WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 10 02;04;06;10;11 Изменение фазового состава и электрофизических свойств контакта титан-кремний при облучении азотводородной плазмой © А.М. Чапланов, Е.Н. Щербакова Институт электроники АН Белоруссии, 220841 Минск, Белоруссия E-mail: chap@inel.bas-net.by (Поступило в Редакцию 22 июня 1999 г. В окончательной редакции 3 ферраля 2000 г.) Методами электронографии и электронной оже-спектроскопии исследованы фазовые превращения в системе титан-кремний при обработке в азотводородной плазме. Определены оптимальные режимы формирования тонких пленок TiN на кремнии. Показано, что имеют место уменьшение высоты барьера Шоттки и увеличение практически на порядок пробивного напряжения контактов, обработанных азотводородной плазмой, по сравнению с исходными образцами. Установлены зависимости электрофизических свойств контактов от параметров обработки азотводородной плазмой.

Одной из характерных особенностей развития техно- Исследования, проведенные методами электроногралогии производства интегральных схем с субмикронны- фии, показали, что осажденные пленки титана являми размерами элементов является расширение области лись поликристаллическими, мелкодисперсными и имели применения низкотепературной газоразрядной (в том средний размер зерна 5-10 nm. Для изучения зависичисле химически активной) плазмы низкого давления. мости фазовых превращений в системе титан-кремний Особый интерес представляет обработка тонкопленоч- от температуры облучения была проведена обработка ных систем азотосодержащей плазмой с целью фор- с постоянной дозой NS = 1.5 · 1019 cm-2. Из расчета мирования барьерного слоя нитрида, в частности TiN.

полученных электронограмм следует, что при облучении Как показывают многочисленные исследования [1–3], системы Ti–Si азотводородной плазмой при температуре нитрид титана удовлетворяет необходимым требованиям 500C на ее поверхности происходит формирование для применения в качестве контактно-барьерных слоев к TiN и Ti2N. При увеличении температуры обработки активным элементам интегральных схем как при исполь- до 600C нитрид с малым содержанием азота исчезает, зовании традиционной алюминиевой металлизации, так и на кремнии образуется пленка золотистого цвета, и при переходе к металлизации на основе меди.

полностью состоящая из TiN. Дальнейшее увеличение В настоящей работе методами электронографии с температуры облучения до 700C не изменяет фазового помощью электронографа ЭМР-102 и электронной состава поверхности системы Ti–Si. Результаты расшифоже-спектроскопии на сканирующем оже-спектрометре ровки электронограмм приведены в табл. 1.

PHI-660 исследовались фазовые превращения в системе Для исследования закономерностей изменения фазоTi–Si при облучении азотводородной плазмой. Электрового состава системы Ti–Si в зависимости от дозы ионов физические параметры контакта Ti–Si в зависимости проводили облучение пленок при постоянной темпераот условий плазменной обработки определялись путем туре (600C) в течение 3, 10 и 30 min. После обработки измерения вольт-амперных характеристик и расчетов пленок титана с NS = 3 · 1018 cm-2 на электронограммах по методам, описанным в [4,5]. Поликристаллические полностью исчезают дифракционные кольца, принадлепленки титана толщиной 100 nm наносили на кремний жащие Ti, и они состоят из колец, указывающих на p-типа ориентации (111) методом электронно-лучевого присутствие нитрида титана TiN. Дальнейший рост дозы осаждения, полученные контакты Ti–Si облучали плазоблучения до 1.5 · 1019 и 5 · 1019 cm-2 не оказывает мой дугового разряда, содержащей ионы азота и водовлияния на фазовый состав поверхности системы Ti–Si.

рода. Температура образца составляла 500, 600, 700C Таким образом, обработка контакта титан–кремний азотв зависимости от тока катода, давление азотводордной водородной плазмой при температуре 600C приводит смеси поддерживалось на уровне 5–6 Pa. Содержание к образованию на его поверхности нитрида титана TiN водорода составляло 5% [6]. Для определения ионного независимо от дозы облучения.

