МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 5, с. 352-358
ТЕХНОЛОГИЯ СБИС
УДК 621.315.592.01
ДИСПЕРСИЯ ОПТИЧЕСКИХ КОНСТАНТ ТОНКИХ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК Ta2O5 ПО ДАННЫМ СПЕКТРОЭЛЛИПСОМЕТРИИ
© 2004 г. В. А. Швец1, Д. В. Гриценко2, В. Ш. Алиев1, С. И. Чикичев1-2, С. В. Рыхлицкий1
1Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской АН 2Новосибирский государственный университет E-mail: shvets@isp. nsc.ru Поступила в редакцию 23.09.2003 г.
Методом спектральной эллипсометрии в диапазоне 1.9-4.9 эВ измерена дисперсия показателей преломления и поглощения аморфных пленок Ta2Ü5, выращенных с помощью реактивного ионного распыления на кремниевой подложке. Ширина запрещенной зоны составила Eg = 4.20 ± 0.05 эВ. Оптические данные свидетельствуют о том, что пленки близки по составу к стехиометрическим. Разброс показателя преломления An/n и толщины пленки Ad/d, измеренные при X = 632.8 нм составляют 2.4% и 1%, соответственно. Изучение поверхности методом атомно-силовой микроскопии показывает, что исследованные пленки близки к атомно-гладким.
ВВЕДЕНИЕ
Благодаря высокой диэлектрической проницаемости (е = 25) и большому показателю преломления (п ~ 2.1) аморфные пленки пентаоксида тантала Та205 нашли широкое применение в качестве антиотражающих покрытий для кремниевых солнечных элементов, многослойных интерференционных фильтров [1] и других оптических изделий. В настоящее время плёнки Та205 изучаются для использования в качестве диэлектрика в конденсаторах оперативных запоминающих устройств [2-4], подзатворного диэлектрика в рН-метрах на базе кремниевых полевых транзисторов [5] и т. д. В последние годы интерес к структурным, оптическим и электрическим свойствам тонких пленок Та205 существенно возрос в связи с необходимостью замены в кремниевых МОП интегральных схемах классических диэлектриков
8102, е = 3.9 и 813К4, е = 7
на изоляторы с более высокой диэлектрической проницаемостью [6]. Для микроэлектронных применений важным свойством диэлектрических пленок является однородность их толщины и состава. В настоящем сообщении представлены результаты спектроэллипсометрических измерений дисперсии оптических констант тонких аморфных пленок Та205, полученных методом реактивного ионного распыления на подложке 81 (100).
ЭКСПЕРИМЕНТ
Пленки пентаоксида тантала выращивали методом реактивного ионного распыления на установке, схема которой приведена на рис. 1. Ваку-
умная камера откачивается турбо-молекулярным насосом и снабжена шлюзовым устройством (6) с источником ВЧ-плазмы (7). Внутри основной камеры расположены ионная пушка Кауфманна (диаметр пучка 6 см) (1), источник кислорода (3), направленный на держатель с подложкой (4), мишень (2) и кварцевый датчик толщины (5). В качестве мишени использовали танталовый диск (99.95%), закрепленный на водоохлаждаемом держателе. До начала распыления камеру откачивали до давления 2 х 10-5 Па. Количество кислорода регулировали натекателем таким образом, чтобы его парциальное давление составляло 5 х 10-3 Па. Рабочим газом служил аргон, при этом общее давление в камере в процессе осаждения поддерживали на уровне 1 х 10-2 Па. В качестве подложек использовали пластины п-81(100) с удельным сопротивлением 5-7 Ом см, которые перед загрузкой травили в растворе ИР для снятия естественного оксида. В ряде случаев подложки проходили дополнительную очистку в загрузочной камере с использованием низкоэнергетичной аргоновой ВЧ-плазмы. Распыление тантала осуществляли пучком Аг+ с энергией 1200 эВ и плотностью тока 1.2 мА см-2. Перед нанесением каждой пленки проводили предварительное распыление мишени, во время которого подложку закрывали заслонкой. Начальная температура подложки была комнатной и не превышала 70°С в процессе роста.
Измерения оптических характеристик выполнены на спектроэллипсометре, собранном по балансной схеме, с ксеноновой лампой в качестве источника излучения, в диапазоне энергий фотона 1.9-4.9 эВ с разрешением 0.03 эВ при фиксированном угле падения 70.6°. Было также измерено
ДИСПЕРСИЯ ОПТИЧЕСКИХ КОНСТАНТ ТОНКИХ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК Та20-
353
Рис. 1. Схема установки для реактивного ионного распыления: 1 - ионная пушка, 2 - танталовая мишень, 3 - источник кислорода, 4 - подложка, 5 - кварцевый датчик толщины, 6 - загрузочная камера, 7 - высокочастотный ввод.
й, А 762.5
Рис. 2. Распределение толщины пленки Та205 по площади (данные сканирующей эллипсометрии, размер участка 4 х 4 мм2).
распределение толщины и показателя преломления пленок Та205 по площади с использованием сканирующего одноволнового (к = 632.8 нм) эл-липсометра ЛЭФ-8 "Микроскан" [7]. Латераль-
ное разрешение прибора определяется, в основном, размером светового пятна на поверхности образца и в наших экспериментах составляло 3 мкм х 10 мкм.
2.105
2.100
Рис. 3. Распределение показателя преломления пленки Ta205 по площади (данные сканирующей эллипсометрии, размер участка 4 х 4 мм2).
