Methods of transmission electronic microscopy, electron diffraction, energy dispersive X-ray microanalysis have been used for investigations of element composition, regularities in structural and phase transmissions occurring in thin-filmed systems Si–Fe–Si and TiN–Ti–Si while using impulse photon annealing in terms of radiation energy density. Optimum parameters of impulse photon annealing for formation of β-FeSi2 and C54-TiSi2 thin films on silicon have been determined in the paper.Методами просвечивающей электронной микроскопии, электронографии и энергодисперсионного рентгеновского микроанализа проведены исследования элементного состава, закономерностей  структурных и фазовых  превращений,  происходящих в  тонкопленочных  системах Si–Fe–Si и TiN–Ti–Si при импульсном фотонном отжиге в зависимости от плотности энергии облучения. Определены оптимальные параметры импульсного фотонного отжига для формирования на кремнии тонких пленок FeSi2 β-модификации и TiSi2 в модификации C54

A. Chaplanov M.

E. Scherbakova N.

M. Markevich I.

А. Чапланов М.

М. Маркевич И.

У. Щербакова Н.

Russian

M. I. Markevich

A. M. Chaplanov

E. N. Scherbakova

М. И. Маркевич

А. М. Чапланов

У. Н. Щербакова

Science & Technique (E-Journal) / НАУКА и ТЕХНИКА

  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 40(1 ) 2 ( ),dTch R E T Tdt      (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  

ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ФОТОННОГО ОТЖИГА НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ И ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

https://sat.bntu.by/jour/article/download/115/110

ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ФОТОННОГО ОТЖИГА НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ И ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Science & Technique (E-Journal) / НАУКА и ТЕХНИКА