НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2008, том 44, № 7, с. 808-815
УДК 539.28+620.187
ВЛИЯНИЕ ФОТОННОЙ АКТИВАЦИИ НА ТВЕРДОФАЗНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ (lll)Si-Ni-Pt
© 2008 г. В. М. Иевлев*, С. А. Солдатенко**, С. Б. Кущев**, Ю. В. Горожанкин**
*Воронежский государственный университет e-mail: ievlev@phis.vorstu.ru **Воронежский государственный технический университет e-mail: kusheev@phis.vorstu.ru Поступила в редакцию 26.06.2007 г.
Методами просвечивающей электронной микроскопии исследованы фазовые, субструктурные и ориентационные превращения при импульсной фотонной обработке излучением ксеноновых ламп (К = 200-1200 нм) и изотермическом отжиге в течение 30 мин гетероструктур Pt(25 нм)-№(20 нм)-(111)Si(0.38 мм)-№(20 нм)-Р||(25 нм). Установлено, что на облучаемой стороне твердофазная реакция проходит с опережением по сравнению с необлучаемой. Эффект фотонной активации проявляется в снижении значений температурных порогов силицидообразования на 100-150°C.
ВВЕДЕНИЕ
Тонкие пленки силицидов системы №-№-81 нашли широкое применение в технологии СБИС для создания низкоомных термостабильных омических контактов с мелкозалегающим переходом и диодов Шоттки с заданной высотой барьера Шоттки [1, 2]. В ряде работ показано, что в процессе термообработки (ТО) при 400-500°С в течении 30 мин для равного соотношения металлических компонентов на 81 формируется двухслойная силицидная гетеро-структура Р^ _ дМ^-Мх _ ^81. Необходимая гомогенная структура образуется при температуре выше 700°С [3-7]. Относительно высокая температура и длительное время отжига не приемлемы для сохранения мелкозалегающего легирования [8] и приводят к агломерации силицидной металлизации [9]. Применение электронно-лучевой [10], ионно-луче-вой [11], а также фотонной обработки излучением лазера [10, 12] и импульсных газоразрядных ламп [13, 14] значительно ускоряет синтез силицидов.
Как показано в [14-16], эффект импульсной фотонной обработки (ИФО) излучением ксеноновых ламп проявляется в столь существенном ускорении процесса, что для завершения силицидообразования в слое толщиной 0.1-0.2 мкм достаточно длительности ИФО около 1 с. В то же время, нет количественных данных по эффекту ИФО в изменении пороговых температур образования силицидов.
Цель данной работы - исследовать эффект ИФО в фазовых, ориентационных и субструктурных превращениях, протекающих в гетероструктуре (111)81-пленка №-пленка Р1, оценить величину снижения температуры образования силицидных фаз при ИФО по сравнению с ТО.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исходные гетероструктуры Н(25 нм)-№(20 нм)-(111)81(3800 нм)-№(20 нм)-Р1(25 нм) формировали последовательным ионно-плазменным распылением и конденсацией металлов на установке УРМ-040 на обе поверхности пластины кремния при давлении рабочего газа (Аг) 5.5 х 10-1 Па. ИФО проводили в вакууме 10-3 Па излучением ксеноновых ламп (спектральный диапазон X = = 0.2-1.2 мкм) в интервале величин энергии поступающего на поверхность образца излучения Еи = = 185-285 Дж/см2 (время облучения соответственно 1.3-2 с). Облучение проводили с одной стороны; при этом исходили из того, что температурное поле по глубине образца однородно [17, 18] и на необлученной стороне реализуется режим быстрого термического отжига (БТО). Поверхность пластин 81 перед помещением в вакуумную установку обрабатывали в перекисно-аммиачной смеси Н202 : КН40Н = 6 : 1 и промывали в деионизованной воде. Перед конденсацией металлов поверхность 81 очищали ионным травлением (Аг+).
Результаты ИФО сопоставляли с результатами изотермического отжига (30 мин) исходных гетероструктур в вакууме 10-3 Па при 350, 400, 500, 600, 700, 800°С. Фазовый состав, ориентацию и субструктуру гетероструктур исследовали на электронном микроскопе ЭМВ-100БР и электронографе ЭГ-100М.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Рис. 1 характеризует гетероструктуру Р-№. Тем-нопольный анализ показал, что пленки имеют высокодисперсную субструктуру с размером зерен И и N1, не превышающим 15 нм.
