ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТЖИГА ПЛЕНОК СИЛИЦИДОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ НА АТОМНОЕ ОТНОШЕНИЕ Si/МЕТАЛЛ

Введение

Силициды металлов получают большее распространение в качестве материалов контактов и межсоединений сверхбольших интегральных схем (СБИС) [1–7]. Уменьшение размеров элементов БИС, обусловленное постоянным совершенствованием технологии, привело к ужесточению требований к материалам, применяемым при изготовлении БИС [8, 9]. В работе для оценки термической стабильности силицидов ис-следовано изменение атомного отношения Si/металл в пленках силицидов тугоплавких металлов W, Мо и Та, подвергнутых отжигу в инертном газе и термическому окислению.

Результаты и обсуждение

Пленки силицидов осаждались в установке магнетронного распыления с двумя катодами – из тугоплавкого металла и кремния Si, легированного сурьмой Sb. Регулировка мощности позволяла получать пленки с различными отношениями Si/металл на подложках (100) Si или SiО₂. Пленки TaSi_х и WSi_х осаждались при скорости вращения подложки 5об./мин, а пленки MoSi_х – при скорости 15 об./мин.

Во всех случаях толщина пленок была равна 250 нм. В табл. 1 приведены состав пленок силицидов тугоплавких металлов.

Таблица 1

Состав плёнок силицидов тугоплавких металлов

Отжиг слоев производился в атмосфере Аr при температуре 920 и 1100 °C. Окисление проводилось во влажном водяном паре при 920 °С в течение 40 мин после предварительного отжига в атмосфере Аr при 700 °С [10].

Состав пленок силицидов контролировался методом обратного рассеяния ионов ⁴Не⁺ с энергией 2,3 МэВ. Полученные спектры энергетических потерь преобразовывались в зависимости концентрации от глубины.

На рис. 1 приведен спектр обратного рассеяния для осажденной пленки силицида Та.

Рис. 1. Спектр обратного рассеяния для осажденной пленки силицида Та

Пример трансформации этого спектра в зависимость концентрации oт глубины приведен на рис. 2

(подложка Si).

Рис. 2. Зависимость концентрации oт глубины

Отношение Si/металл в данном случае составляет 2,6 при толщине пленки TaSi_х 240 нм. В результате отжига при температуре 920 °С в течение 30 мин отношение Si/металл изменяется до 2,2, а толщина слоя составляет 230 нм. Отжиг той же длительности при 1100 ^оС дает более сложную картину: плоский участок зависимости, характеризующий слой TaSi₂,₂ толщиной 90 нм вблизи поверхности пленки, сменяется протянувшимся на 200 нм хвостом, где концентрация металла медленно спадает до нуля, а концентрация Si растет, достигая значения концентрации в объемном материале. Появление хвоста может быть связано с тем,

что при температуре ³ 1100 °С становится все более благоприятным эпитаксиальное осаждение атомов Si

на поверхность монокристаллического Si. Другая причина может заключаться в шероховатости границы раздела силицид/Si при высоких температурах.

Отжиг при 920 °С в течение 240 мин той же пленки TaSi_x не вызывает изменения профиля обратного рассеяния по глубине, полученного в результате получасового отжига при той же температуре. Стехиометрия и тол-щина этого слоя силицида не изменяются и после окисления в водяном паре при 920 °С в течение 40 мин.

Сравнение результатов отжига при 1100 °С в течение 30 и 120 мин показывает, что последний дает обогащенный Si силицид вблизи поверхности (Si/Ta-2,3) при несколько более длинном хвосте.

При окислении обогащенной Та пленки TaSi_1,8 толщиной 260 нм наблюдается сегрегация избыточного металла на поверхности и образование лежащего ниже слоя TaSi_2,2 толщиной 270 нм. Отжиг той же пленки не вызывает сегрегации Ta, однако приводит к образованию слоя TaSi_2,2 толщиной 290 нм.

Аналогичные эксперименты проводились и с пленками силицидов Мо и W, которые имеют различные атомные отношения Si/металл сразу после осаждения. Результаты для пленок силицидов трех видов суммированы на рис. 3–5, где изображены зависимости атомных отношений Si/металл Та, W и Мо, соот-ветственно, от различных видов обработки.

Рис. 3. Зависимости атомных отношений Si/металл Та от различных видов обработки

Рис. 4. Зависимости атомных отношений Si/металл W от различных видов обработки

Рис. 5. Зависимости атомных отношений Si/металл Мо, от различных видов обработки

Здесь: 1 – сразу после осаждения (по данным обратного рассеяния), 2 – отжиг в Аr при 920 °С в течение 30 мин, 3 – окисление во влажном паре при 920 °С в течение 40 мин, 4 – отжиг в Аr при 1100 °С в течение 30 мин.

Как видно из рис. 3 и 4, в пленках силицидов Та и W на Si отношение Si/металл после тепловой обработки стремится к ~ 2,2, в то время как стехиометрия пленок MoSi_z стремится к ~ 2,1 (рис. 5). Эти результаты в определенных пределах не зависят от стехиометрии пленок силицидов сразу после осаждения.

Те же виды термообработки не вызывают заметных изменений стехиометрии пленок силицидов, осажденных на подложки SО₂. Это свидетельствует о том, что силициды не могут обмениваться атомами Si с подложкой SiО₂ с той же легкостью, какая наблюдается для подложек Si.

Выводы

Показано, что термообработка полученных одновременным осаждением компонентов пленок TaSi_x, WSi_y и MoSi_z ( х , у , z в пределах 1,8–3,0) на подложках Si приводит к равновесным значениям параметров: x = 2,2, у = 2,2, z = 2,1. Эти изменения стехиометрии сохраняются вне зависимости от того, является ли среда инертной или окисляющей. Обогащенные Si дисилициды, имеющие сразу после осаждения отношения Si/металл больше указанных выше равновесных значений, будут при термообработке отдавать атомы Si подложке. То есть, обогащенные Si пленки будут уменьшать свою толщину, а обогащенные металлом увеличивать ее в результате тепловой обработки.

При термообработке пленок силицидов на SiО₂ не выявлено изменений стехиометрии. Вероятно, силициды не могут терять или приобретать атомы Si в подложке SiО₂ с той легкостью, какая наблюдается для подложки Si.

Высокотемпературный ( ³ 1100 °С) отжиг силицидов на Si приводит к заметному расширению границы

раздела силицид/Si, которое скорее всего связано с ее неровностью при высоких температурах. Этот эффект устанавливает верхний предел термообработки силицидов. Основной пик соответствовал энергии 1,513 эВ. Изучение однородности слоев по толщине и составу показало, что изменение состава было менее 1 %.