Электроника 63 Наука Science & Technique техника, № 2, 2013 и У Э Л Е К Т Р О Н И К А УДК 621.315:621.785.3 ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ФОТОННОГО ОТЖИГА НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ И ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ Докт. физ.-мат. наук, доц. МАРКЕВИЧ М. И.1), докт. физ.-мат. наук, проф. ЧАПЛАНОВ А. М.2), канд. физ.-мат. наук ЩЕРБАКОВА Е. Н.2) 1)Белорусский национальный технический университет, 2)Физико-технический институт НАН Беларуси С увеличением плотности тока в сверх- больших интегральных схемах (СБИС) возни- кает проблема межслойных соединений и кон- тактов к активным и пассивным элементам схемы. Использовавшийся ранее алюминий подвержен электромиграции, которая приводит к резкому падению надежности СБИС. В каче- стве замены применяется дисилицид титана (TiSi2), обладающий малым удельным сопро- тивлением [1, 2]. Наряду с TiSi2 перспектив- ным материалом для различных электронных устройств является дисилицид железа –FeSi2. В силу своих электрофизических, оптических и теплофизических свойств он находит примене- ние в солнечных элементах для повышения их коэффициента полезного действия, в источниках излучения с λ ~ 1,5 мкм, в волоконно-оптических линиях связи [3, 4]. На основе силицидов железа создают термоэлектрические элементы для тер- моэлектрических генераторов и резистивные ма- териалы с низким температурным коэффициен- том сопротивления [5]. Следует отметить, что дальнейшее увеличе- ние степени интеграции невозможно без импуль- сных методов обработки систем, которые позво- ляют снижать тепловую нагрузку на полупро- водниковую пластину при создании СБИС. В данной статье рассматривается импульсный фотонный отжиг (ИФО), который применяли для формирования тонких пленок дисилицидов же- леза и титана. Методика эксперимента. Исходная систе- ма для исследования закономерностей форми- рования дисилицида титана представляла собой многослойную систему TiN–Ti–Si, которая фор- мировалась на подложке кремния ориентации (001) методом магнетронного нанесения на уста- новке Varian m2i. Предварительно проводили химическую очистку подложки кремния в бу- ферном травителе на основе HF с последующим ВЧ травлением в атмосфере аргона на глубину 5 нм. После ИФО системы TiN–Ti–Si снимался верхний защитный слой нитрида титана. Тонкопленочная система Si–Fe–Si была сформирована на кремниевой подложке мето- дом электронно-лучевого осаждения. Верхний слой кремния необходим для предотвращения окисления железа. Состав осажденной компо- зиции рассчитывали по формуле PFe = ρFedFe/АFe(ρFedFe/АFe + ρSidSi/АSi), (1) где ρFe, ρSi – плотность железа и кремния; AFe, ASi – атомный вес железа и кремния; dFe, dSi – толщина осажденной пленки железа и кремния; PFe – атомное процентное содержание железа. Согласно расчетам соотношение толщин слоев в многослойной композиции Si–Fe–Si, оптимальное для формирования силицида же- леза FeSi2, составляло 50–30–50 нм соответ- ственно. Напыленные тонкопленочные системы под- вергали ИФО на установке УОЛ.П-1, нагрев образцов в рабочей камере осуществляли излу- чением трех газоразрядных ксеноновых ламп ИНП 16/250 в вакууме при Рост = 3 ∙ 10 –3 Па. Исследования структурных и фазовых пре- вращений в системах проводили методами электронной микроскопии на просвет (элек- Электроника 64 Наука и Science & Technique техника, № 2, 2013 тронный микроскоп JEM 200-CX) и электроно- графии на отражение (электронограф малоуг- ловой регистрирующий ЭМР-102). Для рас- шифровки электронограмм использовали базу данных of the International Centre for Diffraction Data. Исследования элементного состава про- водили с помощью системы энергодисперсион- ного микроанализа для сканирующих микро- скопов, установленной на микроскопе SEM 515. Качественный и количественный анализы вы- полняли