Электронная микроскопия высокого разрешения многослойных систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ КРИСТАЛЛОГРАФИИ ИМ.А.В.ШУБНИКОВА

Ка правах рукописи

ЛЕБЕДЕВ ОЛЕГ ИГОРЕВИЧ

УДК 537.533.35:548.24:548.732:620.187.3

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМ

Специальность 01.04.07 - Физика твердого тела

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1994

¡■-•¡бсто быполнно б Институт© кристаллографии им. А.В.Шуоншсова РАИ Научгый руководитель: Член-корр.РАН Н.А.Киселев

официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук Р.М.Имамов Кандидат физико-математических наук Н.А.Берт

Ее думая, организация: Научно-исследовательский институт материаловедения (Москва, Зеленоград)

ааз:тп состоится НОЯБРЯ 19Э4 г. в 42 часов на васедангл специализированного совета Д.С02.58.01 ггеи Институте кристаллографы РАН по адресу: 117333 Москва, Ленинский пр., 59.

С диссертацией можто ознакомиться в библиотеке Института кристаллографии РАН им. А.В.Шубкисова.

Автореферат разослан " " СА1934 г. Ученый сектзэтаръ Специализированного совета

Актуальность проблема

Основной элементной базой больших универсальных и специальных ЭВМ начала и середины 90-х годов являются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) логики и памяти. Постоянно растущая необходимость хранить и обрабатывать огромные массивы информации заставляет непрерывно совершенствовать базовые технологи! создания СБИС, проводить модернизацию приборных структур и уменьшать топологические размеры КС,, что позволяет увеличить количество элементов на кристалле и, следовательно, плотность упаковки ИС. Реализация подобного рода структур требует кардинального решения проблем межсоединений и контактов к мелкозалогавдим г.-п переходам. С ростом степени интеграции межсоединения занимают все большую площадь кристалла и, по существу, определяют все основные параметры ИС: быстродействие, энергию переключения, рассеиваемую мощность, помехоустойчивость, надежность и др. Использующиеся в настоящее время материалы для межсоединений и омических контактов , такие как поли-кремний, металлы (м, и. мь и др.!, наряду с примечательными, имеют ряд свойств существенно ограничивающих их применение для омических контактов и межсоединений в современной технологии СБИС: относительно высокое сопротивление (поли-Б!), высокая диффузионная способность (А1), слабая химическая и термо стабильности и, как следствие, взаимодействие с эх подложкой. Обладая низким удельным сопротивлением и высокой термостабильностью, пленки силицидов, и в частности силицидов титана, имещих минимальное удельное сопротивление, привлекают повышенный интерес. Использование силицидов тугоплавких т.та.мо____) и полублагородных (со! металлов и "самосовмзшекной" технологии для формирования контактов к мелкозалегаюшим р-р переходам позволяет в целом решить эту проблему. По нашему мнению, многоуровневые системы на

основе силицидов тугоплавких-металлов отвечают всем осноеным требованиям, предъявляемым к системам металлизации, и являются наиболее переспективными.

В связи со значительным уменьшением размеров ИС к переходом технологий к микронным и субмикронным размерам элементов электронная микроскопия высокого разрешения (ЗМВР) приобретает приоритетный характер. ЭМВР позволяет на уровне кристаллической решетки определить реальную структуру пленок, многослойных систем и готовых изделий. Исследование структур границ раздела (ГР),. во многом определяющих физические свойства этих систем и изделий на их основе, мекзеренных границ tf.iT) методами ЭМВР позволяет установить наиболее общие фундаментальные закономерности Формирования этих структур (эпитаксиальные соотношения, дислокационную структуру, механизмы роста, химический состав и структуру приграничных слоев). Все это дает возможность управлять структурой на . атомном уровне и позволяет формировать структуру с заданными свойствами. Значение этого для яшеснего уровня развития микроэлектроники трудно переоценить.

Исследования тонких пленок и изделий на их основе на атомном уровне позволяют связать электрофизические свойства и их реальную структуру, что особенно актуально для высокотемпературных сверхпроводников ШТСП), где мельчайшие вариации состава, микродефекты структуры на атомном уровне оказывают значительное влияние на температуру критического перехода, его ширину, плотность критического тока. В случае многослойных систем и изделий на основе ВТСП пленок, в частности дкозефсоновских контактов (ДК), ЭМВР является единственным прямым методом, позволяющим определить реальную структуру и оценить возможную причину отказа работы такого прибора (наличие дефектов, атомных ступеней в подложке, микро-

влюченкй в подложке и на ГР, возникновение второй фазы или тонких аморфных прослоек на ГР и МГ и т.п.), определить структуру и причину возникновения слабых связеЯ в ооласти ДК.

Цель работа.

1. Исследование границ раздела и структуры пленок tísi„ на sí0o ¡i si, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Определение оптимальных параметров для получения пленок tísív на зю, и si с максимальным структурным и фазовым контрастом.

2. Исследование кинетики фазооОразования пленок tísív в зависимости от толщины слоя Si0o.

