Изменение профилей концентраций атомов в токнопленочных структурах Me-Si при тепловом и радиолокационном воздействиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

уральский; государственный технический университет

На правах рукописи

КИЕАРДИН Алексей Владимирович

ИЗМЕНЕНИЕ ПРОФИЛЕЙ- КОНЦЕНТРАЦИЙ АТОМОВ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ структурах Me-Si ПРИ ТЕПЛОВОМ И РАДИАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ:

Специальность 01.04.07 - Физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург 1996

Работа выполнена в проблемной электрофизической лаборатории кафедры экспериментальной физики Уральского государственного технического университета, г.Екатеринбург.

Научный руководитель - , •

кандидат физико-математических наук, доцент Пузанов A.A.

Научный консультант -

кандидат физико-математических наук, в.н.с. Пяткова Т.М.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Фролов A.A.;

кандидат :физико-математических наук , . Григорьев В.Г.

Ведущая организация - Уральский государственный

_ университет.

Защита состоится " ^ " мл^ТЛ в

на заседании специализированного совета К 053.14.11 в Уральском

государственном техническом университете.

Отзыв в одном экземпляре просьба- направлять по -адре£у:

620002, г.Екатеринбург, К-2, УГТУ, ученому секретарю совета университета.

С диссертацией могло ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета.

Автореферат разослан " М " ^ 1996 г.

Ученый секретарь- специалиЗирсванного совета

кандидат физико-математических наук, доцент ■^■'/¿^ Е.В.Кононенко

ОЩАЙ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Потребности современных технологий дали мощный толчок развитию нового направления физики твердого тела-.физике слоистых структур. К таким структурам относятся системы металл-полупроводник, металл-диэлектрик, металл-даэлектрик-металл, структуры с двойными и тройными диэлектрическими и металлическими слоями. '.

Тонкие пленка играют очень важную роль в современных техноло-\ . гаях. Особенно успешно сии применяются в быстро развиванцейся технологии интегральных схем. Они служат также основными компонентами таких приборов, как устройства для преобразования солнечной энергии в электрическую и сверхполупроводниковые приборы. Важнейшим требованием к тоякшленочным структурам является то, чтобы они сохраняли свои функциональные параметры в процессе работы. В структурах на основе массивных образцов или толстых слоев взаимо-

о

диффузией и твердофазными реакциями на расстоянии ~ 100 А можно пренебречь. Однако для тонкопленочных технологий эти расстояния оказываются значительными: изменения структуры и атомного состава на таких расстояниях существенным образок влияют на электрофизические, механические и прочив свойства пленок- :

Помимо чисто технологических задач исследования тонких' пленок представляют немалый научный интерес. Большинство интересных проблем возникает При исследовании взаимосвязи свойств вещества в объеме с его свойствами в тонких слоях я на' границе раздела.

• Появление новых методик модификации материалов, связанных с использованием потоков электронов, ионов, лучистой энергии, лазерного излучения и позволяющих создавать слои с уникальными свойствами, дали новый толчок исследованию процессов, протекающих в тонких пленках. Следует отметить, что эти проблемы ставят уникальную

задачу изучения переноса вещества в очень малых пространственных масштабах. Экспериментальные методики, позволяющие решать эту задачу, появились сравнительно недавно и в настоящеее время успешно развиваются. Среда многочисленных методов, использувдихся для анализа тонких пленок, следует выделить класс методов, связанных с зондированием твердого тела пучками ускоренных ионов с энергией ~ 1 МэВ/нуклон и измерением энергетических распределений рассеянных на большие углы частиц. Несмотря на относительную проработанность методики резерфордовского обратного рассеяния (POP) ионов, остается открытым вопрос о получении максимально достоверной информации о зондируемой мишени, что обуславливается отсутствием адекватных моделей взаимодействия быстрых ионов с твердым телом, не исследованы в полной мере методические вопросы, связанные с влиянием регистрирующей аппаратуры на формирование энергетических спектров ионов.

Цель работы . Целью настоящей работы явилось получение информации о изменении профилей концентраций атомов в тонкопленочных структурах Me-Si при тепловом и радиационном воздействиях, а также развитие методик исследования тонких пленок, связанных с использованием ионных пучков.

