиями.

2. Концентрационные профили ионно-имплантированных примесей в полупроводниковых структурах имеют гауссову форму распределения. Исключения проявляются на поверхностях образцов, обогащенных за счет сегрегации активной примеси, а также в «хвостах» распределений, что связано с эффектом стенки кратера.

3. Профили распределения легирующих примесей бора и фосфора в кремнии на границе с металлической пленкой изменяются в зависимости от вида металла пленки. Установлено, что бор является межфазноактивным в системах Мо - Si, № - Si и Ti - Si, а фосфор - в системах А - Si и Mo - Si. Бор в системе А1 - Si и обе примеси в системе Ст - Si являются инактивными. По данным ВИМС протяженность межфазного слоя в направлении нормали к поверхности раздела для исследованных систем составляет 8..Л 5 нм.

4. В процессе отжига и роста силицидных пленок в системах Т - Si и Si происходит перераспределение легирующей примеси бора на межфазную границу металл^, а также обогащение примесью металлической пленки и силицида. С увеличением времени отжига в металлической пленке растет фаза нового стехиометрического состава, и на межфазной границе двух силицидов наблюдается концентрирование примеси бора.

5. Установлена полуэмпирическая зависимость распределения примесей в системе кремний- межфазная граница- металлическая пленка- поверхность пленки.

6. Исходя из баланса масс установлено изменение удельной проводимости кремния вблизи межфазной границы в результате перераспределения легирующей примеси.

7. Межфазная сегрегация бора в силицидных слоях и на границе раздела кремний - титан позволяет определить с высокой точностью толщину нанометровых силицидных слоев, формирующихся в процессе отжига. На основе этих исследований разработана методика и получен патент на способ определения толщины силицидных пленок.

Основные результаты диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Молоканов О. А., КармоковА. М. Некоторые изменения в электронных схемах масс-спектрометра МС-7201. / Вторич. ионная и ионо-фотонная эмиссия. Тезисы докладов VI Всесоюзного семинара 29-31 окт. 1991 г. Харьков 1991. - С. 247 - 249.

2. Шухостанов А.К., Шауцуков А.Г., Кармоков A.M., Кожокова Ф.М., Молоканов О.А. Исследование профилей распределения примесей в р+-р-слоях двухпролетных лавинно-пролетных диодов методом ВИМС.//Электронная техника. Сер. 2, полупроводниковые приборы, - 1989,- в. 2. - С. 57 - 60.

3. Кармоков A.M., Молоканов О.А., Панченко В.А., Альтудов Ю.К. Исследование методом ВИМС влияния ионной имплантации на степень загрязнения кремниевых пластин/Тезисы 1 подотраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Нальчик, — 1985.-С. 76

4. Кармоков A.M., Молоканов О.А., Панченко В.А., Шухостанов А.К. Влияние химической обработки на распределение элементов в кремниевых пластинах, легированных алюминием./Тез. 1 подотрасл. научно-технической конф. молодых ученых и специалистов. Нальчик, -

1985. -С. 118.

5. Шухостанов А. К., Шауцуков А. Г., Кармоков А. М., Кожокова Ф. М., Молоканов О. А., Шебзухов А. А. Исследование распределения бора и атомов отдачи алюминия, одновременно имплантируемых в кремний. / Физико-химия межфазных явлений. Сборник научных трудов. Нальчик, -

1986.-С. 131-136.

6. Шухостанов А. К., Кармоков А. М., Шауцуков А. Г., Кожокова Ф. М., Молоканов О. А. Исследование методом вторично-ионной масс-спектро-метрии одновременной имплантации бора и алюминия в кремний. // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. - 1988,- выпуск 6.-С. 57-59.

7. Кармоков А. М., Кожокова Ф. М., Молоканов О. А. Влияние процесса си-лицидообразования и перераспределения примеси бора в системах N i - Si и Ti- Si. // Поверхность. Физика, химия, механика.- 1995,- №2.- С. 41 - 44.

8. Кармоков А. М., Кожокова Ф. М., Молоканов О. А. Исследование сегрегации легирующих примесей на межфазной границе кремний-металл. // Поверхность. Физика, химия, механика.- 1996,- №2. С. 81 — 84.

9. Кармоков A.M., Молоканов О.А., Кожокова Ф.М. Способ измерения толщины интерметаллического слоя. Патент №1777667 от 9.7.90 зар. 22.7.92.

10. Альтудов Ю. К., Гукетлев Ю. X., Молоканов О. А., Кармоков А. М., Нестеренко О. В., Панченко В. А. Исследование профиля распределения алюминия в кремнии методом вторично-ионной масс-спектрометрии. // Физика и химия поверхности. Нальчик, - 1985. — С. 24 - 30.