3. Исследование структуры и границ раздела многослойных систем металлизации на основе силицидов тугоплавких металлов -ai- (w-tím-itisí^/skíoo >. Определение структуры термостаоильной многослойной системы и технологических параметров ее получения.

4. Исследование процессов взаимной диффузии в многослойных системах металлизации ai-íw-tin-itísi^/skiooi.

5. Исследование структуры и границ раздела многослойной системы на основе ВТСП пленок YBaoCu307_^-PrBa.oCu307_,,- . . . /SrT10( 100 !

6. Исследование реальной структуры торцевого ДК на основе ВТСП пленок с PrBa^cu^o.^,, барьерным слоем.

Научная ковнзка.

I. В результате исследований структуры пленок tísíx на si и sio,,. процессов их фазооОразования впервые показана возможность получения пленок tísí.t на sí и sto0 с фазовым и структурным контрастом методом молекулярно-лучевой эпитаксии при относительно

низких температурах (-600°С) в одном вакуумном цикле.

2. Исследования кинетики фазооОразовагзия пленок

иа зю,, различной толщины позволили обнаружить неизвестный ранее "конвертируемый" рост фаз иб^ на тонких, слоях зю,,, по-сравнении с ростом на 31- Обнаружено существование фазы считавшейся ранее нестабильной. Предложена модель фазообразования на тонких слоях эю, пои латеральной диффузии в! в пленку.

— ~ у

3. ЭМВР исследования структуры многослойных систем «1-ш-Т1М-111> и границ раздела позволили обнаружить .необычную для подобных систем взаимную диффузию атомов зь и и А1, с образованием включений в приграничной области подлоааси. Является новым обнаруженное влияние условий отжига и состава многослойных систем на неровность границ раздела и наличие тонких промежуточных слоев. Предложено объяснение этому факту.

4. Впервые методом ЭМВР исследована реальная структура торцевого ДК с ргВаоСиг,07_„ барьерным слоем на основе ЕТСП пленки УВаоси30?_„, определены истинные геометрические параметры, дефекты, структура и причина возникновения слабых связей в области ДК.

Практическая ценность.

Исследования структуры и фазового состава пленок силицидов титана, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на 51(100) и гю,, позволили определить условия получения пленок с максимальным фазовым и структурным контрастом при относительно низких температурах:низкоомнсй с-54 Т1310 и высокоомной Т1е31?. На основании полученных данных по фазовому составу пленок был найден селективный травиталь для пленок составов Т1„,Б1-Т1(Ц51. в результате химического травления которым пленка Т151„ на то,, удаляется полностью, а на енню; остается неизменной. Полученные результаты

позволяют надеяться на решение проблемы формирования высоконадежной системы межсоединений и контактов к мелкозалегащим р-п переходам.

Исследования кинетики фазообразования пленок тчэн на

~ -у.

клинообразно изменяющемся по толщине слое бю,, позволили обнаружить при определенных толщинах конвертируемый, то-сравнении с ростом на 51, рост силицидных фаз. Определена критическая толщина слоя 510,, > при которой отсутствует взаимная диффузия т1 и 31 через слой зю0. Обнаруженный конвертируемый рост и данные по критической толщине слоя зю,, необходимо учитывать в технологии СБИС для предотвращения закороток.

Исследование многослойных систем на основе силицидов тугоплавких! металлов, границ раздела и процессов'диффузии позволили определить состав и оптимальные технологические условия получения термостабильной системы металлизации. Полученная, как конечный результат, структура А1-«-т1Н-Т151,/зк ш> отвечает всем основным требованиям для систем металлизации и может быть успешно применена в технологии СБИС.

Исследование многослойной систеш на основе ВТСП пленок ува0сичо^_„-ргвь0сичОт./Згтю^с юо! позволило определить структуру слоев и границ раздела, влияние поверхности подложки Эгтю^иоо) на качество растущей'пленки. Показана возможность формирования методом лазерной абляции многослойных с ориентированны/, перпендикулярно поверхности подложки пленок, обладающих наибольшей токонесущей способностью и наименьшими магнитными шумами, что является весьма важным при создании на их основе дкозефсоновских контактов (ДК).

Определение реальной структуры торцевого дкозефсоков-ского перехода (ДП), его геометрии, определяющей электроФизичее-

о

кие параметры, позволяет выорать оптимальную технологию получения ДП -о высоким процентом воспроизводимости и использовать данные ЯП . при изготовлении готовых приборов СКВИДов. Определение структуры слабых связей и дефектов на торцевой границе ДК, структуры слоев и границ раздела между ними позволяет учесть их влияние на электрофизические свойства ДП.

Основные научные положения, выносише на защиту.

1.Наличие слоя зю, приводит к изменению механизма роста пленок силицидов титана, полученных методом соиспарения в условиях сверхвысокого вакуума, а также их фазового состава и структуры, по сравнении с пленками на екюо».