Для этого в рвботе решались следующие задачи:

- определение энергетического спектра и зарядового состава пучка ионов, ускоренных на ЭГ-2,5, и исследование его влияния да формирование спектров POP ионов от тонких пленок;

- учет искажающего влияния измерительной аппаратуры на формирование энергетических спектров POP ионов и разработка способа измерения аппаратной функции;

- исследование влияния механизма двукратного рассеяния ионов на

формирование спектров POP быстрых исиов от многослойных структур;

разработка математической" модели и алгоритма расчета спектров POP быстрых полое от многослойных многокомпонентных структур и написание пакета прикладных программ;

- .получение экспериментальных данных об изменении профилей атомных. . концентраций в тонкопленочных структурах Me-Si (для. металлов: Ni, Ti, W, Mo, Со, Ре) при различных тепловых и радиационных воздействиях: - • , . . - V . -

- Исследования особенностей гтомшереносв и поведения примесных атомов As, имплантированных в приповерхностные слои кремния, при Твердофазных взаимодействиях }ф9мкяя с напыленная! пленка® метал-. Лов;

- исследования влияния изохронного отжига на атомный состав струк-' Фуры'He-Si;' ' ' '

- исследования влияния имплантации ионов аргона в структуру líe-Si на процессы твердофазной эпитахсии дисклнцидсз металлов;

- исследования йёйёрасареДеленйя атомов в двойных металлических

Мйййленных на кремний, при воздействии световим излучением;

- Йзучениэ особенностей взаимодействия tohicix дисилиц'.'днкх слоез

t

переходных металлов с кислородом,

Научная нсвйзно

Предложена Методика прямого анализа энергетического спектра йучка ускоренных иетов. Методика предполагает использование сепарации ионов но зарядности с помощью постоянного магнитного поля и ЗТСФЛедунядЬб измерение впэргетического спектра нейтральных частиц посредством поверхностно-барьерного детектора. Экспериментально йзйерена спектры ускоренных ионов водорода в широком диапазоне энергий и условий формирования лучка на ускорителе ЭГ-2.5. Проана-

лизировано влияние всего энергетического спектра падающих на мишень частиц на формирование спектров POP быстрых ионов от пленок.

Предложена методике определения аппаратной функции измерительного тракта. Для этого при учете высокой стабильности по энергии ускоренных на ЭГ-2,5 ионов достаточно измерить спектр основного энергетического компонента Е0 падающего на мишень пучка. Для снижения интенсивности падающего на детектор пучка частиц вырезался и регистрировался нейтральный компонент пучка.

Экспериментально проверено выражение, предложенное для описания спектров двукратного рассеяния ионов от тонких самоподдерживающихся пленок [19].

С учетом указанных вше процессов построена математическая модель и разработан алгоритм расчета спектров POP быстрых ионов от многослойных многокомпонентных структур и написан пакет программ для обработки энергетических спектроЕ POP ионов/

Предложена методика калибровки спектров характеристического рентгеновского излучения (ХРИ), ивдуцироваяаоГО 'пучком ускоренных ■ионов, с использованием cHéKípos реберфордовского рассеяния. Выражение, списывающее спектр ХРМ, Дает относительный sióUiiüS _ состав слоя (для тех элементов, для .которых вклада в спектры POP не разделяются), а выражение, спПсызакцее спектр PÓP ¡тоноц, позволяет получить абсолютное значение еодёрк&яйя элементов. Таким образом удаетс.. веста количественный ЬййЛИЗ в' более широком диапазоне химических .элементов» нейеЖ! 6 стандартных возможностях POP и ХРИ, и не требуется изго^оМенйя этаЛоЙИЫх образцов.

Исследованы изменения прилей концентрацй?: атомов в тонкопленочных структурах на основе He-Si йри Тепловых и радиационных воздействиях: •

- обнаружены отличия в поведении примесных атомов Ав, имплантиро-

ванных в приповерхностные слои кремния» при твердофазных взаимодействиях кремния с пленками разных металлов;

- исследовано влияние изохронного термического отжига на атомный состав структуры Ме-й! и показано отличие его от изотермического отжига;

- исследовано влияние имплантации ионов аргона в структуру Ме-Б1 на процессы твердофазной мштаксии дисилицидов металлов: обнаруке-но, что эоттаксиальные слои дисилицидов растут е болей совершенной структурой и при более низких температурах для ионов с пробегами, составляющими (0,5-0,8) толщины пленки.

- изучены особенности взаимодействия тонких дисилицидкых слоев переходных металлов с кислородом.