И. Молоканов О. А., Кармоков А. М., ТешевР. Ш. Сегрегация легирующей примеси на границе с металлической пленкой. Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. III Международная конференция. Ставрополь: СевКавГТУ, 2003. С. 99 - 100.

12. Молоканов О. А., Кармоков А. М., ТешевР. Ш. Перераспределение примеси в системе кремний, легированный бором - титан. Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. IV Международная конференция. Кисловодск -Ставрополь: СевКавГТУ, 2004. С. 449-450.

В печать 17.11.2004. Тираж 100 экз. Заказ № 4276 Типография КБГУ 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173

Р24103

Введение.

1. Методика исследований методом вторично-ионной массспектрометрии и используемая аппаратура.

1.1. Методические особенности исследования поверхностного слоя материалов с помощью ВИМС.

1.1.1. Взаимодействие ускоренных ионов с веществом мишени.

1.1.2. Распыление мишени при ионной бомбардировке.

1.1.3. торичная ионная эмиссия.

1.2. Применения ВИМС для анализа поверхности и приповерхностных слоев материалов.

1.2.1. Исследование поверхности.

1.2.2. Глубинные профили концентрации.

1.2.3. Распределение частиц по поверхности, микроанализ и объемный анализ.

1.3. Методика количественного анализа методом ВИМС поверхностного слоя образцов.

1.3.1. Профили распределения концентрации компонентов по глубине.

1.3.2. Приборные факторы, влияющие на разрешение по глубине при построении профилей концентрации.

1.3.3. Влияние ионно-матричных эффектов на разрешение по глубине при построении профилей концентрации.

1.4. Аппаратура, применяемая для ВИМС.

1.4.1. Общее устройство установки для ВИМС.

1.4.2. Установки для решения частных аналитических проблем.

1.4.3. Установки, позволяющие получать сведения о распределении компонентов по поверхности.

1.4.4. Установки с прямым изображением.

Выводы из 1 главы.

2. Вторично-ионный масс-спектрометр МС-7201 и его модернизация для анализа наноструктурных полупроводниковых материалов.

2.1. Масс-спектрометр вторичных ионов МС

2.2. Модернизация масс-спектрометра МС-7201 для анализа наноструктурных полупроводниковых материалов.

2.2.1. Стабилизация тока первичных ионов на образец.

2.2.2. Компенсация статического заряда.

2.2.3. Расширение диапазона исследуемых масс.

2.2.4. Логарифмирование выходного сигнала.

2.2.5. Ячейка для напуска кислорода.

2.2.6. Уменьшение эффекта стенок кратера.

2.2.7. Дополнительные камеры для технологических операций по приготовлению образцов.

2.2.8. Аттестация вторично-ионного масс-спектрометра КБГУ.

Выводы из 2 главы.

3. Результаты исследований профилей распределения компонентов в полупроводниковых наноразмерных структурах.

3.1. Исследования методом ВИМС влияния химической обработки и ионной имплантации на степень загрязнения кремниевых пластин

3.2. Исследование распределения алюминия, внедренного в кремний

3.3. Исследование распределения бора и атомов отдачи алюминия, одновременно имплантируемых в кремний.

3.4. Профили распределения элементов в р+-р-области при формировании пролетных областей ЛПД.

Выводы из 3 главы.

4. Исследования распределения компонентов в наноразмерных системах металл - полупроводник.

4.1. Сегрегация бора и фосфора на межфазной границе металлическая пленка - кремний.

4.2. Влияние процесса силицидообразования на перераспределение примеси бора в системах Ni-Si и Ti-Si.

4.3. Перераспределение легирующей примеси в системе металлическая пленка - легированный бором кремний.

Выводы из 4 главы.

Актуальность темы

Вопросы распределения элементов в поверхностном слое и на межфазных границах в различных классах систем и изменения этих распределений становятся все более актуальными при формировании технологических основ процессов в различных областях современной нанотехники и нанотехнологии, в частности, при разработке и исследованиях технологических основ создания изделий микро- и наноэлектроники.

Особенно наглядны эти проблемы при разработке и исследованиях технологических основ создания изделий микро- и наноэлектроники и других устройств микро- и нанотехники (микромеханика, микросенсорика, микрофотоника), где свойства поверхностей и границ раздела металл - полупроводник, а также поверхностных и межфазных слоев манометровой протяженности в направлении нормали к поверхности в значительной степени определяют электрофизические свойства, надежностные характеристики и срок работы приборов.

