УДК 536-33;538.958;544.72.05
ВЫРАЩИВАНИЕ ПЛЕНОК НИТРИДА АЛЮМИНИЯ МЕТОДОМ ПЛАЗМОАКТИВИРОВАННОГО ОСАЖДЕНИЯ С РАЗДЕЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ РЕАГЕНТОВ
© 2015 г. В. А. Тарала, А. С. Алтахов, М. Ю. Шевченко, Д. П. Валюхов,
С. В. Лисицын, В. Я. Мартенс
Северо-Кавказский федеральный университет, Ставрополь e-mail: Vitaly-tarala@yandex.ru Поступила в редакцию 24.11.2014 г.
Пленки выращивались методом плазмоактивированного осаждения с раздельной подачей реагентов в режимах самоограниченного роста и в режимах, похожих на химическое осаждение из газовой фазы. Полученные образцы исследовались методами ИК-спектроскопии, эллипсометрии и оже-спектроскопии. Анализировалось влияние температуры процесса, длительности стадии продувки реактора после обработки подложек парами триметилалюминия, а также продолжительности плазменной экспозиции на скорость роста и состав пленок. В исследуемых условиях осаждения скорости роста находились в диапазоне от 0.1 до 0.26 нм/цикл, показатель преломления — от 1.52 до 1.98. Получены пленки, у которых соотношение атомных долей алюминия и азота близко к единице.
DOI: 10.7868/S0002337X15070155
ВВЕДЕНИЕ
Нитрид алюминия (AlN) — материал с большой шириной запрещенной зоны (6.2 эВ) [1], высокой теплопроводностью (320 Вт/(м K)) [2], достаточно высокой химической инертностью. Пленки этого материала перспективны для изготовления холодных катодов [3—5], буферных слоев для роста высококачественных материалов [6], диэлектрических и пассивирующих слоев в полупроводниковых элементах [7—9], а также в создании газовых сенсоров [10, 11], УФ-светодиодов и фотодетекторов [12, 13].
Как правило, при температурах более 1100°С выращиваются эпитаксиальные пленки AlN, которые используют как активные слои в электронных и оптоэлектронных устройствах. При низких температурах (менее 300°С) осаждаются поликристаллические или аморфные слои, находящие широкое применение как диэлектрические и пассивирующие покрытия изделий микроэлектроники.
Для выращивания пленок AlN применяют различные методы синтеза: химическое осаждение из газовой фазы (CVD — Chemical Vapor Deposition) [14], плазмохимическое осаждение (PECVD — Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) [15], магнетронное распыление (MS — Magnetron Sputtering) [16], молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE — Molecular Beam Epitaxy) и атомно-слое-вое осаждение (ALD—Atomic Layer Deposition) [17].
Методы с раздельной подачей реагентов заслуживают особого внимания, так как позволяют контролировать толщину пленки с высокой точностью. К числу таких методов относится атом-
но-слоевое осаждение. В этом методе химическая сборка вещества осуществляется путем многократного чередования двух или более реакций, которые в заданной последовательности протекают на поверхности подложки. В результате одного цикла поочередной раздельной обработки на поверхности подложки синтезируется монослой вещества, природа которого определяется химическим составом газообразных реагентов. При этом толщина синтезируемого слоя определяется количеством циклов таких реакций, что позволяет контролировать ее с высокой точностью. Отличительным признаком метода ALD является самоограничение роста пленки (self-limiting growth). В случае, если этот признак не выполняется, возможна реализация процесса роста пленки в режиме, похожем на химическое осаждение (CVD-like).
При осаждении пленок AlN в качестве источника алюминия используют хлорид алюминия (AlCl3) [17] или триметилалюминий (ТМА — Al(CH3)3) [18], а в качестве источника азота — аммиак (NH3). Интерес к выращиванию пленок методом плазмоактивированного атомно-слоевого осаждения (PEALD — Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition) обусловлен тем, что применение плазменной активации позволяет снизить температуры синтеза пленок благодаря увеличению реакционной способности источника азота. Кроме того, метод PEALD позволяет использовать в качестве источника азота не только плазму, образованную аммиаком, который является токсичным и взрывоопасным газом, но и плазму газовой смеси азота и водорода.
TTI Г-Ч VIA TPUR >• TPE т PR -*- TMA
W
RN2
RH2
Rr
Rk
Время
Рис. 1. Динамика изменения параметров процесса роста пленки.
Следует отметить, что всесторонние и детальные исследования этих процессов имеют не только научный интерес, связанный с изучением кинетики и механизмов плазмоактивированных химических реакций, протекающих на каждой стадии цикла осаждения, но и практический интерес, обусловленный разработкой новых и совершенствованием существующих технологий осаждения пленок AlN для изделий микроэлектроники и микросистемной техники. В связи с этим целью данной работы было определение влияния условий плазмоактивированного осаждения с раздельной подачей реагентов на состав и структуру пленок нитрида алюминия.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Образцы выращивались при помощи установки TFS-200 с источником индуктивно-связанной плазмы производства компании Beneq (Финляндия). Рабочая частота ВЧ-генератора составляла 13.56 МГц, мощность (W) — 200 Вт. Пленки осаждались на подложки кремния ориентации (111) при температурах от 80 до 260°С.
