WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 10 02;04;06;10;11 Структурные и фазовые превращения в тонких пленках титана при облучении азот-водородной плазмой © А.М. Чапланов, Е.Н. Щербакова Институт электроники АН Белоруссии, 220841 Минск, Белоруссия (Поступило в Редакцию 6 мая 1998 г. В окончательной редакции 9 сентября 1998 г.) Исследованы структурные и фазовые превращения в пленках титана при обработке в азот-водородной плазме. Установлены закономерности формирования и роста нитрида титана в зависимости от параметров плазменного облучения. Определено удельное электросопротивление облученных пленок.

В последнее время в тонкопленочной технологии обратное смещение 30 V, что обеспечивало измерение большое внимание уделяется разработе новых и усовер- ионной составляющей тока плазмы [5]. В условиях шенствованию традиционных методов получения пленок эксперимента (P = 5 - 6Pa, Uca = 80 A) плотность тока тугоплавких соединений, что объясняется широким при- ионов составляла Ji = 4.0±0.2mA/cm2. Доза облучения менением данных материалов в микроэлектронике [1]. Ns рассчитывалась по формуле [6] Особый интерес представляют нитриды, что вызвано Ns = Ji · t/q, (1) наличием у них редкого сочетания свойств: высоких твердости и температуры плавления, химической инертгде t — время облучения, q — заряд иона, и варьированости, высокой электро- и теплопроводности. Тонкие лась в пределах 5 · 1018 - 3 · 1019 cm-2 путем изменения пленки нитридов тугоплавких металлов используются времени обработки в пределах 3–20 min. Температура для создания диодов Шоттки с малой высотой потенна поверхности пленок измерялась с помощью хромельциального барьера в быстродействующих интегральных алюмелевой термопары и составляла 400, 500, 550, 600 схемах, для пассивации поверхности алюминия, а также и 700C в зависимости от тока катода.

в качестве барьерных слоев, предотвращающих диффуИсследования, проведенные методами электронной зию Al в Si, в омических константах [2].

микроскопии и электронографии, показали, что осаВ настоящей работе методами просвечивающей элекжденные пленки титана являлись поликристаллическитронной микроскопии и электронографии с помощью ми, мелкодисперсными и имели средний размер зерна электронного микроскопа JEM-100CX и электронографа 15–20 nm (рис. 1, a). Для изучения кинетики формироЭМР-102 проведено исследование структурных и фазовых превращений в пленках титана при обработке в азот- вания нитрида титана в зависимости от температуры проводородной плазме. Дополнительно для определения фа- водили плазменное облучение пленок в течение 10 min при различных температурах. Расчет электронограмм зового состава пленок применяли метод рентгеновской от пленок, облученных азот-водородной плазмой при фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Измерение удельного сопротивления пленок, напыленных на си- температуре 400C (рис. 1, b), свидетельствует о том, талловые подложки и обработанных плазмой, осуще- что период решетки титана увеличился. Это вызвано диффузией и растворением в титане азота, что приводит ствлялось четырехзондовым методом [3].

к образованию -твердого раствора азота в титане, Пленки титана толщиной 100 nm получали методом который обладает большим по сравнению с титаном электронно-лучевого испарения в вакууме 3 · 10-4 Pa на периодом решетки (табл. 1). При увеличении темперасвежесколотые кристаллы NaCl и ситалловые подложки туры до 500C на электронограммах наряду с кольцами, при температуре подложки 373 K. Пленки, напыленные на NaCl, отделялись от подложки и помещались на мо- принадлежащими -твердому раствору азота в титане, либденовые сеточки, композиции титан-ситалловая под- появляются линии, принадлежание нитриду титана с малым содержанием азота Ti2N (рис. 1, c, табл. 1).