Несмотря на довольно большое разнообразие экспериментальных методов исследования поверхности, поверхностных и межфазных слоев и границ раздела в наноразмерных структурах, только вторично-ионная масс-спектрометрия позволяет в одном приборе и одним методом получить наиболее полную информацию о качественном и количественном составе многокомпонентных систем, а также построить пространственное (по глубине исследуемого образца) распределение элементов в поверхностном слое. В случае оснащения вторично-ионного масс-спектрометра микрозондом метод позволяет получать распределение компонентов также и по площади как на исходной поверхности, так и на поверхности, образованной стравливанием верхнего слоя образца.

Во всех случаях определения химического состава и характера распределения компонентов в поверхностном слое и на межфазных границах все методы, как правило, дают усредненное значение по некоторой достаточно большой толщине материала при обычно используемых режимах работы стандартных измерительных установок, то есть имеют ограниченное разрешение по глубине. Это обстоятельство искажает реальную картину распределения компонентов и, следовательно, затрудняет понимание природы объектов исследования. Несвободен от этих недостатков и метод вторично-ионной масс-спектрометрии, однако, в случае реализации статического режима работы, этот метод позволяет, в пределе, получать информацию об одном внешнем моноатомном слое поверхности образца.

Все перечисленные факторы, взятые в совокупности, делают вторично-ионную масс-спектрометрию наиболее подходящим методом для исследования наноразмерных структур, формируемых в технологических процессах создания изделий микро- и наноэлектроники.

Цель работы

Цель настоящей работы заключается в получении новых экспериментальных данных о распределении компонентов в наноразмерных структурах, формирующихся на границах раздела тонкой металлической пленки с полупроводниковыми, металлическими и диэлектрическими подложками в технологических процессах создания изделий микро- и наноэлектроники. Для достижения указанной цели в работе ставились и решались следующие задачи:

1. Расширение функциональных возможностей и улучшение характеристик серийного вторично-ионного масс-спектрометра МС-7201 с целью применения его для анализа наноразмерных поверхностных слоев материалов и границ раздела полупроводниковых наноразмерных структур в различных режимах работы масс-спектрометра.

2. Исследование профилей концентрационных распределений легирующих примесей полупроводника и компонентов пленочных слоев в полупроводниковых наноразмерных структурах, формируемых в технологических процессах создания активных областей различных изделий микро-и наноэлектроники.

3. Изучение особенностей перераспределения легирующих примесей полупроводника в поверхностном слое и на границе раздела металлическая пленка - кремниевая подложка в зависимости от сочетаний примесь — металлическая пленка и при различных термодинамических условиях.

4. Построение модели распределения концентраций компонентов в результате сегрегации на границе раздела металлическая пленка - кремниевая подложка.

5. Разработка методики определения толщины и скорости роста наноразмерных силицидных слоев, формирующихся в зоне раздела металлическая пленка - кремниевая подложка, по данным сегрегации легирующих примесей полупроводника на межфазных границах кремний - силицид металла - металл.

Научная новизна

В ходе выполнения работы были получены следующие результаты, обладающие признаками конструктивной, методической и научной новизны.

1. Произведено усовершенствование вторично-ионного масс-спектрометра, которое расширило функциональные возможности установки и позволило проводить исследования наноразмерных металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов как в статическом, так S и в динамическом режимах.

2. Изучены профили концентрационного распределения легирующих примесей полупроводника и компонентов пленочных слоев в полупроводниковых наноразмерных структурах, формируемых в технологических процессах создания активных областей различных изделий микро- и нано-электроники.

3. Экспериментально выявлены особенности перераспределения легирующих примесей бора и фосфора в результате их сегрегации на границе раздела кремния с металлической пленкой алюминия, титана, хрома, никеля, молибдена и вольфрама.

4. Впервые экспериментально изучено перераспределение легирующей примеси полупроводника в процессе роста силицида металла на границе металлическая пленка - кремний.

5. Разработана методика и получен патент на способ определения толщины и скорости роста силицидных нанослоев, формирующихся в зоне раздела металлическая пленка - кремниевая подложка, по данным сегрегации легирующих примесей полупроводника на межфазных границах кремний - силицид металла - металл.

Практическая значимость

Усовершенствованный масс-спектрометр МС-7201 применяется для выполнения научно-исследовательских работ и в учебном процессе на факультете микроэлектроники и компьютерных технологий Кабардино-Балкарского государственного университета: в лабораторном практикуме, в научно-исследовательской работе магистрантов и аспирантов, а также при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ специалистов и магистров.