Практическая ценность:

- полученные данные об изменениях профилей концентраций атомов в тонкапленочных структурах Ме-Б1 при тепловом а радиационном воздействиях представляют практическое значение для технологии БИС и СБИС, поскольку' позволяют оптимизировать процессы изготовления токопроводящих структур; эти результаты используются на ряде предприятий МЭПа и бывшего Министерства среднего машиностроения;

- разработанные методики анализа могут использоваться на аналогичных исследовательских установках.

Автор защищает:

- методику регистрации энергетического спектра исходного пучка ускоренных ионов и полученные результаты по зарядовому и массовому составу пучка частиц на ЭГ-2.5:

- методику измерения аппаратной функции;

- методику калибровки энергетических. спектров ХРИ с использованием

спектров POP для получения данных о качественном и количественном составе тонкопленочных образцов;

- модель и алгоритм расчета энергетических спектров POP ионов от многослойных многокомпонентных мишеней;

- экспериментальные результаты проверки выражения, списываниего спектры двукратного рассеяния ионов от тонких самоподдерживающихся пленок;

- экспериментальные результаты исследований изменения профилей концентраций атомов в тонкопленочных структурах Me-Si при отжиге сканирующим электронным пучком, а также особенностей поведения примесных атомов Ав, имплантированных в подложку кремния, в процессе твердофазных взаимодействий кремния и пленок металлов;

- полученные данные об изменении втомного состава в структуре N1-Si при изохронном термическом отжиге;

- результаты исследований влияния имплантации ионов Аг+на процессы твердофазной епитаксии дисилицидов кобальта и железа;

- результаты исследований изменений профилей атомных концентраций в двойных металлических слоях на кремнии;

- полученные данные об изменениях атомного состава в тонких слоях дисилицидов переходных металлов при взаимодействии их . с кислородом. '

Апробация работы. Изложенные в диссертации результата докладывались на ряде Всесоюзных и региональных совещаний, а также на Европейском совещании по применению тугоплавких металлов в Бельгии в 1989 году и опубликованы в 30 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 95 наименований, из-

ложена на 135 страницах машинописного текста, включая 50 рисунков и 5 таблиц.

'СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

8 введении показана актуальность исследований, сформулированы цели [ работы и приведены защищаемые автором положения.

В первой главе дав обзор современных методик исследования тонких . пленок и сделан сравнительный анализ их возможностей. Показано, что наиболее информативным методом с точки зрения получения данных об атомном составе является резерфордовское обратное рассеяние ионов. Обсуждены физические модели, описывающие энергетические спектры POP ионов, рассмотрены их ограничения. Значительная часть главы посвящена обзору современных данных ей изменении атомного -состава пленок при' тепловых к радиационных воздействиях. Рассмотрена способы еводэ энергта з тонколленочяые структуры, использующие тепловые потоки или потоки ионизирующих излучений. Во второй глазе описываются исследовательские комплекси на ускорителях ЭГ-2.5 к У-120 Уральского государственного технического университета. Подробно описывается используемая в численном моделировании физическая модель формирования энергетических спектров ре-зерфордовекого обратного рассеяния ионов от многослойных многокомпонентных сбразцоз. Для расчетоз спектров POP ионов использовалась модель однократного рассеяния и. учитывалось влияние конечного энергетического разрешения измерительного тракта, а также страг-глинга частиц в мипени. На основе полученной в работе модели был разработан алгоритм и написана программа расчетов спектров POP быстрых ионов от многослойных многокомпонентных мявенва.

Далее в диссертации описан пакет программ, написанный автором для обработки спектров POP быстрых конов. Программа THICK выпол-

няет массовую и энергетическую* градуировки спектров POP исяов, переводит шкалу энергий в шкалу глубин.. Программа PROFIL рассчитывает концентрационный профиль тяжелой примеси, внедренной в легкую

матрицу- Программа RBS позволяет моделировать спектры POP ионов от

- ■ ' ■ » ■ .

многослойных многокомпонентых образцов. Программа CONS рассчитывает концентрационные профили по спектру POP ионов с разделяющимися парциальными спектрами. Программа B2ÀM позволяет рассчитывать спектр POP ионов от мишени с учетом полного энергетического спектра ионов в исходном.пучке. Кроме того, разработан ряд' сервисных программ для предварительной обработки спектров POP Ионов. Программы нзшсапы на языках Паскаль и Бейсик.

В последнем разделе главы рассматривается совместное применение метода ХРИ и POP анализа атомного состава пленок. Показано, что решение система уравнений, описывающих энергетические спектры POP и ХРИ, -расширяет объем получаемой информации об. атош:ом составе и снимают проблему_иоготовле;шя стандартных образцов.