ложка подвергались скрайбированию с целью получения размеров 1010 mm для РФЭС исследований и 105mm Дальнейшее увеличение температуры до 550C приводит для измерения удельного сопротивления. Затем пленки к образованию нитрида титана TiN (рис. 1, d). Пленки, титана на молибденовых сеточках и на ситалле подвер- обработанные при данной температуре, состоят из двух гались обработке на установке УРМЗ 279.026 в газовой фаз: TiN и Ti2N. Увеличение температуры до 600Cприплазме дугового разряда. водит к полному перестроению кристаллической решетДавление азот-водородной смеси поддерживалось на ки пленок в кубическую решетку с a = 0.423 ± 0.1nm, уровне 5–6 Pa при исходной степени вакуума в рабочей и дифракционные линии на электронограмме (рис. 1, e) камере 1.33 · 10-2 Pa. Содержание водорода равня- можно интерпретировать как принадлежащие TiN. При лось 5% [4]. Для определения ионного тока плазмы увеличении температуры до 700C вид электронограммы использовался зонд Ленгмюра, на который подавалось не изменяется (рис. 1, f ). В целом изменение фазового Структурные и фазовые превращения в тонких пленках титана при облучении... Рис. 1. Электронограммы пленок титана: a —исходный образец, b–f — после облучения азот-водородной плазмой при 400, 500, 550, 600 и 700C соответственно.

Рис. 2. Электронограммы пленок титана, облученных азот-водородной плазмой при температуре 700C: Ns = 7.5 · 1018 (a), 7.5 · 1018 (b), 1.5 · 1019 (c), 3 · 1019 cm-2 (d).

состава пленок титана в зависимости от температуры состоят из чистого TiN (рис. 2, b). Пленки имеют происходит по следующей схеме: характерный для нитрида титана золотистый цвет. Дальнейший рост дозы облучения до 1.5 · 1019, 2.3 · 1019 и 400C 3 · 1019 cm-2 не оказывает влияния на фазовый состав Ti --- -твердый раствор Ti пленок (рис. 2, c, d). Результаты расшифровки электро500C нограмм сведены в табл. 2. В целом изменение фазо--- -твердый раствор Ti + Ti2N вого состава титана в зависимости от дозы облучения 550C 600-700C при температуре 700C можно представить следующим --- TiN + Ti2N ------ TiN.

образом:

Для изучения закономерностей формирования нитри5·1018 cm-2 7.5·1018-3·1019 cm-дов в зависимости от дозы ионов проводили облуTi ------ TiN, Ti2N - ----------- TiN.

чение пленок при постоянной температуре (700C) в течение 3, 5, 15 и 20 min. После обработки с Как показывают исследования структурных превращеNs = 5 · 1018 cm-2 на электронограммах пленок ти- ний, при увеличении дозы облучения происходит рост тана полностью исчезают дифракционные кольца, при- зерен нитрида титана в результате рекристаллизации.

надлежащие Ti, и электронограмма состоит из колец, После облучения с Ns = 5 · 1018 и 1.5 · 1019 cm-2 их указывающих на присутствие нитридов титана TiN и средний размер составил 40 и 60 nm соответственно.

Ti2N (рис. 2, a). При увеличении дозы облучения до Методом РФЭС были исследованы исходные пленки 7.5 · 1018 cm-2 пленки становятся монофазными, они титана и пленки, обработанные в азот-водородной плазме Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 104 А.М. Чапланов, Е.Н. Щербакова Рис. 3. Рентгеноэлектронные спектры: a —O1s, b —C1s, c —Ti 2p, d —N1s; 1 —исходный образец; 2 — после облучения с Ns = 5 · 1018 cm-2; 3 — после облучения с Ns = 5 · 1018 cm-2 и ионного травления; 4 — после облучения с Ns = 1.5 · 1019 cm-2;

5 — после облучения с Ns = 1.5 · 1019 cm-2 и ионного травления.