Полученные в работе научные результаты по исследованию распределения и перераспределения компонентов в наноразмерных структурах, формируемых в технологических процессах создания изделий микро- и наноэлектроники, а также изделий вакуумной микроэлектроники, внедрены в производство сверхбыстродействующих цифровых ТТЛШ ИС, мощных высоковольтных транзисторов, лавинно-пролетных диодов миллиметрового диапазона и других в ОАО СКВ «Элькор», ОАО НЗПП (г. Нальчик) и в производство мелкоструктурных микроканальных пластин нового поколения для техники ночного видения в ООО ВТЦ «Баспик» (г. Владикавказ).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствование вторично-ионного масс-спектрометра МС-7201, позволившее проводить исследования качественного и количественного состава наноразмерных структур на поверхности материалов проводящей, полупроводниковой и диэлектрической природы в расширенном диапазоне масс и с дополнительными функциональными возможностями.

2. Особенности перераспределения легирующих примесей бора и фосфора в результате их сегрегации на границе раздела кремния с металлической пленкой алюминия, титана, хрома, никеля, молибдена и вольфрама при различных температурах.

3. Специфика перераспределения легирующей примеси полупроводника в процессе роста силицида металла на границе кремния с металлической пленкой никеля и титана.

4. Влияние процесса силицидообразования на перераспределение легирующей примеси бора в системах металлическая пленка - кремний.

5. Методика определения толщины и скорости роста наноразмерных силицидных слоев, формирующихся в зоне раздела металлическая пленка-кремниевая подложка, по данным сегрегации легирующих примесей полупроводника на межфазных границах кре*мний - силицид металла - металл.

Личный вклад автора

Автору принадлежит разработка принципиальных электрических схем, а также конструкций устройств по усовершенствованию масс-спектрометра МС-7201. В статьях, опубликованных с участием автора и в полученных патентах, соавторам принадлежат приблизительно равные доли творческого участия. Все сделанные в настоящей работе выводы принадлежат автору.

Апробация результатов

Основные результаты, полученные в работе, докладывались на 1-й подотраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Нальчик, 1985); VI-м Всесоюзном семинаре «Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссия» (Харьков, 29-31 октября 1991 г.); Российской научной конференции «Приборы и техника ночного видения» (Нальчик, 10-15 июля 2002 г.); Российской межотраслевой научной конференции «Тепломассоперенос и свойства жидких металлов» - Теплофизика-2002 (Обнинск, 29-31 октября 2002 г.); Ш-ей Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» — (Кисловодск, 14-19 сентября 2003 г.); IV-ой Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 19-24 сентября 2004 г.); XXI-ой Международной научной конференции «Relaxation Phenomena in Solids» - RPS-21 (Воронеж, 5-8 октября 2004 г.).

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность всем своим учителям и коллегам, с которыми связывает более чем 25-летнее творческое общение и более чем 20-летние совместные исследования, за их помощь, поддержку и одобрение; научному руководителю работы профессору Кармоко-ву А. М. за его руководящее начало, постоянное внимание и настойчивость; сотрудникам СКБ «Элькор» за подготовку образцов, обсуждение результатов и использование этих результатов в своих разработках; коллегам по факультету микроэлектроники и компьютерных технологий за полезные обсуждения, критику и замечания по работе. t

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Произведенная модернизация масс-спектрометра вторичных ионов МС-7201 позволила исследовать наноразмерные структуры металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов в квазистатическом режиме работы со скоростью распыления 0,5.0,7 А/мин., с разрешением по глубине до 5 % и чувствительностью до 10~5 монослоя в соответствии с принятыми к ВИМС требованиями.

2. Отклонение концентрационных профилей примесей, ионно-имплантированных в полупроводниковые структуры, от гауссовй формы распределения проявляются на поверхностях образцов, обогащенных за счет сегрегации активной примеси, а также в «хвостах» распределений, что связано с эффектом стенки кратера.

3. Профили распределения легирующих примесей бора и фосфора в кремнии на границе с металлической пленкой изменяются в зависимости от вида металла пленки. Установлено, что бор является межфазно активным в системах Mo - Si, Ni - Si и Ti - Si, а фосфор - в системах А1 — Si и Mo - Si. Бор в системе А1 - Si и обе примеси в системе Cr - Si являются и инактивными. По данным ВИМС протяженность межфазного слоя в направлении нормали к поверхности раздела для исследованных систем составляет 8.15 нм.

4. В процессе отжига и роста силицидных пленок в системах Ti - Si и Ni - Si происходит перераспределение легирующей примеси бора на межфазную границу металл-кремний, а также обогащение примесью металлической пленки и силицида. С увеличением времени отжига в металлической пленнике растет фаза нового стехиометрического состава, и на межфазной границе двух силицидных фаз наблюдается концентрирование примеси бора.

5. Установлена полуэмпирическая зависимость распределения примесей в системе кремний - межфазная граница - металлическая пленка — поверхность пленки.

