МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 4, с. 245-257
ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ И МИКРОСТРУКТУР
УДК 621.78.5;621.793.7
ФОРМИРОВАНИЕ КОНТАКТНОЙ СИСТЕМЫ TiN/CoSi2 БЫСТРЫМ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИМ ОТЖИГОМ ИСХОДНОЙ
СТРУКТУРЫ Co/Ti/Si
© 2008 г. В. И. Рудаков, В. Н. Гусев
Институт микроэлектроники и информатики Российской АН E-mail: valeryrudakov@rambler.ru Поступила в редакцию 16.12.2007 г.
Методом оже-электронной спектроскопии исследовано образование контактной системы TiN/CoSi2 с помощью быстрого неизотермического отжига структуры Co/Ti/Si в среде азота. Неизотермический отжиг осуществлялся при различных направлениях градиента температуры. Установлено, что формирование контактной системы происходит только при положительном направлении градиента температуры. Обсуждается влияние различных факторов на образование контактной системы.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы достаточно интенсивно ведутся исследования в области создания контактных систем Т1К/Со812 [1-3]. Это связано с тем, что свойства отдельных слоев ТЖ и Со812 хорошо известны в микроэлектронике. Так, основным применением пленок ТШ является барьер для диффузии, вызвае-мой градиентом концентрации вещества в многослойных системах контактной металлизации в полупроводниковых приборах [4]. Это обусловлено как их хорошими барьерными свойствами, так и тем, что формирование такого барьера хорошо согласуется с технологией изготовления существующих контактов. Применение барьерных слоев ТЖ толщиной 10-100 нм в системах металлизации на основе алюминия, золота, меди и других металлов увеличивает термостойкость контактов на 100-200 К и долговечность на несколько порядков. В свою очередь, пленка Со812, параметр решетки которой практически совпадает с 81 (1.2%), показала себя очень перспективным материалом для создания высоконадежных контактов для мелкозалегающих переходов [5]. Прекрасные свойства отдельных слоев ТШ и Со812 позволяют надеяться, что в результате детальных исследований контактной системы Т1К/Со812/81 в целом, она, также как и отдельные слои Т1К и Со812, найдет достойное применение в технологии изготовления современных полупроводниковых приборов и интегральных схем. Одной из важных задач на пути к достижению этой цели является изготовление такой контактной системы. Однако для этого необходимы более детальные теоретические и экспериментальные исследования процесса формирования таких систем, на что и направлена данная работа.
СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОНТАКТНОЙ СИСТЕМЫ ™/со812
В настоящее время существует три основных способа изготовления контактных систем Т1К/Со812 на кремниевой подложке. Каждый из методов изготовления такой контактной системы имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим первый способ образования контактной системы Т1К/Со812, который описан в работе [1]. Этот метод относится к прямым методам, так как в данном случае происходит последовательное формирование слоев Т1К и Со812. В качестве подложки использовались кремниевые пластины с ориентацией (100). После стандартной химической обработки поверхности пластины методом испарения в вакууме наносился слой Со толщиной 800 А. Затем с помощью отжига при температуре 600°С формировался слой Со812. После этого, методом распыления в атмосфере Аг : N (7 : 3), на поверхность пленки Со812 осаждался слой Т1К толщиной 50 нм. Давление паров в вакуумной системе составляло приблизительно 2 х 10-7 Тор. Схематически процесс изготовления представлен на рис. 1.
Второй способ формирования контактных систем типа Т1К/Со812/81 был рассмотрен в работе [2]. Он заключается в том, что на кремниевую подложку с ориентацией (100) магнетронным распылением из трех независимых источников осаждается механическая смесь Со, Т1 и 81. Затем осуществляется отжиг такой системы в атмосфере N и Аг при температуре 900°С. В процессе отжига происходит фазовое расслоение такой смешанной пленки с образованием структуры Т1К/Со812. На рис. 2 схематически представлен процесс изготовления такой структуры. Необходимо отметить, что способ изготовления
(а)
7ZZZZZZZZZZZZZZC
(в)
CoSi2
(б)
Рис. 1. Схематическое изображение процесса изготовления контактной системы Т1К/Со812 прямым методом.
контактной системы на основе фазового расслоения был предложен в работе [6] для изготовления мелких переходов.
Третий способ изготовления контактной системы TiN/CoSi2 был описан в работе [3]. В этой работе предложено на кремниевую пластину последовательно наносить слои Ti и Co. Двухслойная структура Co/Ti (пленка Со толщиной 200 А расположена сверху пленки Ti толщиной 100 А) позволяет уменьшить влияние природного окисла на границе Co/Si
на формирование Со812 и чрезмерного кислорода в отжигающей среде на качество Т1№ Слой Т1 может уменьшить природный окисел на ранней стадии отжига вследствие образования эпитаксиального качества на конечной стадии отжига. В процессе отжига атомы Т1 диффундируют к поверхности образца и образуют в азотной среде однородный слой Т1К сверху Со812. Слой TiN имеет толщину, изменяющуюся от 300 до 500 А, зависящую от начальной толщины пленки. Схематически этот метод показан на рис. 3.
