ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 7, с. 68-70
УДК 537.533
СОСТОЯНИЕ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА В ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ Si/YSZ/Si(100) ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОЖЕ-ПРОФИЛИРОВАНИЯ И ДЕТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КРАЯ КРАТЕРА ИОННОГО
ТРАВЛЕНИЯ
© 2004 г. В. Г. Бешенков, А. Ф. Вяткин, А. Г. Знаменский, В. А. Марченко, С. В. Московкин
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Черноголовка, Московская область, Россия Поступила в редакцию 30.09.2003 г.
Получены оже-профили распределения элементов в тонкопленочной системе Si/YSZ/Si(100), обладающей высоким структурным совершенством. Показано, что обе границы раздела изменяют свой состав в процессе наращивания толщины пленок, т.е. уже после начала их эпитаксиального роста. Особенно заметно выражено окисление Si подложки в процессе роста пленки YSZ (оксида циркония, стабилизированного в кубической модификации оксидом иттрия) при повышенных температурах. Образующийся слой SiO2 дает возможность визуализации и проведения детального оже-анали-за нарушений структуры пленки YSZ в местах электрических пробоев, возникающих при ее напылении, с использованием края кратера ионного травления.
ВВЕДЕНИЕ
Структуры кремний-диэлектрик-кремний изготавливаются двумя методами: имплантацией кислорода в кремний с последующей термообработкой, приводящей к рекристаллизации верхнего аморфизованного слоя и собирательной диффузии кислорода с созданием прослойки оксида кремния; термическим сращиванием двух окисленных пластин с последующим утонением одной из них до нужной толщины. В настоящей работе представлены результаты оже-анализа структур кремний-диэлектрик-кремний, изготовленных методом последовательного напыления гетероэпи-таксиальных пленок оксида циркония, стабилизированного в кубической модификации оксидом иттрия (YSZ), и кремния на исходную пластину кремния.
Существенно, что эпитаксиальные слои YSZ/Si, выращенные с использованием ионно-плазмен-ных методов, обладая в целом высоким структурным совершенством, могут содержать сквозные дефекты, которые приводят к ухудшению электрических характеристик - снижению сопротивления утечки и электрического поля пробоя [1]. Выяснение механизма образования таких дефектов позволит изготавливать слои YSZ с высокими диэлектрическими характеристиками.
ПОЛУЧЕНИЕ 81/У82/81(100) И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Слой YSZ был получен по двухстадийной схеме ВЧ-магнетронного распыления мишени YSZ
на Si(100) (775°С, нагрев электрическим током через кремниевую подложку, к которой прикладывался отрицательный потенциал смещения 30 В; напыление: 15 с в аргоне при давлении 2.5 х 10-1 Па, затем 40 мин в смеси аргона и кислорода при парциальных давлениях 2.5 х 10-1 и 5 х 10-2 Па соответственно) в установке Ь-560 (ЬеуЪоМ) [1, 2]. Слой Si осаждался методом молекулярно-луче-вой эпитаксии (МЛЭ) в установке УСУ-4 на поверхность YSZ/Si(100) при 570°С, 10 мин (с предварительным прогревом при 570°С в течение 3 ч и кратковременным отжигом при 900°С 2 мин). Толщина каждой пленки составляла 40 нм.
Профилирование системы Si/YSZ/Si(100) осуществлялось на оже-электронном спектрометре JAMP-10S (1ео1) путем последовательной записи возбуждаемых электронным пучком (энергия электронов 10 кэВ, ток 1 х 10-6 А, диаметр зонда 10 мкм) оже-линий Si ЬУУ, С КЬЬ, О КЬЬ, Zr ШЫ, Si КЬЬ в дифференциальном виде Е х N'(Е) (амплитуда модуляции 5 В, относительное энергетическое разрешение ДЕ/Е 1%) и послойного распыления пучком ионов Аг+ с энергией 3 кэВ.
Метод дифракции быстрых электронов (ДБЭ) на отражение, использованный для контроля структурного совершенства получаемых слоев, был реализован на электронографе ЭР-100 при энергии пучка электронов 50 кэВ в геометрии скользящего падения.
СОСТОЯНИЕ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА
69
Рис. 2. Профили распределения пиковых интенсивно-стей оже-линий элементов в зависимости от времени ионного распыления для гетероэпитаксиальной системы 81/У8г/81(100).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По данным ДБЭ оба слоя в системе 81/У87/81(100) эпитаксиальные: У87 отличается высоким структурным совершенством и атомно-гладкой поверхностью, пленка 81 в атомном масштабе шероховатая (рис. 1).
На рис. 2 представлены профили распределения пиковых интенсивностей оже-линий элементов в зависимости от времени ионного распыления (пропорционального пройденной глубине) для 81/У87/81(100). Слоистая структура исследуемой системы хорошо наблюдаема: наружный слой - 81, промежуточный - У87, далее - кремниевая подложка. Изменение состава У87, происходящее при временах 5-7 мин, связано с установлением равновесного режима распыления однородного по составу У87, общее падение интенсивности в профилях - с развитием микрорельефа при ионном распылении. В пределах слоя УБ^ отсутствует какой-либо вклад оже-сигнала 81 ЬУУ, специфичного для пор или отверстий. Регистристрируемая при профилировании слоя У87 интенсивность оже-
Рис. 3. Вид края кратера ионного травления во вторичных электронах для гетероэпитаксиальной системы 81/У82/81(100). Слева направо и сверху вниз (по диагонали рисунка): наружный слой 81, У 82, 8Ю2, кремниевая подложка. Размер поля изображения 1000 х 1000 мкм.