6. Исходя из баланса масс установлено изменение удельной проводимости кремния в тонком слое вблизи межфазной границы, происходящее в результате перераспределения легирующей примеси.

7. Межфазная сегрегация бора в силицидных слоях и на границе раздела кремний - титан позволяет определить с высокой точностью толщину нанометровых силицидных слоев, образующихся в процессе отжига. На основе этих исследований разработана методика определения толщины силицидных пленок, на которую получен патент.

1. Петров Н. Н., Аброян И. А. Диагностика поверхности с помощью ионных пучков. - Л.: Из-во ЛГУ. 1977. -160 с.

2. Мак-Хью И. А. Вторично-ионная масс-спектрометрия: / в кн.: Методы анализа поверхности. / Под ред А. Зандерны. Пер. с англ.-М.: Мир, 1979.-с. 276-342.

3. Черепин В. Т. Масс-спектрометрия вторичных ионов // Электронная промышленность, 1979, № 1-2, с. 17-34.

4. Морисон С. Химическая физика поверхности твердого тела. Пер. с англ. М.: Мир, 1980, - 488 с.

5. Черепин В. Т. Ионный зонд. Киев: Наукова думка, 1981. - 328 с.

6. Электронная и ионная спектроскопия твердых тел. Под ред. Л. Фирмэнса, Дж. Вэнника и В. Декейсера. Пер. с англ. М.: Мир, -1981.-468 с.

7. Черепин В. Т., Васильев М. А. Методы и приборы для анализа поверхности материалов: Справочник. Киев: Наукова Думка, 1982. — 400 с.

8. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. - 496 с.

9. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности: Пер. с англ.- М.: Мир, 1989.-564 с.

10. Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 344 с.

11. Arnot F.L., Milligan J.C. A new process of negative ion formation. //. Proceedings of the Royal Society of London, A, № 156, 1936, P. 538-560.

12. Herzog R. F. K., Viehbock F. P. Ion sours for mass spectrography. // Phys. Rev., 1949, 76,-P. 855.

13. Werner H.W., de Grefte H. A. M., // Vakuum-Technik, 1967, 17, 37,.

14. Carter G., Colligon J. S., Ion Bombardment of Solids. New York: American Elsevier Pub. Co., 1968, - 200 p.

15. LindhardJ., ScharffM., Energy Dissipations by Ions in the keV Region, Physical Review, 1961, 124, pp. 128- 130.

16. Ishitani Т., Schimizu R., Computer simulation of knock-on effect under ion bombardment. Physics Letters A, 1974, Volume 46, Issue 7, pp. 487 488.

17. Whitlow H. J., KeinonenJ., and Hautala M. Mixing of A1 in Si by Ne+ ions. Journal of Applied Physics. 1985. Vol. 58 (8), pp. 3246 3248.

18. McKracken G. M. The Behaviour of Surfaces under Ion Bombardment, Reports on Progress in Physics, 1975, 38, № 2, 241 3278.

19. Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел: Сборник татей 1986- 1987 гг. Перевод с английского. / Составитель Е. С. Машкова. М.: Мир, 1989. - 349 с.

20. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Выпуск I. / Под ре. Р. Бериша. / Пер. с англ. М.: Мир, 1984.

21. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Выпуск II. / Под ре. Р. Бериша. / Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

22. Sigmund P. Theory of sputtering. I. Sputtering yield of amorphous and polycrystalline targets. // Phys. Rev., 1969, 184, № 2. P. 383 416.

23. Векслер В. И. Вторичная ионная эмиссия металлов. М.: Наука, 1978.-240 с.я

24. Loebach E. Analysis of monomolecular layers of solids by the static method of secondary ion mass spectroscopy (SIMS). J. Radioanal. Chem., 1972, 12, № 1, p. 95 - 100.

25. Treitz N. Analysis of solid surface monolayers by mass and energy spectrometry methods. J. Phys. E: Science Instruments. 1977, V. 10, pp. 573 -585.

26. Stumpl E., Benninghoven A. Surface oxidation stadies of iron using the static method of secondary ion mass spectroscopy (SIMS). Phys. Status solidi (a), 1974, 21, № 2, p. 479 486.

27. Ремнев Г. E., Исаков И. Ф., Опекунов М. С., Матвиенко В. М. Источники мощных ионных пучков для практического применения. // Известия вузов. Серия Физика. 1998. Том 41. № 4. С. 92 111.

28. Войцеховский А. В., Коротаев А. Г., Коханенко А. П. Формирование наноразмерных высоколегированных профилей бора в кремнии мощными ионными пучками. // Прикладная физика, 2000, № 6. С. 45 49.