2. Модель конвертируемого роста фаз т!31„ на тонких слоях бю,,. по-сравнению с ростом на 31, с учетом латеральной диффузии 81. Влияние толщины слоя на кинетику фазообразования пленок силицидов титана.

3. Основным фактором, влияющим на структуру многослойных систем А1-Ш-Т1Н- пмэ^/зк , слоев и границ раздела является процесс взаимной диффузии атомов д1, и. 31, определяющийся составом и условиями формирования систем.

4. Активная диффузия н в системед1-у;-т1Б1.^/21; ш> отожженной на воздухе, в приповерхностную область подложки гшш через слой Т131^ с образованием включений обусловлена взаимным влиянием металлов системы и кислорода.

5. Реальная структура многослойной системы на основе ВТС1Г пленок уввг,С1^до7_^,-РгВа2оидо7_„-... /5гтюя( юо 1. Влияние качества поверхности подложки на структуру и дефектность растущей пленки: компенсация неровности поверхности подложки згтю.^юо) порядка 15 А происходит в пределах первого растущего слоя

---а2

6. Связь геометрических и электрофизических параметров. Реальная структура торцевого ДК с ргВа9Сияо7 барьерным слоем, полученного лазерным распылением: сруктура слоев ДП, границ раздела, наличие промежуточный слоев.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

1. XV Республиканская конференция по электронной микроскопии, г.Кишенев, 1990г.

2. XIV Всесоюзная конференция по электронной микроскопии, г.Суздаль, 1990г.

3. Международная школа по электронной микроскопии, г.Халлэ, Германия, 1991г.

4. VII Международная конференция по микроскопии полупроводниковых материалов, г.Оксфорд, Англия, 1991г.

5. х Европейская конференция по электронной микроскопии, г.Гранада, Испания, 1992г.

6. хи Международная вакуумная конфренция, Голландия, 1992г.

7. VIII Международная конференция по поверхности твердого тела, Голландия, 1992г.

8. ут Международная конференция • по микроскопии полупроводниковых материалов, г.Оксфорд, Англия, 1993г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 18 работах. Список основных публикаций по теме диссертации приведев е конце автореферата.

я

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Сна содержит 114 страниц рукописного текста, 85 рисунков, 7 таблиц и 239 библиографических ссылок, включая публикации автора.

Содержание работы

Во-введекии обоснована актуальность работы, сформулирована цель диссертационной работы и задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной пели, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту, показана практическая значимость работы.

В первой главе приводится литературный обзор, состоящий из трех частей.

Первая часть посвящена современным методикам приготовления образцов для ПЭМ, в основном в приложении к тонким пленкам и многослойным системам на их основе. Последовательно рассмотрены все этапа приготовлени образцов "в плане" и поперечных срезов. Особое внимание уделено ионному травлению, возможности получения высококачественных образцов с большими площадями, прозрачными для электронов, и минимальными повреждениями или аморфнзацией поверхности образца в процессе его приготовления. Описаны артефакты, которые могут появиться в процессе ионного травления и приведены способы, позволяющие их избегать. Особое внимание уделено многослойным структурам, и в частности пленкам ВТСП, где возникают значительные трудности, связанные с различным;! скоростями травления компонентов многослойных систем, подложки и пленки.

Во втоиой части оозора рассмотрены особенности

формирования электронномикроскопического изображения с разрешением на уровне кристаллической решетки. Обсуждаются пределы разрешения "по точкам" и по кристаллической решетке в рамках рассмотрения передаточной функции контраста (ПФК) электронного микроскопа, влияние нестабильностей на ПФК. Приводится краткий обзор метода микрозондового рентгеновского анализа в ПЗМ, обсуждается пространственное разрешение рентгеновского микроанализа п возможности его применения для исследования многослойныых систем на основе тонких пленок. Также дан обзор метода оптической дифракции как средства, существенно облегчающего определенна структуры объекта, идентификацию фазового состава.

В третьей части приводится анализ литературных данных по исследованиям материалов современной микроэлектроники и технологии кремниевых СБИС - тонких пленок силицидов тугоплавких металлов, систем многослойной металлизации, а также ВТСП пленок и многослойных структур на их основе.

Современный уровень развития технологии СБИС требует создание высоконадежных систем металлизации, основным материалом, использовавшимся ранее для этих целей, был м. Однако существует целый ряд проблем, которым посвящено большое количество работ, делающим неприемлимым использование непосредственно а1 в контакте с 31 подложкой. Общим в современных системах металлизации СБИС является наличие барьерных слоев между а1 и 31. В обзоре приводятся различные варианты барьерных слоев, использовавшиеся различными исследовательскими грушами. При всем многообразии вариантов систем металлизации многоуровневые системы на основе силицидов тугоплавких металлов и самих тугоплавких металлов наиболее полно удовлетворяют основным требованиям.