Перед процессом в вакуумной камере и реакторе создавалось разряжение до уровня, при котором давление остаточных газов не превышало 10 Па. Затем включали подачу азота для продувки вакуумной камеры и реактора, после чего приступали к нагреву реактора до требуемых температур. Расход азота через вакуумную камеру (Rk) для всех экспериментов был равен 200 см3/мин, а через реактор (Rr) изменялся от 300 до 500 см3/мин. Азот, протекающий через реактор с расходом Rr, выполнял функцию газа-носителя для ТМА и использовался для продувки объема реактора. В качестве источника азота использовали плазму газовой смеси азота и водорода. Газовая смесь
непрерывно поступала в реактор через источник индуктивно-связанной плазмы. Состав газовой смеси задавали путем изменения расходов азота (Rn ) и водорода (RH ), подбирая их значения так, чтобы RN + RHl =100 см3/мин.. Как показано на рис. 1, значения параметров Rk, Rr, RNj, RH на протяжении всего процесса осаждения были постоянными.
Источником алюминия являлся ТМА. Температура контейнера с ТМА поддерживалась постоянной и равной 18°С. Длительность стадии обработки парами ТМА (тТМА) изменяли от 0.05 до 0.3 с. Длительности стадии продувки реактора после обработки парами ТМА (tpur) от 1 до 40 с. Длительность стадии плазменной экспозиции (т PE) от 1 до 20 с. Длительность стадии вентиляции реактора после плазменной экспозиции (т PR) от 3 до 20 с.
Толщина выращенных пленок и оптические константы были измерены при помощи спектрального эллипсометра SE-800 производства фирмы Sentech (Германия) в диапазоне длин волн 300—800 нм при угле сканирования 60°. Скорость роста пленки (v) оценивалась как отношение толщины пленки к количеству циклов ее роста. Элементный состав и профиль распределения элементов по глубине определялся методом оже-спектроскопии на установке JAMP-9510F Field Emission Auger Microprobe производства компании JEOL, Ltd (Япония). Параметры измерения оже-спектров были следующими: ускоряющее напряжение 10 кВ, ток пучка электронов 10 нА. Травление образцов осуществлялось ионами аргона с энергией 2 кэВ. Скорость травления, оцененная по скорости распыления оксида кремния, составляла 12 нм/мин. Длительность цикла травления — 15 с.
Кроме этого, для оценки химического состава пленок были измерены спектры ИК-пропускания в диапазоне волновых чисел от 400 до 4000 см-1 при помощи ИК-Фурье-спектрометра ФСМ-1201 производства компании ООО "Инфраспек" (Россия). Шаг сканирования составлял 4 см-1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Зависимость скорости роста (v) от состава плазмообразующей смеси азота и водорода представлена на рис. 2. В диапазоне составов от 20% N2 + 80% Н2 до 80% N2 + 20% Н2 v практически не менялась. За рамками этого диапазона она уменьшалась. Данное обстоятельство указывает на то, что водород участвует в протекании химической реакции образования пленки нитрида алюминия, однако механизм его влияния на процессы роста пленки AlN остается неясным. В работе [18] сообщается, что добавление водорода в плазмообразующую смесь способствует удале-
0.12
0.11
св Н О
о л
13
о о л о м О
0.10
0.09
0.08
20 40 60 80 100 Концентрация водорода, об. %
Рис. 2. Зависимость скорости роста пленки от концентрации водорода в плазмообразующей смеси при температуре процесса 260°С: Яг = 300 см3/мин, ТТМА = °-3 с ТРия = 1 с ТРЕ = 6 с ТРЯ = 3 с
а т
о
о р
13
о
о р
о
м О
0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05
10 15
ТРЕ, с
20
25
Рис. 3. Зависимость скорости роста пленки от длительности стадии плазменной экспозиции при температуре процесса 260°С: Яг = 300 см3/мин, ТтМА = = 0.3 с, тРия = 1 с, тРЯ = 3 с, % 2/ Яя2 = 20/80.
0
0
5
нию радикалов —СН3 и понижает содержание водорода в пленке. Поэтому для большинства процессов выращивания пленок была выбрана газовая смесь 20% N2 + 80% Н2.
Как следует из результатов исследования, представленных на рис. 3, с увеличением длительности стадии плазменной экспозиции с 6 до 20 с скорость практически не изменялась. Полученная зависимость V от тРЕ косвенно позволяет судить о полноте протекания химической реакции между полупродуктами, образовавшимися на стадии обработки парами ТМА, и активными частицами азота. Таким образом, установлено, что для протекания плазмоактивированной реакции в полном объеме необходимы значения тРЕ > 6 с.
При атомно-слоевом осаждении максимальная скорость роста пленки нитрида алюминия, согласно предположению, что за один цикл на грани (0001) формируется ровно один монослой АВД, должна составлять 0.249 нм/цикл. Максимальная скорость соответствовала низким температурам реактора — 80 и 130°С (рис. 4). При малых длительностях продувки реактора после обработки парами ТМА с повышением температуры процесса от 80 до 230°С скорость роста пленки понижалась. Наиболее значительные уменьшения происходили при температурах до 180°С (рис. 4Р). Увеличение длительности тРт до 40 с (рис. 45) позволило понизить V до значений, сопоставимых со скоростями роста при I
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.