Исследования микронеоднородностей поверхности пленок Та205 проводили методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) с использованием микроскопа "Solver P47 H" производства компании NT-MDT (г. Зеленоград). Латеральное разрешение микроскопа составляет 15 нм, вертикальное до 0.05 нм. Образцы с пленками закрепляли на специальном держателе образцов прижимной пружиной, после чего происходило сканирование в атмосферных условиях. АСМ-изображения были получены в резонансной (v = 150 кГц) полуконтактной моде с применением покрытых платиной кантилеверов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Распределение толщины и показателя преломления пленок Ta2O5 по площади представлены на рис. 2 и рис. 3, соответственно. Из этих данных видно, что исследованные пленки весьма однородны: вариация толщины Ad/d не превышает 1%, а показателя преломления An/n - 2.4%.
Топограмма поверхности, измеренная на атом-но-силовом микроскопе, и соответствующие статистические данные по микроморфологии приведены на рис. 4. Средний размер шероховатости лежит в диапазоне 0.3-0.4 нм, что близко к длине межатомной связи в Ta2O5 (0.205 нм) [8].
Зависимости эллипсометрических углов от свойств системы легко могут быть посчитаны в
рамках однослойной модели (воздух - пленка -подложка) [9, 10] и в символическом виде могут быть записаны как
tgуe = F(n, к, d, E, ns, ks),
(1)
где п. (к.) - показатель преломления (поглощения) кремниевой подложки, п, к, С - показатели преломления, поглощения и толщина пленки Ta205 соответственно, Е = йю - энергия фотона. Для получения оптически констант п и k уравнение (1) решали численно для каждой длины волны, при заданной толщине пленки. Оптические константы Si подложки были взяты из [11], а приблизительная толщина пленки Ta205 определялась по кварцевому датчику, установленному в камере напыления. Для энергий фотонов йю < 4.0 эВ пленка Ta205 является прозрачной и к = 0. Этот критерий использовали для уточнения толщины слоя Ta205 из спекроэллипсометрических измерений.
На рис. 5 приведены рассчитанные из экспериментальных данных значения показателя поглощения пленки Ta205 в зависимости от энергии кванта для трех значений толщины: 70, 74, 78 нм. Видно, что наилучший результат достигается при С = 74 нм. Вместе с тем очевидно и то, что при йю < 4.3 эВ во всех расчетах к(йю) Ф 0, в том числе, и при йю < 4.0 эВ. При этом характерно, что наибольшие отклонения от линии к = 0 имеют место
n
ДИСПЕРСИЯ ОПТИЧЕСКИХ КОНСТАНТ ТОНКИХ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК Та205
355
мк 3.0
0 1.0
0.8
£ К
* 0.6 н о о
3 0.4 РР
0.2 0
4000
« 3000
нг
о н
о я н о о V к ч
о «
нм 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
^0
(б)
3.0 мк
2 3
Линия профиля, мкм (в)
2000
1000
1.0
Высота, нм
Рис. 4. Результаты измерений поверхности пленки Та205 методом атомно-силовой микроскопии: АСМ-изображение участка поверхности 3.3 х 3.3 мкм2 в режиме топографии (а); Профиль поверхности вдоль линии АВ (б); Гистограмма высот. Среднеквадратичная шероховатость составляет 0.16 нм (в).
0
при энергиях кванта 3.4 и 4.2 эВ, т.е. при энергиях, соответствующих критическим точкам Е1 и Е2 в зоне Бриллюэна кремния. Как показано в работе [12], артефакты такого рода связаны, скорее
всего, с неадекватностью оптической модели, положенной в основу расчетов. В связи с этим были выполнены расчеты для двухслойной структуры, в которой между 8ьподложкой и пленкой Та205
Показатель поглощения 0.40
0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0
-0.05 -0.10
4.5 5.0 йю, эВ
Рис. 5. Спектральная зависимость показателя поглощения Та205 на кремниевой подложке.
(айю)1/2, см-1/2 эВ1/2 1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
4.1 4.2
4.8 4.9 йю, эВ
Рис. 6. Спектральная зависимость коэффициента поглощения Та205 в координатах, соответствующих модели Тауца.
помещался слой 8Ю2 заданной толщины. Было установлено, что за счет такого усложнения модели можно уменьшить отклонение величины к(йю) от нуля при 3.5 эВ < йю < 4.3 эВ, однако при йю < 3.4 эВ уменьшение было незначительным.
Из рис. 6 видно, что при йю > 4.3 эВ наблюдается резкий рост коэффициента поглощения. В широкозонных аморфных диэлектриках край фунда-
ментального поглощения обычно хорошо описывается формулой Тауца [13]
а = В
(й ю - Ея)2
йю
(2)
где В - константа, зависящая от плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне диэлектрика, Е§ - оптическая ширина запрещенной
ДИСПЕРСИЯ ОПТИЧЕСКИХ КОНСТАНТ ТОНКИХ АМОРФНЫХ ПЛЕНОК Та205 Коэффициент преломления, п 3.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
ftw, эВ
Рис. 7. Спектральная зависимость показателя преломления Ta2O5 на кремниевой подложке.
зоны. Формула (2) позволяет оценить Eg по графику, построенному в координатах (а х йш)1/2 от йш, где а = 4тс£Д - коэффициент поглощения. Соответствующий график приведен на рис. 6, откуда видно, что ширина запрещенной зоны аморфного Ta2O5 составляет 4.2 ± 0.05 эВ, что хорошо согласуется с экспериментальными данными работ [14, 15] (Eg = 4.3 эВ), и [16] (Eg = 4.1 эВ), а также с теоретической оценкой [17] (Eg = 4.4 эВ).
Спектральная зависимость показателя преломления Ta2O5 приведена на рис. 7, из которого видно, что при энергии кванта йш = 2.0 эВ величина показателя преломления составляет п - 2.1. При увеличении э
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.