при температуре 700C при дозах облучения Ns = 5·1018 азот-водородной плазмой пленок данная величина на и 1.5 · 1019 cm-2. Спектры C 1s, O1s, Ti 2p и N1s были поверхности составляет 468–492 a.u., однако на глубине сняты на поверхности пленок и после стравливания на она возрастает до 700 a.u. Уменьшение содержания глубине 10 nm. кислорода на поверхности облученных пленок объясняСпектры кислорода (рис. 3, a) соответствуют хими- ется, по-видимому, воздействием на поверхностный слой ческому состоянию кислорода в диоксиде титана TiO2 ионов водорода и азота из плазмы, которые выбивают из с энергией связи Ec = 529.6eV в исходной пленке и поверхности пленки титана атомы кислорода. Изменение энергией связи 530.6 и 529.9 eV в пленках, облучен- дозы облучения в пределах 5 · 1018-1.5 · 1019 cm-2 не ных с Ns = 5 · 1018 и 1.5 · 1019 cm-2 соответственно. оказывает существенного влияния на количественное Все эти значения Ec соответствуют величинам энергии содержание кислорода в пленках.

связи для кислорода в TiO2. Интенсивность пиков Im На основании анализа спектров O 1s на поверхности кислорода существенно различается: максимальное зна- и после стравливания можно предположить, что за окичение I = 954 a.u. у исходных пленок, для облученных слительные процессы в пленках титана при плазменном Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Структурные и фазовые превращения в тонких пленках титана при облучении... Рис. 3 (продолжение).

воздействии ответственны атомы кислорода, адсорбиро- тров C 1s в облученных пленках свидетельствует о том, ванные пленкой при осаждении, в то время как кисло- что взаимодействия титана с углеродом не происходит и род, содержащийся в остаточных газах, компенсируется при обработке в азот-водородной плезме он не оказывает присутствием в плазме ионов водорода и не оказывает влияния на фазовый состав пленок.

влияния на фазовый состав пленок.

В РФЭ спектрах Ti 2p (рис. 3, c) для исходных Спектры углерода соответствуют его свободному со- пленок наблюдается пик, соответствующий диоксидностоянию в модификации графита. Интенсивность пиков в му состоянию титана (Ec = 458.5eV). На спектрах облученных пленках уменьшается по сравнению с исход- облученных пленок наряду с ним присутствует пик, ными (рис. 3, b). Существенного различия спектров, сня- соответствующий состоянию титана в нитриде TiN с тых на поверхности и после стравливания, не наблюдает- энергией связи 455.7 ± 0.2 eV. Это еще раз подтверся. Присутствие углерода, равномерно распределенного ждает, что обнаруженная в облученных пленках при по глубине пленки, объясняется его наличием в оста- электронно-микроскопических исследованиях фаза приточных газах при осаждении пленок за счет разложения надлежит именно нитриду титана. Интенсивность дипаров масла диффузионного нососа. Неизменность спек- оксидного пика уменьшается в обработанных пленках Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 106 А.М. Чапланов, Е.Н. Щербакова Таблица 1. Зависимость фазового состава пленок титана, об- титана формируется нитридная фаза с гранецентриролученных азот-водородной плазмой, от температуры обработки ванной кубической решеткой. В облученных и исходных пленках присутствуют связи TiO2, о чем свидетельству Исходные T, C ют РФЭ спектры.

d, nm hkl пленки 400 500 550 700 Исследование процессов образования и роста нитридов тугоплавких металлов при воздействии ионов плаз0.261 010 – Ti – – – – мы показало, что в плазме азота содержится несколько 0.259 101 – – Ti2N Ti2N – – видов ионов N+, N+, N+, N+, однако ответственными за 0.256 010 Ti – – – – – 2 3 процесс образовния нитридов являются ионы атомарного 0.247 200 – – Ti2N Ti2N – – 0.244 111 – – – – TiN TiN азота [4], причем энергия иона, полученного в плазме ду0.229 111 – – – Ti2N – – гового разряда, превосходит в 3000 раз энергию атомов 0.228 011 – Ti Ti – – – азота в диссоциированном аммиаке в условиях обычного 0.224 011 Ti – – – – – азотирования. В целом при облучении азот-водородной 0.212 200 – – – TiN TiN TiN плазмой происходят следующие процессы.