Переспективным направлением в решении проблем многою

слойных соединений является применение в качестве первого слоя силицида титана, обладающего наименьшим сопротивлением. Достаточно полно изучена структура и фазообразование пленок силицидов титана, полученных различными методами. Существует целый ряд моделей фазо-образования в различных системах: Т1-31 и Ti.-si.-o. Изучены

процессы фазоооразования в этих системах. Показана возможность получения низкоомноя фазы с-54Т1г1с, методом МЛЗ при достаточно низких - температурах подложки. Далее приводятся данные немногочисленных исследований многослойных систем металлизации, где в качестве первого слоя использовался силицид титана. Тем не менее термостабильной системы получить не удалось. Исследование процессов диффузии в такой многокомпонентной системе не проводились.

И в заключении этой части обзора рассмотрены проблемы "салицидаого" процесса при создании контактов к мелкозалегающим элементам. Показана невозможность использования его в субмикронном диапазоне топологических размеров. Исследований процессов фазо-образования пленок полученных методом МЛЭ в одном вакуумном

цикле на зю,,, не проводились.

Далее приводятся данные исследований многослойных систем и структур на основе ВТСП пленок. В обзоре коротко рассмотрены методы получения ВТСП пленок на основе гвсо. Особое внимание уделено методу лазерной абляции. Приводится сравнительный анализ подложек, используемых при.получении пленок увсо, покеазаны их преимущества и недостатки. Омечается, что структурныые и сверхпроводящие свойства в значительной степени зависят от материала подложки.

Значительный интерес представляют многослойные системы на базе пленок ВТСП. Такие структуры представляют собой многослойную систему, состоящую из СП и несверхпроводящего или изолирующего

слоев, и являются основой для создания ДК. Существует достаточное количество работ по ВРЭМ исследованиям подобных систем с различным составом и структурой слоев. В них приводятся данные исследований границ раздела между слоями, характерных дедефектов и условиям получения максимального контраста слоев при ВРЭМ исследованиях. В заключение обзора приводятся различные варианты существующих дао-зефсоновских контактов, обсуждаются преимущества торцевого ДП перед пленарным. Приводятся данные ВРЭМ исследований планарного ДП, показано влияние ориентеции подложки (в частности угла наклона ступени в подложке) на ориентацию оси с по отношению к ее поверхности. ВРЭМ исследования структуры торцевого ДП, струтуры границ раздела и собственно торцевого ДК ранее не проводились.

Во второй главе описаны методики приготовления образцов и электронно-микроскопических исследований. Образцы пленок силицидов титана и многослойных систем на их основе приготавливались химическим и ионным травлением. Для исследования структурного и фазового состава пленок силицидов титана были приготовлены образцы "в плане" (подложка и часть пленки удалялись химическим травлением) и поперечные срезы (ионное утонение). Для исследования многослойных систем металлизации и многослойных структур на основе ВТСП пленок были приготовлены поперечные срезы методом ионного травления. Из-за большого различия коэффициентов распыления увсо и материала подложки при ионном травлении поперечных срезов многослойных структур на основе пленок ВТСП использовались защитные экраны для предотвращения травления вдоль границы.

Исследования проведены на микроскопе Филипс ем-4305Т при ускоряющих напряжениях п=200, 250 и 300 кВ. Микрозондовый анализ спектра характеристических потерь для многослойных

! ^

систем металлизации оыл проведен на микроскопах Филипс CM-3Q и Хитачи H-8Q0. Для определения фазового состава включений и мелких зерен пленки силицида титана от части изображений с высоким разрешением были получены картины оптической дифракции.

В третьей главе представлены результаты исследований пленок силицида титана на si и Si0o, полученных в одном вакуумном цикле, а также многослойных систем металлизации на основе пленок силицидов тугоплавких металлов.

Методами ПЭМ и ЭМВР определена структура и фазовый состав пленок tisi„ на st и sio,,, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии при различных температурах подложки. Изменение фазового состава, морфологии пленок и границ раздела, структура зерен и образование дефектов зависит от температуры подложи и процессов диффузии.

структура и фазовый состав пленок tisi,, на зшоо? зависит от температуры подложки. Увеличение Тп от 600°С до 700°С усиливает взаимодействие пленки с si подложкой, что приводит к увеличению размеров зерен и выравниванию границы раздела. Уже при относительно низкой температуре ТП=600°С образуется дисилицид титана, а при ТП=700°С низкоомная фаза c-54Tisi,,. Граница раздела tisi^/sk 100» имеет волнистый характер и выстраивается в виде ломанной линии по кристаллографическим направлениям uii> и ио'Л. Такая морфология границы обусловлена малой химической стабильностью плоскостей (100) в сравнении с (III). ЭМВР исследования границ раздела и меж-зеренных границ в пленке показали отсутствие аморфных прослоек, что свидетельствует об образовании безкислородных МГ. Кислород вытесняется на поверхность пленки, где впоследствии испаряется в Еиде sio. Дефекты, связанные с несоответствием параметров решетки силицидов и si подлокки, локализуются на границе раздела, не про-

никая в пленку.