В третьей главе исследуются-процессы, ограничивающие пртенение модели одноплатного рассеяния ионов: влияние двукратного рассея.чия а немоноэнергетичностк .'пучка .ускоренных, ионов на формирование спектров POP исщов. Предложена методика прямого языервяия энергетического спектра исходного пучка ускоренных ионов, заключающаяся в том, что пучок ускоренных и скэллимировакныг. ионов разделяемой по зарлдноста с помощью магнитного анализатора и измеряется вйер-гетический спектр нейтрального компонента в пучке частиц поверх^ ностно-бврьерннм детектором. Обйаружено, что спектр нейтральных частиц Н° состоит из основного пика, саотзетствуещего частицам é энергией Е0. и пика в области низких еяерйШ» "обусловленного ускорением молекулярных ионов Hg с энергией 0>5 ÈQ и последующей их диссоциацией на атомах остаточного газа fe исследовательской наме-

ре (рис.1). Интервал энергий между ликами характеризуется непрерывным спектром,: образованным частицами, которые рассеиваются на краях диафрагм. Нами установлено, что условия формирования сильно влияют на распределение по анергии ионов в исходном пучке и могут привести к существенному искажению информации "об атомном составе, получаемой в процессе зондирования твердого тела. Для перехода от спектра нейтральных частиц к исходному, смешанному по зарядаости,

Ряс.1. Энергетический спектр Рис.2. Спектр POP протонов от атомов водорода в пучке прото- пленки Аи: * - эксперимент, нов, ускоренных на ЭГ-2,5 -- расчет по модели двукрат-

ного рассеяния с учетом немоно-энергеточности пучка ионов мы учли процессы перезарядки и диссоциации ионов. С- точки зрения анализа атомного состава тонких пленок нас интересовал вклад непрерывного распределения частиц в интервале энергий [0,25Ео,Ео] з формирование спектров POP ионов. С этой целью были выполнены расчеты спектра POP протонов с начальной энергией 600 кэВ от тонкой самсподдерзйФакщеЙся пленки Au (t=150 ни) с учетом всего энергетического спектра ионов. Результаты показывают, что непрерыв-

ное распределение частиц в интервале анергий 150-600 кеВ в исходном пучке дает вклад в внергетический спектр, который нельзя не учитывать при исследованиях изменения атомного состава в тонких слоях.

При рассмотрении взаимодействия ускоренных ионов с тонкими слоями необходимо включить в расмотрение еще один механизм, влияющий на формирование энергетических спектров POP ионов - механизм двукратного рассеяния ионов. Нами выполнена экспериментальная проверка выражения, предложенного Урмановым А.Р. в работе (19J для описания энергетических спектров двукратного рассеяния ионов. Измерения сделаны на танкой (~0.3 мкм) с амоподде рэсив аыцей с я пленке Au. Показано, что наилучшее совпадение эксперимента с расчетом достигается при учете немоноенергетичности пучка ускоренных ионов (рис.2).

Восстановление исходного енергетического спектра протонов в пучке, учет искажающего влияния аппаратуры на формирование спектров POP ионов предполагает знание аппаратной функции, или функции отклика. Для нахождения аппаратной функции вами предложено два способа:

- математическая обработка высокоанергетического края спектра ионов, рассеянных Однокомпонентной мишенью с полированной . поверхностью;

- прямое измерение енергетического спектра частиц в пучке - форма основного пика определяется практически только функцией, отклика, поскольку стабильность по энергии на ЭГ-2,5 составляет величину 0,01-0,1% , а уширение основного спектрального пика протонов, со-ответствулцего анергии 600 кеВ, в результате торможения на атомах остаточного газа при прохождении ионопровода составляет приблизительно 200 эВ. Для теоретических расчетов спектров мы использовали

аппроксимацию аппаратной функции функцией Гаусса._____ _____ _____

Б четвертой главе приводятся экспериментальные результаты по ; исследованию изменения профилей концентраций атомов в тонкопленочных структурах Ме-Б1 (для металлов: Т1, Я, N1, Со, Ре) при тепло-виз л радиационных воздействиях.

Твердофазные реакции металлических слоев с имплантированным атомами мышьяка монскристаллическим кремнием исследовались для пленок титана и вольфрама. Пленки Т1 толщиной 100 нм формировались магнетронным напылением на поверхности монокристаллического легированного атомами Ав (энергия и доза имплантированных ионов мышьяка составляли 60 кэВ и 6«101^ см"2 соответственно)^ Отжиг проводился сканирующим электронным пучком (энергия электронов 15 кэЗ) с плотностью мощности 15-30 Вт/см2. Исследования мето-

Е5«*йЗ россе*«ий,имл, - - . ---- -----

1000

чи;»

0.5

''•AM'.ÍAvwi«,..^^

100

1S0 200

йоыер кэм/tn вмодизоглсро

100

Д ч.