(а)
(б)
311 220 200 111
Pt
111 200 220 311
Ni
облученной стороне образуются: металлообога-щенный силицид (Р1;,№)281 с ромбической решеткой, близкой к решетке Р^81 (Р 6 2т) и силициды - ;№-81 и N1, _ ^81 с решетками типа Р181 и N181 соответственно. На поверхности силицидной гете-роструктуры имеется твердый раствор Р1-№ с высокодисперсной и пористой структурой (рис. 2д, 2е). Параметры решеток образующихся силицидов приведены в таблице. Силицидная гетерострук-тура имеет слоевое строение: (111)81_№1 _уР1у81_ _ ^^-(Р^М)^. Для фаз характерна двухосная текстура и нанокристаллическая субструктура с размером зерен до 40 нм. При одинаковой сингонии решеток ориентационные соотношения (ОС) могут быть записаны в общем виде:
Рис. 1. Микрофотография (а) и электронограмма (б) исходной пленочной гетероструктуры Pt - Ni.
ИФО. На рис. 2 приведены фрагменты элек-тронограмм и микрофотографии гетероструктур, формирующихся при ИФО с Еи = 185 Дж/см2 на облученной (а, б) и необлученной (в, г) сторонах. На
(010) ,[100]Pti_ x Nix Si (Nii_ у Pty S i, (Pt,Ni)2 Si )||( 111),[ 112],[ 121] и [ 211] Si.
(1)
О расслоении силицидов свидетельствует муар с периодом 5.6 нм (рис. 26) для действующих отражений 101 обеих силицидных фаз.
На необлученной стороне (т.е. в условиях БТО), формируется однофазный силицид (Р1;,№)281 со средним размером зерен около 20 нм.
3013 3012
0022 220 Si
2111 2011
0021 220 Si 2111 2011
311 220
Pt-Ni
Рис. 2. Увеличенные фрагменты электронограмм (а, в, д) и ПЭМ-изображения (б, г. е) гетероструктур для Еи = = 185 Дж/см2 на облученной (а, б) и необлученной (в, г) сторонах пластины Si: 1 - (Pt,Ni)2Si, 2 - Pt1 - ^Ni^-Si, 3 _ Ni1 _ yPtySi; д, е - структура поверхностной пленки твердого раствора Pt-Ni.
Фазовый состав пленок и параметры решеток силицидов, образующихся при различных режимах ИФО и ТО
ИФО ТО
Еи, 2 Дж/см2 Фазы на облученной стороне пластины Параметры решетки, нм Фазы на обратной стороне пластины Параметры решетки, нм t, °С Фазы Параметры решетки, нм
185 N1! _ ^81 а = 0.569, Ъ = 0.520, с = 0.335 (Р1,№)281 а = 0.598, Ъ = 0.560, с = 0.344 350 №281(Я) а = 0.3805, с = 0.4890
Р1х _ ¿N1,81 а = 0.588, Ъ = 0.547, с = 0.350
(Р1,№)281 а = 0.598, Ъ = 0.560, с = 0.344
215 №х _ ^81 а = 0.569, Ъ = 0.520, с = 0.330 N11 _ а = 0.569, Ъ = 0.520, с = 0.330 500 №1 №1 _ уР1у81(Я) а а = 0.328, с = 0.522 = 0.569, Ъ = 0.520, с = 0.330
Р11 _ ¿N1,81 а = 0.586, Ъ = 0.544, с = 0.348 Р11 _ ¿№¿81 а = 0.586, Ъ = 0.544, с = 0.348 Р11 _ ¿N1x81 а = 0.586, Ъ = 0.544, с = 0.348
230 Р11 _ ¿N1,81* а = 0.578, Ъ = 0.540, с = 0.344 N11 _ ^81 Р11 _ ¿N¿81* а а = 0.569, Ъ = 0.520, с = 0.330 = 0.584, Ъ = 0.542, с = 0.347 700 Р11 _ Р11 _ ¿N1x81 ¿N¿81* а = 0.578, Ъ = 0.540, с = 0.344
245 Р11 _ ¿N1,81* а = 0.574, Ъ = 0.536, с = 0.342 Р11 _ ¿N¿81* а = 0.574, Ъ = 0.536, с = 0.342 800 Р11 _ ¿N¿81* а = 0.574, Ъ = 0.536, с = 0.342
* Крупнозернистый силицид.