Струтура и фазовый состав пленок Т13^ на зю,, существенным образом отличается от пленок на 31. Преимущественной фазой при всех температурах подложи является Т1531д. Слой зюг,, предотвращая взаимодействие пленки Т131„ с подложкой зь является источником кислорода, оказывающего значительное влияние на структуру пленок. При температурах ТП=600°С диффузия кислорода из эю.., незначительная, а обнаруженное наличие аморфной фазы в пленке обусловлено низкой температурой подложки. Начинающее при ТП=650°С взаимодействие пленки Т1;51„ с зю0 сдерживает рост фазы тцз!,, и приводит к уменьшению размеров зерен и количества аморфной фазы. При ТП=700°С диффузия кислорода из зю, увеличивается. Растущая .пленка тцз1я перераспределяет кислород, вытесняя ого на поверхность,частично аморфизируя ее. При этом размер зерен резко уменьшается.

® Т 1 Э {2 5 пт * Т| Б1 <з> 20пт >

Э102

^ 3-5ткт

Рис.! Схематическое изображение фазового состава пленки из^ в зависимости от толщины слоя ею,.

Фазовый состав пленок Т131^ зависит от толщины слоя зю,.,.Суммируя полученные экспериментальные данные, фазовый состав пленки Т181ч. в зависимости от толщины слоя зю,, можно представить в виде схемы, изображенной на рис.1. При толщинах а<-5нм (участок I) происходит активное взаимодействие пленки с подложкой, а фазовый состав близок к пленкам Т131„, сформированных на 51. При тол-

щине 20нм>с1>5нм (участок 2) обнаружен конвертируемый рост фаз Т1Б1„ по-сравнению с ростом на 31. В данном случае механизм фазо-оора'зования определяется соотношением предельных растворимостей кислорода в и-, Э1 и силицидных фазах, с учетом латеральной диффузии из подложки в растущую пленку пз! .

I

V V

Т1 •

I- ми * Ш

¥

Л ♦ Б)

Б!

¿¡¡Л___

I ЭШ!'

~д\/ ' _ I'-?!___

у, г' т;5эи /; !

81

Рис.2 Схема процесса фазообразования пленок из!,. на тонких слоях бю9 (скбнм).

Согласно этому механизму, в условиях избытка кислорода необходимо рассматривать систему т!-31-о, где цервой растущей фазой на границе раздела пленка/подлокка будет фаза, обладающая наибольшей предельной растворимостью кислорода, т.е. тцз^ /рис.2а). Очевидно, что при фиксированной температуре процесса толщина слоя будет ограничена количеством кислорода,попадающего в пленку из зю,, При определенной толщине Т1с31л количество кислорода, диффундирующего к границе раздела тцз^/растущая пленка, становится сравнимым с тем количеством, которое допускает образование в системе Т1-31-0 фазы иг! (рис.2б). Эта фаза и начинает расти сверху Аналогичные рассуждения справедливы и для объяснения роста следующей фазы (рис.2в). Важным является вопрос о диффузии зь При формировании пленки Т131^. на клинообразном зю0 рост силицидных фаз на зю? толщиной о ■> 5 нм происходит за счет латеральной диф-

фузии .31- Длина проникновения 31 в пленку Т131., на зю2 в данном случае составляет 3 мкм.

Таким образом, проведенные исследования показали возможность, получения различных по составу и свойствам пленок Т1Б1 на 31 и эш, в едином вакуумном цикле. Причем даже при относительно низких температурах (ТП=600°С) существует значительный структурный и фазовый контраст пленок. По-видимому, оптимальным для данного процесса можно считать температуру 650°С.

Экспериментальные результаты, полученные при исследовании термостабильности многоуровневых систем, можно свести к схеме, представленной на рис.3. Исследования системы 31/Т1310-А1 показали, что структура системы не меняется до 650°С, хотя при Т0=Б50°С наблюдается развитие границ между л1 и т131,,. При Т0=650°С процесс взаимной диффузии и 31 приводит к образовании тройного химического соединения т17а.155110. Наличие слоя м между А1 и Т1312 предотвращает образование тройных соединений типа тцлцб!^ во всех исследованных системах. Однако в зависимости от условий отжига (на воздухе или в вакууме), а также от состава си-лицидного слоя процесс взаимодействия слоев многоуровневой системы существенно различается. Отжиг системы 31/Т1310-И-А1 на воздухе приводит вначале к коагуляции пленки ад, а затем при То=650°С к полной диффузии ад вглубь системы. Данные рентгеновского микроанализа свидетельствуют о значительной диффузии через слой Т131,, атомов « и 31. Результаты ЗМ исследований показывают, что при То=550°с слой V преобразуется в металлообогащенный силицид м„31я. При этом увеличение толщины слоя не происходит, так как часть и диффундирует в =1 подложку, образуя микровключения Важно

отметить, что на границе, включений и с подложкой,по- видимому, образуется слой, обогащенный вакансиями 31. Затем по этим дефектам

Условия

отжига

воздух

воздух

вакуум

взкуум

взхуум

^Исследуемая

цстема Температура отжига, ^С

А1-Бр

А1-\ЛМ181г/51

АШ-'ПЯх/Я

650

550

450

■ -Тг^А^п - •

Рис. 3 Схема экспериментальных результатов, полученных при ЭМ исследованиях многоуровневых систем 31(111)/Т131 -(Т1м-*п-А1, отожженных при различных условиях.