0.179 211 – – Ti2N Ti2N – – Образующиеся в плазме ионы азота и водорода дви0.151 002 – – – Ti2N – – гаются под действием магнитного поля к поверхности 0.1496 220 – – – TiN TiN TiN пленки. Ионы азота активно взаимодействуют с по0.136 103 – Ti Ti – – – верхностью пленки титана и диффундируют в глуби0.133 103 Ti – – – – – ну. Диффузия происходит преимущественно по грани0.1277 311 – – – TiN TiN TiN 0.126 201 – Ti – – – – цам зерен, так как исходная пленка титана является 0.125 213 – – Ti2N Ti2N – – мелкодисперсной. Возникающие в результате диссоци0.1233 201 Ti – – – – – ации молекул ионы и радикалы имеют неспаренный 0.122 222 – – – TiN TiN TiN электрон на внешней электронной оболочке, вследствие 0.099 211 – Ti Ti – – – чего они проявляют высокую химическую активность.

0.0946 211 Ti – – – – – Кроме того, концентрация химически активных частиц 0.094 420 – – – TiN TiN TiN в плазме, а также продуктов их реакции в результате присутствия высокоэнергетических электронов существенно превышает термодинамически равновесную [8].

Таким образом, продиффундировавшие в пленку ионы по сравнению с исходными, но возрастает по глубине, азота (преимущественно атомарного) обладают высокой что подтверждает сделанное нами ранее предположение реакционной способностью. Поэтому при температуоб уменьшении содержания кислорода на поверхности ре 500C диффузия переходит в реакционную диффупленки под действием ионов плазмы.

зию и в пленках начинается формирование нитридной Для пленок, облученных с дозой 5 · 1018 cm-2, интенсивность и площадь пиков несколько уменьшается по глубине. Это свидетельствует о неравномерности Таблица 2. Изменение фазового состава пленок титана роста нитрида титана при данных условиях обработпри обработке в азот-водородной плазме при T = 700C ки. У пленок, подвергнутых плезменному облучению с в зависимости от дозы облучения Ns = 1.5 · 1019 cm-2, различие пиков TiN в спектрах, Доза облучения, cm-снятых с поверхности и после стравливания, несущеd, nm hkl До обработки ственно (рис. 3, c). Таким образом, после облучения 5 · 1018 7.5 · 1018 - 3 · с дозой 1.5 · 1019 cm-2 нитрид титана TiN равномерно 0.259 101 – Ti2N – распределяется по глубине.

0.256 010 Ti – – На спектрах N 1s основной пик соответствует соедине0.247 200 – Ti2N – нию TiN для всех облученных пленок, его интенсивность 0.244 111 – – TiN тем больше, чем выше доза облучения (рис. 3, d).

0.229 111 – Ti2N – Кроме того, на спектрах пленок, обработанных с дозой 0.224 011 Ti – – 0.212 200 – TiN TiN облучения 5·1018 cm-2, снятых на глубине, присутствует 0.179 211 – Ti2N – пик, соответствующий -твердому раствору азота в тита0.151 002 – Ti2N – не. Наличие на спектрах некоторых менее интенсивных 0.1496 220 – TiN TiN пиков объясняется, по-видимому, образованием в незна0.133 – – чительных количествах оксинитридов титана TiN0.54O0.17 0.1277 103 Ti 311 – TiN TiN (Ec = 397.5eV), TiN0.31O0.44 (Ec = 397.7eV) или 0.125 213 – Ti2N – близких к ним [7].

0.1233 201 Ti – – Таким образом, проведенные в комплексе электронно- 0.122 222 – TiN TiN микроскопические и РФЭС исследования подтверждают, 0.0946 211 Ti – – 0.094 420 – TiN TiN что при облучении азот водородной плазмой в пленках Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Структурные и фазовые превращения в тонких пленках титана при облучении... подвижность носителей заряда из-за наличия вакансий в подрешетке азота, которые служат центрами рассеяния.

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.