с помощью пакета программного обеспечения Genesis SEM Quant ZAF Software, использующего матрицу ZAF коррекции. Ве- личина ускоряющего напряжения в процессе проведения исследований составляла 6,3 кВ. Результаты и их обсуждение. Режимы термообработки существенно зависят от плот- ности энергии и длительности обработки. Вы- деляют три наиболее важных случая [6]: адиабатический режим (10–10–10–6 с) – реа- лизуется в диапазоне коротких световых им- пульсов; режим теплового потока (10–6–10–2 с) – ре- ализуется, когда за время импульсной фотон- ной обработки область диффузионного пере- распределения теплоты становится больше толщины слоя, в котором происходит поглоще- ние излучения, но не распространяется на всю толщину образца [4]; режим теплового баланса (10–2 с и более) – реализуется, когда тепловой фронт достигает необлучаемой стороны образца и выравнивает температурный профиль по толщине. Перспективность импульсной фотонной об- работки в режиме теплового баланса связана с равномерным нагревом пластины по толщи- не, что не позволяет ей деформироваться [4]. При такой обработке кремниевой пластины и гетероструктур на основе кремния с использо- ванием секундных импульсов следует учитывать потери теплоты на излучение от самой пластины. Процесс нагрева пластины и гетероструктуры TiN–Ti–Si импульсами секундной длительности реализуют при допущениях [7]: импульс излучения имеет прямоугольную форму; перед облучением температура гетеро- структуры постоянна по всему объему; отсутствует теплообмен между пластиной и подложкодержателем; отсутствуют градиенты температуры по всем координатам. Процесс нагрева кремниевой пластины и структуры на ней описывается уравнением теп- лового баланса [8] 4 4 0(1 ) 2 ( ), dT ch R E T T dt (2) где ρ, с – плотность и теплоемкость кремния; h – толщина кремниевой пластины; Е – плот- ность мощности светового потока, падающего на структуру; R – отражательная способность; Т0 – температура окружающей среды; t – время; ε – степень черноты; σ – постоянная Стефана– Больцмана. Характерные зависимости изменения тем- пературы от времени в исследуемых авторами режимах приведены на графиках рис. 1. Из графиков видно, что в процессе импульсной фотонной обработки происходит резкий подъ- ем температуры за короткий промежуток вре- мени: за 2 с при плотности энергии 285 Дж/см2 температура достигает более 800 °С. При до- стижении такой температуры в гетерострукту- ре TiN–Ti–Si создаются условия для формиро- вания дисилицида титана TiSi2 в модифика- ции С54. а 0 10 20 30 40 t, с 60 б 0 10 20 30 40 t, с 60 Рис. 1. Изменение температуры образца в зависимости от времени при различных плотностях энергии и длительности облучения: а – 230 Дж/см2, 1,6 с; б – 285 Дж/см2, 2 с 800 T, С 600 500 400 300 200 100 1000 T, С 800 600 400 200 Электроника 65 Наука Science & Technique техника, № 2, 2013 и Методами электронной просвечивающей микроскопии провели исследования структуры и фазового состава поверхностного слоя, об- разовавшегося в результате ИФО системы TiN–Ti–Si. Было установлено, что при плотно- стях энергии 170 Дж/см2 на поверхности крем- ния образуется силицид титана TiSi. Увеличе- ние плотности энергии до 300 Дж/см2 приводит к образованию дисилицида титана TiSi2 моди- фикации C54 (рис. 2а). На рис. 2б приведена структура пленок, подвергнутых ИФО. а б Рис. 2. Электронограмма на просвет (а) и структура (б) тонкопленочной системы TiN–Ti–Si после ИФО при плотности энергии 340 Дж/см2 При импульсной фотонной обработке плот- ностью энергии 340 Дж/см2 и длительностью 2,2 с происходит эпитаксиальный рост пленок дисилицида титана в модификации С54 на по- верхности кремния с ориентацией (001), о чем свидетельствует наличие муаровых полос на электронно-микроскопическом изображении структуры слоя TiSi2–Si (рис. 2). Средний раз- мер зерен составляет 150–200 нм. Исследования композиции Si–Fe–Si с по- мощью системы энергодисперсионного рентге- новского микроанализа показали, что атомное соотношение железо:кремний в исходной ком- позиции составляет около 1:2, что является оп- тимальным для формирования дисилицида же- леза. Кроме того, исходная композиция содер- жит существенное количество кислорода, что обусловлено абсорбцией остаточных газов при осаждении тонкопленочной системы и вкладом кислорода из слоя оксида на поверхности кремниевой пластины (рис. 3). 