WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 8 04;05;11;12 Исследование влияния низкоэнергетичной ионной стимуляции на плотность и кристаллическую структуру тонких пленок © В.В. Наумов, В.Ф. Бочкарев, О.С. Трушин, А.А. Горячев, Э.Г. Хасанов, А.А. Лебедев, А.С. Куницын Институт микроэлектроники и информатики РАН, 150007 Ярославль, Россия e-mail: mrsan@mail.ru (Поcтупило в Редакцию 29 августа 2000 г.) Исследовано влияние низкоэнергетической ионной бомбардировки на рост тонких пленок, получаемых плазменным распылением при низких температурах подложки. Получены зависимости толщины, плотности, параметров кристаллической структуры и электропроводности пленок от напряжения смещения на подложке в процессе их роста в условиях высокочастотного (ВЧ) распыления. При смещении от 0 до -30 V пленки никеля Ni формировались поликристаллическими, при более высоком смещении — с аксиальной текстурой (111). При смещении -60 V получены пленки Ni с плотностью, близкой к плотности массивного образца, и максимальным кристаллическим упорядочением. При дальнейшем увеличении смещения плотность пленок уменьшалась в результате врастания атомов аргона и остаточных газов. Аналогичная зависимость плотности от смещения наблюдалась и для аморфных пленок бинарных сплавов d- f -металлов.

Максимальную плотность в этом случае имели пленки, полученные при смещении -40 V.

В последние годы наметился значительный интерес к и роста [6,12,13]. Таким образом, ионная стимуляция проблеме стимулированного низкотемпературного упо- позволяет управлять процессами роста пленок и полурядоченного роста пленок. При этом используются раз- чать их с необходимыми параметрами, что важно для личные виды воздействия на растущую пленку: элек- практических применений. В настоящей работе предтромагнитные [1,2] и корпускулярные [3–13]. Стиму- ставлено исследование зависимости рентгеновской плотляция ориентированного роста пленок путем ионной ности, кристаллической структуры, микронапряжений и бомбардировки является весьма перпективной по ряду электропроводности пленок никеля и сплава гадолипараметров: высокая локализация воздействия в приний–кобальт от смещения на подложке в процессе их поверхностном слое, широкие пределы варьирования роста.

энергии и направления воздействия. Интерес к таким Пленки чистого никеля напыляли ВЧ (13,56 MHz) исследованиям обусловлен тем, что при изменении падиодным распылением в атмосфере аргона при давлераметров ионной бомбардировки происходят изменения нии 1 Pa. Мощность и напряжение постоянной состав структуре и свойствах пленок. Например, в работе [3] вляющей смещения на мишени диаметром 100 mm были продемонстрировано снижение температуры эпитаксии соответственно 300 W и 1600 V. В качестве подложек пленок кремния Si на подложках Si при использовании использовались пластины ситалла (СТ 50 1–10.6) разменизкоэнергетичной ионной бомбардировки. Авторы раром 48 60 mm. Расстояние между мишенью и подботы [4] использовали ионную стимуляцию для формиложкой было 100 mm. В процессе напыления подложка рования омических контактов с улучшенными характериохлаждалась водой. На нее подавалось ВЧ напряжение стиками. Нашел широкое применение метод получения той же частоты, что и на мишень. Была изготовлена пленок ионно-плазменным распылением совместно с серия образцов пленок при напряжении смещения на бомбардировкой ионным пучком под углом к поверхноподложке от 0 до -180 V (постоянная составляющая).

сти (ion beam assisted deposition, IBAD) [5–7]. Основным Время напыления для всех образцов было одинаковое — преимуществом этого метода является формирование 30 min.

двухосевой текстуры независимо от материала и свойств Для измерения плотности сравнительно толстых плеподложки. В случае подачи на подложку отрицательного нок вполне пригоден метод гравиметрии. С использопотенциала реализуется метод напыления со смещеванием наиболее распространенных весов II класса он нием [8–13]. Показано, что данным методом можно позволяет определять плотность пленки металла, наполучать пленки более высокой чистоты [8], изменять элементный состав пленок при распылении многоком- пример, толщиной 30 nm и площадью образца 5 cm2 с понентных мишеней [9,10], изменять микронапряже- точностью 0.35 g/cm3. Для измерения плотности более тонких пленок метод гравиметрии непригоден. Поэтому ния в пленках [8,11,12] и кристаллическую структуру пленок [3,5–13]. Многими авторами отмечается, что нами использовалась методика относительного опредеосновное влияние ионной бомбардировки на свойста ления плотности с помощью рентгено-флуоресцентного пленок осуществляется на ранних стадиях их зарождения анализа.