29. Croset М., Quantitativ analysis of boron profiles in silicon using ion mi-croprobe mass spectrometry. J. Radioanal. Chem., 1972, 12, № 1. P. 69 — 75.

30. Wittmaack K. High-sensitivity depth profiling of arsenic and phosphorus in silicon by means of SIMS. Applied Physics Letters, 1976, Volume 29, Issue 9. P. 552 - 554.

31. Hofer W. O., Liebl H., Ross G., Staudenmaier G. An electronic aperture for in-depth analysis of solid with an ion microprobe. International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics, 1976, Volume 19, Issue 3, pp. 327324.

32. Dawson P. H. Quadrupoles for secondary ion mass spectrometry. Int. J. Mass Spectrom. And Ion Phys., 1975. Vol. 17. P. 447 - 467.

33. Слабоденюк Г. И. Квадрупольные масс-спектрометры.-М.: Атомиз-дат, 1975,-272 с.

34. Liebl Н. Ion microprobe mass analiyzer. // Journal of Applied Physics, 1967, V. 38, Issue 13, P. 5277 5283.

35. Методики валового и послойного анализа непроводящих проб на масс-спектрометрах типа «Мини-ВИМС». Москва, ГЕОХИ АН СССР, 1987.45 с.

36. Масс-спектрометр МС-7201. Техническое описание ЦФ 1.560.015.ТО. Сумы: ПО Электрон. 1983.

37. Кармоков А. М., Шебзухов А. А. Методическая разработка «Методы диагностики материалов и изделий электронной техники с помощью ионного пучка». Нальчик: Изд. КБГУ, 1992. - 86 с.

38. Paul W., Zahn U. von, Zs. Physic, 1958, 152. P. 143.

39. Система напуска автоматическая CHA-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЦФ2.950.084.РЭ. Сумы: ПО Электрон. 1983.

40. Молоканов О. А., Кармоков А. М. Некоторые изменения в электронных схемах масс-спектрометра МС-7201. / Вторичная ионная и ионнофотонная эмиссия. Тезисы докладов VI-го Всесоюзного семинара 29 -31 октября 1991 г. Харьков 1991. С. 247 - 249.

41. Афицинский А. Д., Кармоков, Молоканов О. А. Устройство стабилизации тока первичных ионов на образец для вторично-ионного масс-спектрометра МС-7201. Удостоверение на рационализаторское предложение КБГУ № 73 от 4 декабря 1986 г.

42. Черепин В. Т., Васильев М. А. Вторичная ионно-ионная эмиссия металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1975. - 240 с.

43. Werner Н. W., Morgan А. Е, J. Journal of Applied Physics, 1976, Volume 47, Issue 4 P. 1232-1242.

44. Goff R. F.: Ion Scattering Spectrometer With Neutralization. Патент США US3665185, опубл. 1975.

45. Багров Н. Н., Гусляков А. А., Пилипенко А. П., Фурманский А. Г., Янов А. Е. Расширение диапазона масс однополярного масс-спектрометра. Приборы и техника эксперимента, 1970, № 4. С. 237 -238.

46. Benninghoven A., Mueller A., Physics Letters А. 1972, Volume 40, Issue 2. P. 169- 170.

47. Benninghoven A., Miiller A., Investigation of surface oxidation of metals in the sub-monolayer and monolayer range with the static method of secondary ion mass spectrometry. Thin Solid Films, 1972, 12, № 2. P. 439 -442.

48. Hofer W. O., Liebl H. / Appl. Phys. 1975. Vol. 8. P. 359.

49. Гуревич Ю. Я. Твердые электролиты. М.: Наука, 1986. - 176 с.

50. Полупроводниковые и твердоэлектролитные сенсоры. / П. М. Талан-чук, Б. П. Шматко, JI. С. Заика, О. Ю. Цветкова. Киев.: Техника, 1992.-224 с.

51. Афицинский А. Л., Кармоков, Молоканов О. А. Устройство для напуска кислорода в источник ионов масс-спектрометра МС-7201 на основе твердотельной электролитической ячейки. Удостоверение на рационализаторское предложение КБГУ № 72 от 4 декабря 1986 г.

52. Бородин О. М., Гиммельфарб Ф. А., Орлов П. Б. и др. // ЖАХ. -1986, т. 41, - №12. - С. 2164 - 2174.

53. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей / А. Ф. Буренков. Ф. Ф. Комаров, М. А. Кумахов, М. М. Темкмн. Минск.: Изд-во БГУ, 1980. - 352 с.

54. Шауцуков А. Г., Журтов 3. М., Кармоков А. М., Шухостанов А. К. Оже-анализ концентрационных профилей имплантированных слоев кремния. / Тезисы 1-ой подотраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Нальчик, 1985. - С. 71.