тока использовался зонд Ленгмюра, плотность тока иоДля определения профилей распределения элементов нов составляла JI = 4.0±0.2mA/cm2. Доза облучения NS по глубине были проведены исследования методом ожерассчитывалась по формуле [7] спектроскопии в комбинации с распылением материала ионами аргона. Установлено, что исходные пленки тиNS = JI · t/q, тана содержат на поверхности значительное количество где t — время облучения, q — заряд иона, и варьирова- примесей кислорода ( 55%) и углерода ( 15%). Это лась в пределах 5 · 1018 - 5 · 1019 cm-2 путем изменения обусловлено адсорбцией остаточных газов при осаждевремени обработки в пределах 3-30 min. нии пленки в силу геттерных свойств титана. На глубине Изменение фазового состава и электрофизических свойств контакта титан-кремний при облучении... Таблица 1. Изменение фазового состава поверхности системы Ti–Si при облучении азотводородной плазмой dexp, dtheor, До обра- Температура hkl nm nm ботки при облучении, C 500 600 0.260 0.259 101 – Ti2N – – 0.258 0.256 010 Ti – – – 0.245 0.247 200 – Ti2N – – 0.243 0.244 111 – – TiN TiN 0.226 0.229 111 – Ti2N – – 0.222 0.224 011 Ti – – – 0.210 0.212 200 – TiN TiN TiN 0.178 0.179 211 – Ti2N – – 0.152 0.151 002 – Ti2N – – 0.148 0.1496 220 – TiN TiN TiN 0.131 0.133 103 Ti – – – 0.127 0.1277 311 – TiN TiN TiN 0.126 0.125 213 – Ti2N – – 0.122 0.1233 201 Ti – – – 0.120 0.122 222 – TiN TiN TiN 0.094 0.0946 211 Ti – – – 0.092 0.094 420 – TiN TiN TiN 30 nm углерод в пленках отсутствует, количество кислорода значительно уменьшается и становится равным 5% по всей толщине пленки (см. рисунок, a). На границе раздела Ti/Si концентрация кислорода незначительно возрастает, что свидетельствует о наличии на кремнии оксидного слоя, и присутствует 8% углерода.

После облучения при T = 500C на поверхности пленки значительно уменьшается количество кислорода и углерода по сравнению с исходным образцом, что обусловлено, по-видимому, распыляющим действием ионов плазмы и нейтрализацией кислорода ионами водорода. Кислород активно диффундирует с поверхности пленки в глубину, его концентрация достигает максимального значения на глубине 60 nm (см. рисунок, b). Кроме того, наблюдается диффузия кремния из подложки в пленку титана, обусловленная температурным воздействием плазмы. Концентрация кремния составляет 5-10%, что, согласно диаграмме состояния, недостаточно для образования соединения между Ti и Si.

Концентрация азота, диффундирующего в пленку титана из плазмы, линейно уменьшается по глубине пленки, составляя 55% на поверхности титана, и достигает минимального значения на границе раздела Ti/Si. На глубине 10-15 nm концентрации азота и титана становятся равными, что свидетельствует о присутствии в системе нитрида титана TiN. Ближе к границе раздела количество азота уменьшается до значений, соответствующих количественному содержанию в нитриде титана Ti2N. В результате термического воздействия плазмы Оже-спектры системы Ti–Si. a —исходный образец; b, c — титан диффундирует в кремниевую подложку до глубины после облучения азотводородной плазмой при температуре 120 nm, его количество соответствует содержанию ти- и 600C соответственно. t — время распыления материала ионами аргона, AC — содержание элемента.

тана в стехиометрическом соединении TiSi2. На большей Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 104 А.М. Чапланов, Е.Н. Щербакова Таблица 2. Изменение электрофизических параметров контакта Ti–Si при облучении азотводородной плазмой NS = 1.5 · 1019 cm-2 600C Параметр Исходный образец 500C 600C 700C 5.0 · 1018 cm-2 1.5 · 1019 cm-2 5.0 · 1019 cm-b, eV 0.62 0.60 0.60 0.59 0.60 0.60 0.U, V 8 50 70 90 55 70 Примечание. b — высота Шоттки, U — напряжение пробоя.

глубине происходит уменьшение концентрации титана термическим воздействием плазмы. Для определения до нуля на глубине 250-300 nm. изменения фазового состава по глубине были проведены Несколько иная картина распределения элементов на- дополнительные исследования системы Ti/Si методами блюдается после облучения системы Ti–Si при темпера- электронографии после стравливания поверхностного туре 600C. Концентрация азота остается постоянной до слоя толщиной 100-150 nm. Расшифровка электроноглубины 50 nm и составляет 50% (см. рисунок, c). грамм, полученных после стравливания поверхностного Соотношение концентраций Ti/N соответствует нитриду слоя от образцов, обработанных азотводородной плазмой титана TiN с избыточным содержанием азота в пределах при NS = 1.5 · 1019 cm-2 и температурах 600 и 700C, интервала гомогенности. Это свидетельствует о том, что показала, что на границе раздела Ti–Si образуется дисипленки титана при данном режиме обработки полно- лицид титана модификации C-54.

стью переходят в нитрид титана. Концентрация титана в В результате исследования методами оже-электронной кремниевой подложке несколько увеличивается по срав- спектроскопии было установлено, что образующаяся нению с образцами, облученными при T = 500C, что на поверхности системы Ti–Si пленка нитрида титаобусловлено ростом скорости диффузии с повышением на является надежным диффузионным барьером для температуры. Распределение кремния не изменяется, его атомов кремния. Как следует из рисунка, b, c, область диффузия в металлическую пленку по-прежнему остает- формирования дисилицида титана распространяется от ся незначительной. Концентрации кислорода и углерода границы раздела в кремниевую подолжку на глубину достигают максимума на поверхности и на границе 120-140 nm. Образования силицидов на поверхности раздела (15%) и составляют 5% по глубине пленки. контакта, как это обычно имеет место при нагреваУменьшение суммарной концентрации кислорода в си- нии до температур 500-700C [8,9], не наблюдается.