Исследование влияния низкоэнергетичной ионной стимуляции на плотность и кристаллическую... Аналитический сигнал рентгеновской флуоресценции Ii для тонкой пленки пропорционален h, где — плотность, h — толщина пленки. При этом используется условие тонкого слоя µh < 0.1, где µ — коэффициент поглощения [14]. Это условие выполняется для пленок Ni толщиной менее 1000 nm. Рентгено-флуоресцентный сигнал от пленки в этом диапазоне толщин пропорционален ее массе и имеет достаточную для анализа интенсивность даже для сверхтонких пленок толщиной около 10 nm. Поэтому такой метод может быть использован для определения плотности пленок в диапазоне малых толщин [15]. Калибровка сигнала осуществляРис. 1. Зависимость плотности и толщины пленок Ni от налась следующим образом. Эталонный образец подвергалпряжения смещения на подложке m — плотность массивного ся рентгено-флуоресцентному анализу. Затем он взвешиникеля.

вался на аналитических весах ВЛР-200 до и после удаления пленки никеля. Толщина пленок измерялась на туннельном микроскопе СТМ-2000. Для этого на пленках методом фотолитографии формировался периодический Для выявления выделенного направления в плоскопрямоугольный профиль. В качестве травителя использости подложки снималась полюсная фигура (200) [18].

валась смесь 2 H2SO4 + 5HNO3 + 5CH3COOH + 3H2O.

Наличие на полюсной фигуре (200) кольца при угле Плотность пленок определялась из измерений по фор = 54.7 свидетельствует о том, что текстура пленок муле i = Ii · m0/(I0S0h), где m0 — масса эталонной аксиальная (рис. 3). Ось текстуры 111 перпендикупленки, S0 — ее площадь, I0 — интенсивность ее лярна поверхности подложки. На рис. 4 и 5 представлерентгено-флуоресцентного сигнала, Ii —интенсивность ны зависимости интенсивности рефлекса (111), привесигнала исследуемых пленок. Относительная ошибка денного к толщине пленок, межплоскостного расстоявеличины определялась по [16]. Основной вклад в ния d(222), размера когерентно рассеивающих блоков и погрешность величины плотности вносила погрешность микронапряжений от напряжения смещения на подложке измерения полщины пленок (6m). Максимальная сумв процессе роста пленок. Видно, что зависимость степени марная относительная ошибка определения плотности кристалличности (интенсивности рефлекса) пленок Ni составила 3.8% для пленки, напыленной при смещеот смещения на подложке аналогична зависимости плотнии -180 V. Для уменьшения погрешности измерения ности. Однако есть два существенных момента, которые толщины необходимо использовать подложки с меньшей необходимо отметить.

шероховатостью.

Во-первых, максимум интенсивности рефлекса (111), Зависимость толщины и плотности пленок от напряжекоторый свидетельствует о наибольшем содержании криния смещения на подложке относительно корпуса устасталлической фазы в пленке, наблюдается при смещеновки представлена на рис. 1. Плотность массивного нинии -90 V. Кроме того, кривые качания возле рефлеккеля 8.91 g/cm3 [17]. Максимальная же плотность пленки са (111) имеют минимум полуширины при напряжении 8.9 ± 0.7g/cm3 была получена при смещении -60 V.

смещения -90 V (10), т. е. при данном напряжении Толщина пленок, полученных при малых напряжениях смещения разориентация зерен от оси текстуры была смещения, с ростом смещения уменьшается незначиминимальна и составляла 5. Однако наилучшее качетельно. Это можно объяснить преобладанием процесса ство кристаллической структуры наблюдается у пленок, уплотнонеия пленки. По мере увеличения напряжения полученных при смещении не -90, а -60 V. Об этом свисмещения на подложке толщина пленок уменьшается за детельствуют минимум микронапряжений и максимум счет усиления процесса реиспарения. При этом уменьшаразмера блоков в данных пленках.

ется и плотность пленок, что объясняется ”врастанием” Во-вторых, межплоскостные расстояния d(222) во всех атомов аргона и остаточных газов в пленку.

пленках меньше, чем в массивном образце (0.1017 nm), Исследования кристаллической структуры пленок кристаллическая структура которого анализировалась были проведены на рентгеновском дифрактометре в тех же условиях. Межплоскостное расстояние d(200) ДРОН-3М. Использовалось излучение FeK с длиной пленки, полученной при смещении -60 V, и массивного волны 0.1938 nm. Пленки Ni, полученные при смещеобразца были одинаковы. Так как пленка имеет аксиальнии 0 и -30 V, оказались поликристаллическими. Об ную текстуру (111), то d(200) для нее определялось при этом свидетельствует наличие на дифрактограммах ценаклоне образца 54.7. Рассчитанная по межплоскостлого ряда рефлексов (111), (200) и др. (рис. 2, кривая 1).