55. Fuller С. S., Ditzenberger J. А. Diffusion of Donor and Acceptor Elements in Silicon. Journal of Applied Physics, 1956, Volume 27, Issue 5. P. 544-553.

56. NeubergerM., Group IV Semiconducting Materials, Handbook of Electronic Materials. Vol. 5 (IFI/Plenum, New York, 1971).

57. Болтакс Б. И. Процессы диффузии в полупроводниках и деградация полупроводниковых структур. Л.: Наука. 1982.

58. Mizuo С., Higuchi Н. Effects of Oxidation on Aluminium diffusion in Silicon. / Jap. J. Appl. Phys., 1982, Vol. 21, Part. 1, № 1. p. 56 60.

59. Альтудов Ю. К., Быковский А., Неволин H. Малогабаритная установка для прямого легирования с лазерным источником. // ЖТФ, 1980, т. 40, № 1. С. 173- 179.

60. Ortiz Ch., Grob J. J., Mathiot D., Claverie A., Dubois Ch., Jurisia R. Thermal Redistribution of A1 implanted in Si: evidences for interactions with extended defects. Nuclear Instruments and Methods in Physics. 1998, Res. 147. P. 122.

61. Magee C. W., Harrington W L., and Honig R. E. Secondary ion quadrupole mass spectrometer for depth profiling design and performance evaluation. Review of Scientific Instruments. 1978. Vol. 49 (4). P. 477 - 485.

62. Bruel М.; Spinelli P. Process for doping semiconductors. European Patent EP067090A1, 1982, EP067090B1, 1985

63. Шухостанов А. К., Шауцуков А. Г., Кармоков A. M., Кожокова Ф. M., Молоканов О. А., Шебзухов А. А. Исследование распределения бора ич атомов отдачи алюминия, одновременно имплантируемых в кремний.

64. Физико-химия межфазных явлений. Сборник научных трудов. Нальчик, 1986. - С. 131-136.

65. Шухостанов А. К. Лавинно-пролетные диоды: физика, технология, применение. М.: радио и связь, 1997. - 208 с.

66. Шухостанов А. К., Шауцуков А. Г., Кармоков А. М., Кожокова Ф. М., Молоканов О. А. Исследование профилей распределения примесей ви р+-р-слоях двухпролетных лавинно-пролетных диодов методом

67. ВИМС. // Электронная техника. Серия 2, полупроводниковые приборы,- 1989,-в. 2.-С. 57-60.

68. Шухостанов А. К., Ахметов Т. X., Волков С. И., Шекихачев А. М. Кремниевые лавинно-пролетные диоды миллиметрового диапазона (конструкция, технология, надежность).Обзоры по электронной технике. Серия 2. Полупроводниковые приборы. 1990, выпуск 5. С. 59.

69. Шауцуков А. Г., Дружинин А. В., Шухостанов А. К., Аталиков С. Ч. Автоматизированное проектирование многократной имплантации длясоздания р-областей двухпролетных ЛПД. // Электронная промышленность. М., ЦНИИ. - 1990. - В. 2. - С. 26 - 27.

70. Заводинский В. Г., Куянов И. А. Влияние примеси в приграничном слое кремния на величину барьера Шоттки в эпитаксиальной системе Al/tf-Si. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронныеисследования. 1996, - № 11. - С. 51 - 55.

71. Horiuchi Masatada, Yamaguchi Ken. SOLID: high-voltage, high-gain 300 nm channel-length MOSFETs-1. Simulation.// Solid-State Elektron. -1985. 28, - № 5. P. - 465 - 472.

72. Васильев C.B., Герасименко H.H. Поведение примеси в процессе формирования силицидов металлов. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1986. -№7. -С. 57- 62.

73. Мьюрарка Ш. Силициды для СБИС. М.: Мир. -1986. -176 с.

74. Кармоков А. М., Кожокова Ф. М., Молоканов О. А. Исследование сегрегации легирующих примесей на межфазной границе кремний металл. // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1996,-№ 2. С. 81 -84.

75. Островский И. В., Надточий А. Б., Подолян А. А. Стимулированное ультразвуком низкотемпературное перераспределение примесей в кремнии. // Физика и техника полупроводников, 2002. Том 36, вып. 4.-С. 389-391.

76. Zhang S.-L. Self-aligned silicides for Ohmic contacts in complementary metal-oxide-semiconductor technology: TiSi2, CoSi2, and NiSi. Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films-July 2004 Volume 22, Issue 4. P. 1361 - 1370.

77. Кожокова Ф.М., Кармоков A.M. Перераспределение ионов бора и фосфора на границе металл- кремний. // Тезисы докладов и сообщений республиканской конференции молодых ученых. 1988. - С. 23.