200

300 г*убима i

Ркс.Э. Спектры POP испоз гелия от скстемц Ti/Si, подвергнутой отаигу еле-чтроннкм пучком с различными плотностями мощности: 1-20 Вт/см2, 2-25 Вт/см2Э - 30 Вт/сы2

Рис.4.Профили относительной концентрации для образцов, отсаженных электронным пучком 'с различными плотностями мощности: 1-20 Вт/см2, 2- 25 Вт/см2, 3-30 Вт/см2

дом POP ионов гелия (рис.3) показали, что отжиг образцов приводит к изменению профилей атомных концентраций титана и кремния в результате твердофазных реакций образования силицидов и перераспределению атомов As, Электронный отжиг с плотностью мощности 15-20 Вт/см формирует слой о составом Si/Ti= 1, что соответствует

моносглициду титана. Увеличение плотности мощности электронного ?

пучка до 25-30 Вт/см приводит к диссоциации слоя !TiSi на границе с подложкой и формированию слоя, с составом, соответствующим да силициду титана TiSig (рис.4). Наличие примеси кислорода' в приповерхностном слое металла снижает скорость- роста слоя TiSi2. и на поверхности образца остается фаза TiSi. Внедренный в подложку шшьяк при образовании на границе раздела Ci-Si дисилицзда титана диффундирует к поверхности образца и распределяется в слое ïiSig.

Аналогичные процессы образования силицидов наблюдались для образцов Я/Si. Пленки Я толщиной 50.ьм наносились на поверхность Si. (110) магнетрсыным распылением. Подлогами предварительно облучались ионами As+ о энергией 100 кsВ (деза облучения составила 10003000 мкЯл/см ). Образцы отжигались сканиррющим пучком электронов с

о

плотностью мощности 60-120 Вт/см . Отжиг приводит к-реакциям образования силицидов вольфрама аналогично процессам, наблюдаемым в системе Ti/Si. Однако поведение принеси As косит иной характер: атомы .мьпвьяхз, первоначально залёгаваие на. глубине ~80 нм, накапливаются перед франтом растущего силицида и остаются в кремнии.

Для структуры Ni/Si исследовано влияние изохронного термического отжига в диапазоне температур 100-400°С. Исходная структура представляла собой пленку M толщиной 130 нм, осажденную термическим напылением на подлогосу из ыонокристаллического крешшя с ориентацией (100). На начальной стадии отжига при температурах 100, 200 и 300°С (время отжига в каждой точке 10 мин) изменения

атомного состава происходят на открытой поверхности пленки N1 и на границе раздела N3 , причем рост силицидной фазы происходит от-■ дельными зернами вглубь монокристелла'. Отжиг при температуре 350°С приводит к образованию однородного слоя с составом приблизительно 10 ат.^М! и 90 ьт.% £1, что соответствует силицидам фазам, обогащенным металлом (рис.5). Последующий отжиг при температуре 400°С приводит к формированию двухслойной структуры ■ М^Б! _!_._/ М Б!., /51, где г=0,58-0,72. у=0.33-0,42, причем у= 0,33 соот-

концентроци* отсмоЬ M crr ж 100

кздотроция отсмоб Ni от* 100

0.75 1,5

глубина аТп/с«*»!0 ~ глуЗина ат/гмА.Ю

Рис.5. Профили концентрации ато- Рис.6.Профили концентрации ато-

мов никеля в структуре Ni/Si,.

мов никеля в структуре Ni/Si,

термический отжиг в теч. 10 )/.::н: термический отжиг при 400 С: 1- 20°0, 2- 100°0, 3 - 200°С, 1-10 мин, 2 - 20 мин,

4 - 300°С, 5 - 350°С 3-40 мин

ветствует дисилициду никеля. Эта структура сохраняется вплоть до времени отзмга 40 мин. Лишь длительный гомогенизирующий отгкг при температуре 400°С в течение часа формирует единственный слой с составом й1/31-0,5, соответствующим мсносилициду.никеля. Характер кривых, соответствующих профилям атомных концентраций, на рис.5 и рис.6 позволяет утверждать, что наблюдается формирование силицид-

них фаз по толщине пленки, в том числе фаз, обычно не наблюдаемых в данном диапазоне температур. Последовательность слоев с различными атомными составами соответствует фазовой диаграмме состояний системы N1-31. Неожиданным является появление слоя с составом, соответствующим ШБ^ при столь низких температурах, но скорее всего, его результат сосуществования в слое областей, содержащих и областей с частым кремнием.