При всех остальных значениях смещения пленки обла- ному расстоянию d(222) = 0.1016 nm плотность пленки дают текстурой (111), так как на дифрактограммах нет составила 8.9 ± 0.1g/cm3, что несколько больше, чем ведругих рефлексов, кроме (111) и (222) (рис. 2, кривая 2). личина, полученная из измерения плотности вышепредЖурнал технической физики, 2001, том 71, вып. 94 В.В. Наумов, В.Ф. Бочкарев, О.С. Трушин, А.А. Горячев, Э.Г. Хасанов, А.А. Лебедев...

Рис. 2. Дифрактограммы пленок Ni. Смещение на подложке: 1 —0, 2 — -90.

ставленным методом. Это различие можно объяснить мишени возрастает обратный поток атомов. В предстаразупорядочением на межзеренных границах. вленном эксперименте ионная бомбардировка подложки является своеобразной альтернативой тепловому воздейВажной характеристикой качества структуры пленок ствию. Однако между термическим нагревом подложки и служит удельное сопротивление. Оно вычислялось с использованием данных измерений поверхностного со- ионной стимуляцией ее в процессе роста пленки есть супротивления и толщины. Зависимость удельного сопро- щественное различие. В случае нагрева подложки по метивления пленок Ni от смещения на подложке предста- ре увеличения ее температуры улучшение атомного уповлена на рис. 6. рядочения в пленках обусловлено тем, что процесс роста становится все более равновесным. Увеличивается время Удельное сопротивление массивного никеля миграции адатомов по поверхности растущей пленки.

6.14 · 10-6 · cm [17]. Видно, что сопротивление падает Эпитаксиальный рост является полностью равновесным с увеличением смещения в области малых напряжений смещения и достигает минимума около -40 V. Сравнивая этот результат с результатами исследования структуры, можно предположить, что, хотя структура отдельных кристаллитов более совершенна у пленок, полученных при большем смещении (-60 - V), дефектность --межзеренного пространства становится значительной при меньших величинах смещения.

Зависимость представленных выше величин от смещения на подложке в процессе роста пленок можно объяснить следующим образом. В общем случае процесс роста пленки условно можно разбить на две конкурирующих составляющие. Первая — это массоперенос (как на подложку, так и от нее), вторая — атомное упорядочение растущей пленки, или образование того или иного ее кристаллического состояния. Обе они чувствительны к изменениям физического состояния подложки (или же подложки с растущей на ней пленкой). Так, при напылении пленок без использования ионной стимуляции увеличение температуры подложки приводит, как правило, к улучшению упорядочения в пленках. Вместе с тем из-за увеличения амплитуды тепловых колебаний атомов подложки возрастает и реиспарение пленки, т. е. при том Рис. 3. Полюсная фигура (200) пленки Ni. Смещение на же падающем на подложку потоке атомов материала подложке в процессе роста — 60 V.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Исследование влияния низкоэнергетичной ионной стимуляции на плотность и кристаллическую... связи атомов примеси с поверхностью мала. Тем самым обеспечиваются более упорядоченный рост и увеличение электропроводности пленок. Преимуществом ионно-стимулированного метода получения пленок является то, что ионное воздействие эффективно только в приповерхностной области подложки, включающей единицы или десятки атомных слоев в зависимости от энергии ионов. Это позволяет наносить высоко упорядоченные плотные пленки на подложки, которые нельзя нагревать по причине деградации их свойств.

Для оценки энергии ионов аргона Ar, бомбардирующих поверхность подложки, можно воспользоваться Рис. 4. Зависимость интенсивности рефлекса (111) никеля, формулой Ei = e|Vp - Vb|, где e — заряд иона, Vb — приведенной к толщине пленок ( ), и межплоскостного распотенциал постоянного смещения на подложке, Vp —постояния d(222) ( ) от смещения на подложке в процессе роста тенциал плазмы. Последний измерялся зондовым метопленок.

дом с использованием цилиндрического зонда Ленгмюра и был равен примерно 15 V для всей серии образцов.

Для оценки плотности потока инов аргона на подложку использовалась формула PAr = W/EAr, где W —плотность потока мощности на подложку, EAr — энергия ионов аргона. Плотность потока атомов от мишени к подложке PNi = h/(mAt), где и h — плотность и толщина пленки, mA — атомная масса Ni, t — время напыления пленки. Соответствующие величины приведены в таблице.

Рис. 5. Зависимость размера когерентно рассеивающих блоков ( ) и микронапряжения ( ) в пленке Ni от напряжения смещения на подложке в процессе их роста.

и происходит в большинстве случаев при температуре подложки, равной 2/3 температуры плавления материала пленки [19]. При этом должен осуществляться баланс между скоростью поступления материала на подложку, скоростью реиспарения и временем миграции адатомов.

При низких температурах, когда подложка принудительРис. 6. Зависимость удельного сопротивления пленок Ni от но охлаждается, процесс роста пленок является сущесмещения на подложке.

ственно неравновесным главным образом из-за малого времени миграции адатомов. Однако время миграции можно увеличить низкоэнергетичной бомбардировкой ионами инертного газа поверхности растущей пленки.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.