(а)
Ti
(а)
N2
(б)
Co
Ti
(б)
(в)
TiN CoSi2
-У/////////////////////////.
(100) Si
TiN CoSi2
(в)
Рис. 2. Схематическое изображение процесса изготовления контактной системы И^СоЗ^ методом фазового расслоения.
Рис. 3. Схематическое изображение процесса изготовления контактной системы ТЭДСоЗ^ обратным методом.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
При формировании контактной системы важная роль отводится исходным структурам. От ее типа и качества во многом зависит процесс формирования контактной системы. Следующим этапом является использование устройства для формирования контактных систем в не-
изотермических условиях. При этом необходимо учесть, что такие устройства не производятся промышленностью. Далее, неотъемлемой частью методики является определение необходимого температурного режима для формирования контактной системы.
Изготовление исходных образцов. Изготовление исходных образцов осуществлялось способом, описанным в работах [3, 6]. В нашем случае материалом подложек служили обычные кремниевые пластины диаметром 100 мм с односторонней полировкой, ориентацией (100), р-типа проводимости, марки КДБ12. После стандартной химической обработки указанных кремниевых пластин на их полированные поверхности осаждали пленку Т толщиной 100 А с помощью установки магнитронного распыления типа "Оратория-22". Затем пластины с пленкой титана помещали в установку электронно-лучевого испарения типа "Оратория-9" и осаждали пленку Со толщиной 250 А. Способ изготовления исходной структуры аналогичен способу, схематически представленному на рис. 3а, б.
Изготовленные таким образом структуры подвергались быстрому неизотермическому отжигу с помощью лабораторной установки для термоградиентной обработки полупроводниковых пластин [7]. Так как данная установка является экспериментальной, поэтому ниже рассмотрим ее более подробно.
Установка для термоградиентной обработки. Лабораторная термическая установка [7] предназначена для формирования структур на основе полупроводниковых материалов при их нагреве с градиентом температуры по толщине материала. Создание градиента температуры достигается при регулируемом одностороннем нагреве полупроводниковой пластины источником излучения в области длин волн 0.75-1.1 мкм и принудительным отводом тепла с необлучаемой стороны пластины.
Основным устройством термоградиентной установки является печь, которая состоит из нагревательного блока и подвижного основания, которое регулирует теплоотвод. При соединении нагревательного блока и основания печи образуется рабочая камера (реактор), в которой производится термоградиентная обработка полупроводниковых пластин. Нагревательный блок представляет собой плоскую горизонтальную отражательную камеру с пятнадцатью двухрядно расположенными галогенными лампами типа КГ-220-2000-5, отделенными от
рабочей камеры кварцевым стеклом как показано на рис. 4.
Перед отжигом кремниевые пластины разрезались на отдельные части размерами приблизительно 15 х 15 мм. В каждом цикле отжига одновременно было задействовано по два образца указанных размеров. Схема расположения таких образцов в нагревательном устройстве термоградиентной установки представлена на рис. 5. Здесь два одинаковых образца отличаются друг от друга относительным расположением в рабочей камере. Условно они обозначены как случай 1 и случай 2. За начало координаты 1 выбраны поверхности образцов со стороны пленок. Согласно рис. 5, случай 1 соответствует отрицательному градиенту температуры (йТ/йх < 0), а случай 2 -положительному градиенту температуры (йТ/йх > 0).
Температурный режим отжига. Температурный режим быстрого термического отжига был циклическим и осуществлялся в два этапа. На первом температура отжига составляла 700°С, а время отжига равнялось 1 мин. На втором этапе температура отжига была равна 900°С. Время отжига на этом этапе было различным. Оно составляло 10 с и 1 мин. Температура первого этапа отжига зависит от толщины слоя Т и она была выбрана из условия начала образования соединения Со8^. Эта температура колеблется от 675 до 750°С. Температурный профиль при термическом отжиге исходной структуры, приведен на рис. 6. Что касается значения градиента температуры, то оно было одинаковым для всех режимов отжига и составляло приблизительно 60 град/см.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Экспериментальные исследования образцов, полученных после отжига, осуществлялись с помощью оже-электронной спектроскопии. Они заключались в определении интенсивностей сигналов от Т^ Со и Si в образцах до отжига и после отжига. На рис. 7 показаны профили интенсивности сигналов й Со и Si в исходной структуре. Осаждение пленки Т осуществлялось при температуре кремниевой пластины 200°С в течение 15 мин, а осаждение пленки Со выполнялось при температуре подложки 250°С в течение 30 мин. Максимум интенсивности сигнала от Со составляет приблизительно 180 единиц. Время его распыления составляет от нуля до 2 мин. Максимум интенсивности сигнала от Т приблизительно равен 90 единиц. Что касается S
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.