115

а диффундирует в подложку с образованием силицидов. Наличие ах существенно ускоряет процесс диффузии и и 31. Велико влияние среда отжига на процессы взаимной диффузии-. Многослойные системы, отожженыэ • в вакууме, существенно отличаются от систем, отожженных на воздухе. В этом случае процессы взаимной диффузии протекают значительно медленнее. Как видно из результатов исследований, система 51/Т1310-м-А1, отокженная в вакууме, является стабильной при То-550°С.

Значительное влияние на процесс 'термостабильности оказывает и стехиометрия силицидного слоя. В случае системы 31/Т131-к-а1 отжиг при Т=550°С приводит к началу взаимодействия на границе 31/Т181, так как система стремится к образованию стабильной фазы Т1810. Как известно, основным диффундирующим компонентом в данном случае является 31. Это приводит к возникновению богатого вакансиями слоя 31, в который начинается диффузия и. Поэтому при То=550°С на границе раздела Т131-31 обнаружены включения V». Однако следует отметить, что количество таких включений и глубина их проникновения в 51 подложку значительно меньше, чем в случае отжига на воздухе. Из этого можно предположить, что наибольшее влияние на процессы взаимной диффузии оказывает кислород.

Анализ результатов исследований позволяет предположить, что процессы диффузии начинаются с переноса 31 из подложки. Сравнительный анализ изображений многоуровневых систем, отожженных при то=450°с как на воздухе, так и в вакууме, свидетельствуют об образовании участков, имеющих светлый контраст, которые, еидимо, представляют сооой области с высокой концентрацией дефектов - вакансия и пор. При отжиге в Еакууме толщина дефектного слоя в приграничных слоях 31 подложки не превышает нескольких нм. Происходит интенсивная диффузия вольфрама в эти области с образованием его

силицидов. При отжиге на воздухе с ростом температуры зерна силицидов w оыстро разрастаются. Определяющим в данном процессе диффузии вольфрама является присутствие высоких концентраций кислорода.

Следует отметить одну особенность систем si/tisi„-w-ai и Si/Tisi,,-TiN-w-Ai. отожженных в вакууме. При температурах отжига То=450°С и 650°С границы раздела ровные, плоские, а при температуре отжига Т0=550°С значительно увеличивается волнистость границ раздела. Появление неровностей границ раздела при температурах отжига То=550°С может быть связано с образованием областей с повышенной концентрацией дефектов в приповерхностных слоях si подложки. Из этих областей возможна интенсивная диффузия si с одновременным смещением границы раздела Tisi,,-si. В результате образуются волнистые границы раздела iisi^-si и Tisi0(TiN>-vj. При повышении температуры отжига процесс диффузии кремния (эррозия подложки) происходит более интенсивно. Учитывая, что в кремнии наиболее химически стабильны плоскости пик преобладающие направления эро-зш подложки могут быть (211!, которые параллельны поверхности (III) подложки. Таким образом, при повышении температуры подложки до 650°С границы раздела выравниваются. В отдельных случаях на границах раздела наблюдались аморфные прослойки толщиной несколько нм. Наиболее значительны эти прослойки в системе si/tisiv-w-ai, где возможно участие четырех компонентов ai. w, ti и si в их образовании. В системе siTioi,,-w-ai при отжиге 450°С вероятнее Бсего образуется тонкий ( Ihm) разупорлдоченный слой si-w-ai на границе Tisi.Пси повышении температуры его толщина возрастает до 5 ни. Из нал взгляд появление аморфных прослоек на границах слоев гяязано с образованием интерметаллических соединений. При использовании •-..'ц.ь-гнсл'о слон Tin диффузия вольфрама затруднена и оора-

зования интерметаллических прослоек не обнаружено.

В четвертей главе приведены результаты исследований гтогослойны систем ВТСП пленок и реальных структур на их основе -торцевого дкозефсоновского контакта с ргВаосия07 барьерным слоем.

Проведенные ЗМВР исследования многослойных систем YBa0cu3o7_4.-PrBar,cu3o7_„-.../SrTio3(юо) на основе ВТСП пленок показали возможность формирования методом лазерной абляции эпи-таксиальных с ориентированных пленок. Структура пленки, границ раздела определяется состоянием поверхности подложки-srTio^(ioo), ее ровностью на атомном уровне. Ступени на поверхности подложки являются одной из причин возникновения антифазных границ в пленке. Неровность поверхности компенсируется в пределах первого к подложке слоя prBe„cu3o7 за счет дефектов упаковки, возникновения промежуточных фаз. Количество дефектов в последующих слоях системы незначительное.Это в основном дефекты упаковки - двойные ряды сиО, которые локализуются на границе раздела. Полученные данные имеют большое значение при формировании торцевых ДП на основе многослойных систем, где область ДК находится вблизи подложки.