При Еи = 215 Дж/см2 (рис. 3) на обеих сторонах формируются двухслойные нанокристаллические (размер зерен до 50 нм) силицидные гетерострукту-ры (ПЩ^ _^8^ _¿N¿81 в ОС(1). Высокая дисперсность субструктуры обусловлена зарождением фаз в трех эквивалентных ОС. В условиях ослабления действующего отражения на межфазной границе (010)Р11 _ ¿М^НОЮ)^ - ^81 выявляются ряды дислокаций несоответствия (ДН на рис. 3) с периодом РдН = 12 - 15 нм. Для компенсации несоответствия / = О.04 при величине вектора Бюр-герса \Ъ\ = 0.57 нм необходима решетка ДН с периодом около 13 нм. Несовпадение указывает на возможную недислокационную частичную компенсацию несоответствия.
При Еи = 230 Дж/см2 (рис. 4) для пленки на облучаемой поверхности характерно двухмодальное распределение зерен Р^ _ ¿N¿81 по размерам: крупные изогнутые кристаллиты с С = 500 нм находятся в окружении ориентированных по соотношению (1) зерен высокодисперсной (С = 50 нм) матрицы. Такая субструктура пленки с одновременным изменением текстуры образуется в результате вторичной рекристаллизации [19].
При Еи = 245 Дж/см2 (рис. 5) на обеих сторонах пластины формируется гомогенный поликристаллический слой силицида Р1х _ ¿N¿81 с размером зерен до 2 мкм. Средний размер зерен на облученной стороне _ 800 нм, на обратной _ 500 нм.
При Еи = 285 Дж/см2 пленка силицида на обеих сторонах кремниевой пластины кристаллизовалась из расплава, что свидетельствует об одинаковом температурном режиме, устанавливающемся на обеих сторонах.
Сопоставление фазового состава и субструктуры силицидов для ряда значений Еи на обеих сторонах пластины показывает, что эффект ИФО проявляется в опережении твердофазной реакции в гетеро-структуре, подвергаемой прямому воздействию светового излучения. В обоих случаях выявляется стадия образования силицида (Р1,№)281.
ТО. Из рис. 6 следует, что в условиях изотермического отжига реакционная диффузия в системе протекает менее активно и первым в реакцию при £ = = 350°С вступает контактирующий с подложкой N1 с образованием №281 гексагональной модификации (Р63/ттс), при этом формируется гетероструктура Р1_(Р1-№)_№281_(111)81. Вследствие малости величины / силицид эпитаксиально ориентирован в ОС:
Рис. 4. Увеличенные фрагменты электронограмм (а, в) и ПЭМ-изображения (б, г) гетероструктур для Еи = 230 Дж/см2 на облученной (а, б) и необлученной (в, г) сторонах; индексы отражений соответствуют Р^ - .№.81(2), N1! - уР1у81(3).
Рис. 5. Увеличенные фрагменты электронограмм (а, в) и ПЭМ-изображения (б, г) гетероструктур для Еи = 245 Дж/см2 на облученной (а, б) и необлученной (в, г) сторонах.
Рис. 6. Фрагменты электронограмм и ПЭМ-изображения гетероструктур для t = 350 (а) и 400°С (б).
♦
Рис. 7. Увеличенные фрагменты электронограмм (а, в) и ПЭМ-изображения (б, г) гетероструктур для t = 500 (а, б) и 600°С (в, г): 1 - Ptj _ .Ni.Si, 2 - Nij _ ^PtySi.
(0001)[112 0]Ni2Si || (111)[11 0]Si. (2)
При 400°С формируется гетероструктура Pt_(Pt-Ni)_Ni2Si_Pt1 _ .Ni.Si_(111)Si. В ней силицид Ni2Si сохраняет ориентацию (2). Размер зерен остающейся пленки Pt практически не изменяется.
При t = 500°С (а, б) и 600°С (в, г) (рис. 7) формируются двухслойные силицидные
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.