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 Energy -keV Рис. 3. Рентгеновские спектры исходного образца Si–Fe–Si Электронографические исследования сис- тем Si–Fe–Si показали, что осажденные пленки являлись аморфными: на электронограммах присутствует характерное гало. Импульсный отжиг при плотности энергии 100–150 Дж/cм2 не приводит к изменению вида электроно- грамм, пленки остаются аморфными. Как пока- зывает расшифровка полученных электроно- грамм от образцов после ИФО с плотностью энергии 200 Дж/cм2 и длительностью импульса 1,4 с (температура 670 С), на поверхности си- стемы образуется поликристаллическая пленка, состоящая из дисилицида железа β-модифика- ции FeSi2. При увеличении плотности энергии до 250 Дж/cм2 вид электронограммы не изме- няется (рис. 4). Рис. 4. Электронограмма на отражение от тонкопленочной системы Si–Fe–Si после ИФО при плотности энергии 250 Дж/см2 2.0 1.6 1.2 KCnt 0.8 0.4 Si OFe Электроника 66 Наука и Science & Technique техника, № 2, 2013 Результаты рентгеноспектральных измере- ний с дисперсией по энергии согласуются с данными, полученными с использованием электронографии. В Ы В О Д В результате проведенных исследований установлены основные закономерности структур- ных и фазовых превращений, происходящих в тонкопленочных системах TiN–Ti–Si и Si–Fe–Si при воздействии импульсов некогерентного из- лучения ксеноновых ламп с плотностью энер- гии от 100 до 340 Дж/см2. Определены опти- мальные режимы импульсного фотонного от- жига для формирования на кремнии тонких пленок дисилицидов железа и титана. При плотностях энергии более 275 Дж/см2 происхо- дит формирование дисилицида титана в моди- фикации С54. Результаты исследований свиде- тельствуют о перспективности использования импульсного фотонного отжига для синтеза тонких пленок силицидов титана и железа. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Cинтез пленок TiSi2 в процессе вакуумной кон- денсации и методом импульсной фотонной обработки / В. М. Иевлев [и др.] // Конденсированные среды и меж- фазные границы – 2009. – Т. 11, № 3. – С. 216–220. 2. Ion beam synthesized silicides: growth, characteriza- tion and devices / K. Homewood [et al.] // Thin Solid Films. – 2001. – Vol. 381, Issue 2. – P. 188–193. 3. Experimental investigation of the band edge anisotro- py of the b-FeSi2 semiconductor / M. Marinova [et al.] // Solid State Sciences. – 2008. – Vol. 10. – Р. 1369–1373. 4. Исследование сверхтонких пленок силицида желе- за, выращенных твердофазной эпитаксией на поверхности Si (001) / В. В. Балашев [и др.] // Физика твердого тела. – 2010. – Т. 52, вып. 2. – С. 370–376. 5. Формирование резистивных свойств двухфазных систем полупроводник–металл на основе FeSi1+x при малых отклонениях от стехиометрии / А. А. Повзнер [и др.] // ЖТФ. – 2001. – Т. 71, вып. 8. – С. 109–111. 6. Пилипенко, В. А. Быстрые термообработки в тех- нологии СБИС / В. А. Пилипенко. – Минск: Издательский центр БГУ, 2004. – 531 с. 7. Электрофизические и механические свойства дисилицида титана, полученного с применением быст- рой термообработки / В. А. Пилипенко [и др.] // Вестник БГУ. – 2001. – Сер. 1, № 2. – С. 43. 8. Борисенко, В. Е. Твердофазные процессы в полу- проводниках при импульсном нагреве / В. Е. Борисенко. – Минск: Наука и техника, 1992. – 247 с. Поступила 06.07.2012