Исследование реальной структуры ДК-методами ПЭМ, включая ЗМВР, показали возможность создание торцевых ДК необходимой конфигурации (рис.4) с хорошими электрофизическими параметрами. Определены геометрические параметры ДК: угол скоса торцевого контакта 0=30°, толщина барьерного слоя ргвао0и^07. Такая величина ü обеспечивает рост всех слоев в области ДК с ориентированными перпендикулярно поверхности подложки, при котором возможно оптимальное использование электрофизических свойств пленок ДП. Отсутсвие ступени в подложке, которая могла возникнуть при формировании тонна ионами аг*, также способствует получению качественной стоуктугл; ДК. ЭМВР исследования структуры слоев и границ раздела показали

Рис.4 Схема сформированного торцевого даозефсоновского контакта.

различие между слоями сформированными до и после развакумлрования. Большая дефектность слоя рв по сравнению с pi связана, по-видимому, с неровностью поверхности, подвергавшейся процессам очистки после развакуумирования. Дефектность слоя рв в сочетании с недостаточной очисткой поверхности ?i является причиной роста поликристаллического слоя Y2 в области yi/pi/pb/Y2. Исследования торцевой границы yi/pe и pb/y2 с разрешением на уровне кристаллической решетки показали, что граница раздела yi/pb наиболее сильно выражена благодаря возникновению дефектов аналогичных антифазным грашщам. На границе раздела pb/Y2 между слоями, формировавшимися в одном вакуумном цикле, концентрация дефектов значительно ниже и визуализация ее затруднена. В приграничной области торца в слое yi обнаружены "муаровые" области размером -5нм. Причиной их возникновения может быть наличие областей пленки YBar,Cu3<:^_v с пониженным содержанием кислорода, явившихся следствием обеднения приповерхностного слоя кислородом при формировании торца ионага; лг4" и обработки поверхности.

Таким образом, лазерное напыление позволяет получать ДК указанного типа с почти совершенной структурой интерфейсов. ВРЭМ ис-

2 I

следования показали отсутствие существенных нарушений.на интерфейсах, что позволяет надеяться на изготовление воспроизодишх торцевых ДК.

Основные результаты и выводы

Таким образом, проведенные электронномикроскопические исследования методами ПЭМ и ЭМВР позволили определить связь реальной структуры многослойных систем на аюмном уровне с электрофизическими параметрами, охарактеризовать процессы, происходящие при формировании.многослойных системах. В итоге получены следующие основные результаты:

1. Методами ПЭМ и анализа картин электронной дифракции были исследованы структура и фазовяй состав tisi,, нг s¿ и sin,,. По казано, что при относительно низких температурах подложки Tn=fiOO°C существует значительный структурный и фазовй контраст.

2. Исследования методами ЭМВР в сочетании с ОД позволили обнаружить конвертируемый рост фаз tisív на тонких слоях зю„, по сравнению с обычным на si- Предложена модель конвертируемого роста фаз tisiv с учетом латеральной диффузии si из подложки при диффузии кислорода из слоя s• Определена критическая толщина, при которой слой sic,, является барьером для взаимной диффузии tisiv на si и sic,,.

3. Методами ПЗМ и микроанализа спектра характеристичес ких потерь исследованы структура слоев и границ раздела многослойной системы металлизации ai-íw-tim-ití3i„/sí< m>. Обнаружено влияние состава многослойной системы и условий отжига на процессы взаимной диффузии атомов ai, vj, ti и зх, с образованием включений в приграничной области подложи. Проваленный микооанализ включений

Б системе А1^-Т151.?/31(111), ОТОЗИК8ННОЙ на воздухе, позволил установить диффузию атомов V через слой Т1310 в 31 подложку. Наличие барьерных слоев и отжиг при низких концентрациях кислорода значительно уменьшает диффузионные процессы,.

Исследования границ раздела между слоями с разрешением на уровне кристаллической решетки, показали, что структура граница, наличие прослоек зависят от условий отжига и от стехиометри-ческого состава слоев. Определены оптимальный состав и условия получения термостабильной системы металлизации А1-Н-Т1Н-Т1512/51(111!.

4. Методами ЭМВР определена структура слоеЕ и границ раздела многослойной системы ува,,си3о7 -РгВа„си3о7 -... /5гтюя с юоьполученной методом лазерной абляции. Установлено влияние качества поверхности подложки на структуру, дефектность пленки. Определена структура границы раздела ува0си3о7_./РгВе..,си3о7 , условия ее визуализации.

5. Определена реальная структура джозефсоновского пе рехода с РгВа^си3о7_„ барьерным слоем, его геометрические параметры: угол наклона торца, толщины слоев и барьерного, слоя, отсутствие ступени в подложке в области ДК. Методами ЭМВР исследованы границы раздела, включая торцевую границу ДК. Обнаружена повышенная концентрация дефектов в слое рв, полученного после развакууми-рования, и на торцевой границе У1/рв. На плоских участках пленки УВа,си3о? /Згтю3( юо) выявлены антифазные границы, плотность которых связана с неровностью подложки.