стемы Ti–Si по сравнению с образцами, обработанны- Таким образом, при обработке системы титан-кремний ми плазмой при температуре 500C, обусловлено, по- азотводородной плазмой преобладающим диффузантом видимому, активным взаимодействием при T > 600C является титан, который проникает в подложку на знакислорода, адсорбированного поверхностью пленки ти- чительную глубину и в результате высокотемпературной тана с ионами водорода из плазмы и его последующим реакции, стимулированной термическим воздействием удалением с поверхности растущего нитрида титана. плазмы, образует с кремнием дисилицид титана C-54.

Наличие скачка распределений кислорода и углерода на Фазовые превращения, происходящие в системе Ti–Si, границе раздела Ti–Si связано с ее геттерными свойства- приводят к изменению электрофизических параметми и обусловлено также присутствием максимальных ров контакта. Вольт-амперная характеристика исходных концентраций данных элементов на границе раздела в образцов имела несимметричную форму, напряжение исходных композициях. При увеличении температуры пробоя составляло 8 V. После обработки азотводородной облучения до 700C распределения элементов суще- плазмой с NS = 1.5 · 1019 cm-2 пробивное напряжение ственно не изменяются, за исключением концентрации значительно возрастает и составляет 50, 70 и 90 V азота, которая несколько возрастает на поверхности и при температурах облучения 500, 600 и 700C соотстановится менее равномерной по глубине. ветственно (табл. 2). Увеличение пробивного напряРезультаты исследований, проведенные методами оже- жения наблюдается также после обработки контактов электронной спектроскопии, согласуются с данными, по- при постоянной температуре 600C и дозах облучелученными с использованием электронографии. В целом ния 5 · 1018 - 5 · 1019 cm-2. Рост напряжения пробоя изменение фазового состава системы титан–кремний при контактов при обработке азотводородной плазмой, пооблучении азотводородной плазмой в зависимости от видимому, обусловлен фазовыми превращениями, протемпературы происходит по следующей схеме: исходящими на границе раздела титан–кремний, что существенно изменяет электронную структуру границы 500C 600-700C раздела.

Ti/Si --- TiN + Ti2N/TiSi2/Si ------ TiN/TiSi2/Si.

Наряду с изменением пробивного напряжения претерОбразование на границе раздела Ti/Si дисилицида тита- певали также изменение прямые ветви вольт-амперных на происходит вследствие высокотемпературной реакции характеристик, что отражалось на величинах высоты взаимодействия металла и кремния, стимулированной барьера Шоттки b. Как показали проведенные расЖурнал технической физики, 2000, том 70, вып. Изменение фазового состава и электрофизических свойств контакта титан-кремний при облучении... четы, высота барьера уменьшается с 0.62 eV у исходных контактов до 0.58-0.60 eV у контактов Ti/Si, облученных азотводородной плазмой. Это вызвано, повидимому, формированием на границе раздела металл– полупроводник TiSi2, что приводит к изменению плотности поверхности поверхностных состояний.

В целом проведенные исследования показали, что обработка системы Ti–Si азотводородной плазмой позволяет формировать на кремнии пленки нитрида титана и приводит к образованию на границе раздела дисилицида титана C-54. Установлено, что данные фазовые превращения обусловливают изменение электрофизических характеристик контакта. Наблюдается рост пробивного напряжения и уменьшение высоты барьера Шоттки у контактов Ti–Si, обработанных азотводородной плазмой, по сравнению с исходными контактами. Таким образом, облучение азотводородной плазмой позволяет формировать контактно-барьерные системы на основе нитрида титана и создавать барьеры Шоттки с электрофизическими характеристиками, зависящими от параметров обработки. Преимуществами метода являются высокая локальность подвода энергии и селективность воздействия, а также отсутствие необходимости проведения дополнительного отжига после нанесения нитрида титана традиционными способами. Использование низкотемпературной плазмы дугового разряда позволяет более эффективно, т. е. с меньшими затратами энергии и реагентов формировать тонкие пленки тугоплавких соединеней.

Список литературы [1] Wang Shi-Qing, Raaijmakers Ivo, Burrov Brad J. // J. Appl.

Phys. 1990. Vol. 68. N 10. P. 5176–5187.

[2] Kim Do-Heyoung, Kim Ki-Bum. // Appl. Phys. Lett. 1996.

Vol. 69. N 27. P. 4182–4184.

[3] Olowolafe J.O., Li Jian, Colgan F.G. // Appl. Phys. Lett. 1991.

Vol. 58. N 5. P. 469–471.

[4] Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984.

456 с.

[5] Родерик Э.Х. Контакты металл–полупроводник. М.: Радио и связь, 1982. 208 с.

[6] Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах. М.: Машиностроение, 1979. 224 с.

[7] Тилл У., Лаксон Д. Интегральные схемы: материалы, приборы, изготовление. М.: Мир, 1985. 501 с.

[8] Тонкие пленки. Взаимная диффузия и реакции / Под ред.

Дж. Поута. М.: Мир, 1982. 576 с.

[9] Мьюрарка Ш. Силициды для СБИС. М.: Мир, 1986. 176 с.




© 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.