78. Kogokova F. М., Karmokov А. М., Matveev G. N. The diagnostic of semiconductor structures by ion beams. / The 4-th АН-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Moscow. 1990. P. 20.

79. Кожокова Ф. M., Кармоков A. M. Исследование сегрегации легирующей примеси на межфазных границах кремний силицид - металл. / Вторичная ионная и ионо-фотонная эмиссия. Тезисы докладов VI

80. Всесоюзного семинара 29-31 октября 1991г. Харьков 1991.-С. 148- 149.

81. Кармоков А. М., Кожокова Ф. М., Молоканов О. А., Влияние процесса силицидообразования и перераспределения примеси бора в системах Ni — Si и Ti — Si. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1995, -№2-С. 41-44.

82. Кармоков A. M., Молоканов О. А., Кожокова Ф. M. Способ измерения толщины интерметаллического слоя. Патент № 1777667 от 9.07.90 за-регистр. 22.07.92.

83. TsaiM. У., Chao Н. Н., Ephrath L. М., CrowderB. L., Cramer A., Bennett R. S., Lucehese С. A., Wordeman M. R. // Journal of The Electrochemical Society, 1981, 128, p. 2207.

84. Pan P., HsiehN., Gorpel H. J., Slusser G.J. // J. Appl. Phys., 1982, 53, p. 3059.

85. Ostling M., Petersson C. S., Norstrom H., Runove, Buchta R., Wiklund P. The Behavior of Arsenic in TiSi2. / Polyside Layers, ESSDERC, Sept. 1982, Munchen, W. Germany.

86. Фельдман Э. П., Юрченко В. Н. Кинетика сегрегации примесей на поверхностях раздела в твердых телах. // Поверхность. Физика, химия, механика. 1990, -№12. - С. 138.

87. Fair R. В., Concentration Profiles of Diffused Dopands in Silicon, Wang F. F. Y. (ed.), Impuring Doping Processes in Silicon, North-Holland, new York, 1981, ch. 7.

88. Примаченко В. Е., Снитко О. В. Физика легированной металлами поверхности полупроводников. Киев: Наукова думка, 1988. - 232 с.

89. Gibbon С. F., Povilonis Е. I., Ketchow D. R., The Effect of Mask Edges on Dopand Diffusion into Semiconductors, J. Electrochem. Soc. 1972, 119. P. 767.

90. Komeda Т., Nishioka Y. Atomic structure of segregated boron on Si (001) surface; scanning tunneling microscopy and cluster model calculation study. Surface Science 1998, 405. P. 38 45.

91. Molokanov О. A., Karmokov А. М., Teshev R. S. Redistribution of dopant impurity of boron on interface Me-Si. Труды XXI-ой Международной научной конференции «Relaxation Phenomena in Solids» RPS-21 (Воронеж, 5-8 октября 2004 г.).

92. Kaloyeros A. E., Eisenbraun E. Ultrathin diffusion barriers/liners for gigas-cale copper metallization. // Annual Review of Materials Science. 2000. Vol. 30. P. 363 -385.

93. Pelleg J., G. Sade. Diffusion barrier properties of amorphous TiB2 for application in Cu metallization. // Journal of Applied Physics. 2002, Vol 91 (9). P. 6099-6104.1. Приложжение!

94. УТВЕРЖДАЮ Генеральный директоро внедрении результатов научно^яшШовательской работы по темам: "Факт-174/175". "факт-161". "Факт-374/375".

95. Организация-разработчик: Кабардино-Балкарский госуниверситет. 1.1. Подразделение-разработчик:лафедра физических основ микроэлек

96. Представленные материалы: Исследование методом ВИМС скорости роста силицидных слоев переходных металлов (Pt, Mo. W, Cr,

97. Организация, внедряющая результаты НИР: ОАО СКБ "Элькор".

98. Предмет внедрения: Технология контроля кинетики образования сили-цидной фазы при формировании диодов Шоттки на быстродействующих интегральных схемах серий 1531иКР1531.

99. Экономический эффект: 500 тыс. руб.

100. Сроки внедрения: плановый 1992 г.: фактический1992 г.

101. Работники, принимающие участие во внедрении: от организации разработчика: Кармоков А. М, Молоканов О. А.;от организации, внедряющей результаты НИР: главный инженер ОАО СКБ "Элькор", доктор тех, наук, профессор Мустафаев Г. А.1. Нач. отделатроники,

102. Руководитель темы: Кармоков А. М;отв. исполнитель: Молоканов О. А.1. Ti N1).1. ОАО СКБ "Элькорit1. Фицев X. X.