сигнала кремния (рис. 2) в действительности соответствует совокупности оже-линий иттрия и циркония, находящихся в используемом окне записи.
Кремний на границе раздела 81/У87 частично окислен (см. точку на рис. 2, соответствующую времени ионного распыления 4.5 мин). Образование слоя 8ЮХ при электронно-лучевом напылении кремния на монокристаллическую подложку У87, нагретую до 950°С для обеспечения эпитак-сиального роста, отмечалось также в работе [3].
Очевидно, что для анализа состава границы раздела У87/81(100) существующего разрешения по глубине недостаточно. Однако, опираясь на результаты работы [2] (анализ состава границы раздела в системе У87/81(100), полученной в условиях, когда допускалось контролируемое анодное окисление кремния подложки), можно утверждать, что на границе раздела У87/81(100) существует тонкий (4-5 нм) слой оксида кремния. Этот слой образуется в результате термического окисления кремния в процессе напыления У87 [4].
70
БЕШЕНКОВ и др.
I, произв. ед.
Е, эВ
Рис. 4. Оже-спектры пленки YSZ с нарушением сплошности, полученные для края кратера ионного травления: сплошная линия - YSZ, пунктир - включение. Размер включения у границы раздела YSZ/Si 6 мкм.
Исследования состава Si/YSZ/Si(100) также были выполнены по оже-спектрам, полученным при использовании сфокусированного до диаметра 1 мкм электронного зонда на плоском клине, образованном стенками кратера ионного травления с учетом изображения края кратера во вторичных электронах (ВЭ) (рис. 3). Слой, обладающий наибольшим коэффициентом вторично-электронной эмиссии, отмечает наличие SiO2 на границе раздела. Толщину этого слоя можно оценить по соотношению линейных размеров протяженности характерного контраста слоев YSZ и SiO2 во ВЭ в приближении плоского клина. В настоящем исследовании слой SiO2 однороден по толщине (4 нм) и не содержит заметного количества пор или отверстий, слой YSZ - также плотный и однородный по толщине (40 нм), его граница раздела с верхним слоем кремния достаточно резкая.
Слой SiO2 дает возможность визуализации нарушений структуры пленки YSZ в местах электрических пробоев, возникающих при ее напылении, путем наблюдения поверхности получаемой пленки в оптическом микроскопе. Нами установлено, что плотность распределения мест электри-
ческих пробоев зависит от величины отрицательного смещения потенциала подожки относительно потенциала плазмы, а размер оконтуренных областей, окружающих места пробоев, увеличивается при повышении температуры роста пленки YSZ. Показано, что слой SiO2 при этом содержит отверстия, которым соответствуют включения YSZ, заметно обогащенные Si и находящиеся в непосредственном контакте с кремнием подложки. Размер включений увеличивается с ростом температуры осаждения пленки YSZ (рис. 4). Толщина слоя SiO2 также заметно увеличивается с ростом температуры. Интерпретация состава слоев по оже-спектрам проведена с учетом наблюдаемого распада пленок YSZ малых толщин под воздействием пучка электронов (отдельное исследование для пленок YSZ толщиной 5 нм).
ВЫВОДЫ
Границы раздела в тонкопленочной системе Si/YSZ/Si(100) изменяют свой состав в процессе увеличения толщины пленок, т.е. уже после начала их эпитаксиального роста. Особено заметно выражено термическое окисление подложки Si в процессе роста пленки YSZ при повышенных температурах. При отрицательных смещениях подложки во время роста YSZ происходит локальное разрушение слоя SiO2 , вызванное электрическими пробоями пленки, с последующим образованием обогащенных Si включений в пленках YSZ. Исследование края кратера ионного травления является важным элементом оценки качества получаемых слоев.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Beshenkov V.G., Marchenko V.A., Znamenskii A.G. et al. // Progress in SOI Structures and Devices Operating at Extreme Conditions / Eds by Balestra F. Kluwer: Acad. Press, 2002. P. 11.
2. Бешенков В.Г., Знаменский А.Г., Марченко B.A. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. ис-след. 1998. < 1. С. 59.
3. Solomon J.S. // Surf. Interface Anal. 1987. V. 10. P. 75.
4. Sader E, Schmidt H, Hradil K, Wersing W. // Supercond. Sci. Technol. 1991. V. 4. P. 371.
Diagnostics of Interfaces in the Si/YSZ/Si(100) System by Auger Depth Profiling
and Analysis of the Ion Beam Crater Edge V. G. Beshenkov, A. F. Vyatkin, A. G. Znamenskii, V. A. Marchenko, S. V. Moskovkin
The Si/YSZ/Si(100) system with epitaxial Si and YSZ layers was studied by Auger depth profiling. It was shown that the composition of interfaces changes during the film growth. The SiO2 layer of appreciable thickness is formed as a result of thermal oxidation of silicon on YSZ/Si interface during deposition of YSZ when the temperature rises. The SiO2 layer enables the visualization and Auger analysis of YSZ film defect structure in spots of the electrical breakdowns arising deposition by exploiting SE image observation of the edge of ion beam crater.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.