6. На основе полученных методом ЭМВР -структурных данных, данных по кинетике фазообразования и диффузионных процессов в многокомпонентных многослойных системах,.разработаны уникальные технологии позволяющие формировать структуры с заданными злектрофи-

зиче сними параме тргми.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. А.Л.Васильев, О.И.Лебедев, А.Г.Васильев, А.А.Срликовский Элек-тсонная микроскопия многослойных систем ai-ti0/si я ai-w-Ti0/si. Изв.АН СССР сер.физическая, т.55, >;8, 1991,

c.I487-I493

2. А.Л.Васильев, Н.А.Киселев, О.И.Лебедев, А.Г.Васильев, А.А.Орля-ковский Электронная микроскопия высокого разрешения границ раздела силицидов титана на si и sio0. Изв.АН СССР сер.физическая, Т.55, N8, 1991, С.1483-1486

3. a.L.Vasiliev. N.A.Kiaelev, O.l.Lebedev, E.V.Orlova. A.G.Vasill-ev, A.A.Or1ikovskly HKEW of TlSi0/Sl and TlSlo/S10o interfaces. In3t.Phvs.Conf.. Ser.NU7. 1991. p.297-302

4. O.l.Lebedev. A.L.Vasiliev. A.N.Ki3elev. L.A.Mazo. S.V.Gaponov,

D.G.Paveliev. M.D.Strikovkv Microstructure of edce-tvpe Joseph son Junctions with PrBa^,CUgOy_x barrier layer. SUREM 92. v.2. Granada. 1992. p.43-44

5. О. I .Lebedev, A.L.Vasiliev. A.G.Vasiliev, N.A.'Klselev. A.A.Orli kovskiv Electron microscopv of structurally different titanium disillcide films, obtained in one technological process. EUREM 92. v.2. Granada. 1992. p.141-142

6. O.I.Lebedev. A.L.Vasiliev. A.N.Kiselev. L.A.Maso. S.V.Gaponov. D.G.Paveliev. M.D.Strikovkv Microstructure of edRe-type Joseph son junctions with PrBaoCu307 x barrier laver. Phvsica C. 1992. 198, p.278-206.

7. К.А.Валиев, А.Г.Васильев, А.Л.Васильев, Н.А.Киселев, О.И.Лебедев, А.А.Орликовский, А.Э.Седельников Формирование пленок Tisi,, с различнми структурными характеристиками на si и sin,, в

едином технологическом иикле. Микроэлектроника, т.21, вып.З, 1992, с.74-81

8. Y.Baovich. S.GaPonov. L.Estrabik. M.Elinek. N.Kiselev, E.Kluen-kov. L.Maco. O.Lebadev. M.Strikovskv. V.Talashov. N.Vasiliev Structure of 1азег deposition YBaCu0-Zr0o sapphire lavei and interfaces. IVC-12 and ICGS-8, Netherlands, 1992-Conf.Proc . Pao. . p.'2IS

9. K.A.Valiev. A.G.Vaailiev. A.L.Vaailiev. N.A.Kiaelev. O.I.Lebe-dev. A.A.0rlikov3kiv. A.E.Sedeinikov Producine TiSix films that have different characteristics on Si and Si09 in the same ip.anu-facturina cycle. Russian Microelectronics, v.2, January, 1993. p.197-203

10. N.A.Kiaelev. O.I.Lebedev. A.A.Orlikovekiy. K.A.Valiev. A.L.Va-siliev. A.G.Va3iliev Electron microscopy of structurally different titanium di3ilicide films, obtained in one technolofii-cal process. Vacuum. 1S93. 44, No2, 143-145.

11. К.А.Валиев» А.Г.йасильев, А.Л.Васильев, Н.А.Киселев, 0.И.Лебедев, А.А.Орликозский Процессы фазообразования пленок силицидов титана на тонких слоях sioQ переменной толщины. Микроэлектроника, т.22, вып.2, 1953, С.53-58

12. К.А.Валиев, А.Г.Васильев, А.Л.Васильев, Н.А.Киселев, О.И.Лебедев, А.А.Орлкковский Исследование структурно различных пленок Tisi.. на si и зю0, полученных в едином технологическом цикле. Труды ФТИАН, т.5, 1993, с.69-84

13. N.A.Kiaelev. A.L.Vaailiev, O.I.Lebedev. Е.1.Givarsicov. A.N.Еteranova. л.N.Kiselev. J.L.Hutchison - Electron microscopy

■ e wtixl -\1 structured. In3t.PiiVo.Conf. . Ser.H134. 1993

14. !i .Л . г. I --V . o.I.Lebcciev. A.A.Crllkovsklv. A. E. Sedeinikov.

I 'i : ,-■. .L. V'bJ! l:w, A . G . V 11 lev I»iv*»et icat ion of ther-