Определенный практический интерес представляет выращивание епитаксиальных слоев силицидов металлов на подложках монокристаллического кремния, поскольку позволяет создавать структуры со скрытыми слоями. В наших экспериментах мы изучали процессы епитак-сш пленок ди силицида кобальта СоБ^ и дисилицида железа Ре£12 на кремнии в процессе облучения ионами Аг+. Пленки Со и Ре напылялись

> поЬврлш еепрялшЬлми* о*/А ~

вор too т.'с

г ■ <-ir-4-rj*.m-lm-l -мо }» too sio it

Рис.7. Зависимость поверхностного сопротивления пленок с&и-цидое от температуры: a) Pe-Sii б) Co-Si;. 1 - необлученные oS-разцы, 2 - имплантированные ионами аргона

Рис.8. Зависймос^Ь Х^щ от энергии (а) к теШературц отги-Га (в): 1 - CoSi2 , 2 - PeSi2

электронно-лучевым испарением. Полученные образцы облучались ионами Аг+ с энергией 50-150 кэВ, при этом пробег ионов составлял (0,25-1.5)djje, где толщина исходной пленки. Дозы облучения варьировались в пределах 5*1015-5*Ю16' см-2. Облученные и контрольные образцы отжигались излучением галогенных ламп в течение 20-60 с при температуре 400-950°С и исследовались методами POP, рентгеновской дифракции и 4-зондовым методом. Исследования показали, что облучение пленок ионами аргона и последующий отжиг существенно меняют электрофизические характеристики: минимальное поверхностное сопротивление было получено при облучении пленок ионами со средним проецированным пробегом, лежащим в диапазоне (0,5-0,8)с1Мв (рис.7). При таких пробегах ионов аргона ни POP, ни оже-спектрометрия не обнаруживает существования перемешанного слоя. Отличия обнаруживаются- при последующем отжиге: неимпл ал тированные структуры, так же как имплантированные ионами с энергиями, соответствующими. RpsdMe, достигают атомного состава líe/Si = 0,5 при температуре, меньшей на 150-200°С, чем образцы, имплантированные ионами с пробегами КрМцэ* Рентгеновская дифракция показывает, что образовавшаяся фаза соответствует дисилицидам металлов, причем CoSig растет впитаксиально, в то время как PeSig имеет плохое кристаллическое совершенство (рис.8). Плеят о наибольшим кристаллическим совершенством наблюдаются пря облучении образцов ионами аргона с пробегом Яр=(0,5-0,8)йИе. Оценка энергии ' активации для образования дисилицйдных фаз дает величину 0,3 эВ для CoSig и 1,0 еВ для PeSig, что подтверждает факт влияния ионного облучения на процессы твердофазной эпитаксии.

Определенный интерес представляют исследования атомопереноса в двойных металлических слоях, напыленных на кремний, а также в пленках, полученных совместным распылением нескольких простых ми~.

шеней. Такие структуры позволяют получать контакты к мелкозалега-кхцим переходам и в одном цикле напыления формировать контактный и барьерные слои. Нами исследованы. процессы атомного переноса в структурах двойных металлических пленок и пленок, полученных распылением составной мишени (К,Т1) на подложки поли- и монокристаллического кремния, а также на поверхность окисленного кремния. Пленки напылялись магнетронным распылением и отжигались некогерентным излучением ( галогенной лампы ) в течение 7-20 с при

ЬыжоВ рассааниа иип t

1500

1000

500

300 Л50 N

номер канала анализатора

150 200 )

номер канала анализатора

Рис.9. Спектры POP протонов Рис.10. Спектры POP ионов ге-(начальная энергия 600 кэБ) лия (Е= 2,5 МеВ) от структуры структуры W/Ti/Si: 1- исходный (W,Ti)/Si: 1- исходный образец, образец, 2 - отжиг при t=800°C 2 - отжиг при t=1200°C температурах 800-1200°С на воздухе (под тонким слоем a-Si), либо в атмосфере аргона. В интервале температур 800-900°С оксид кремния толщиной 300 нм оказывается эффективным диффузионным барьером и силициды по толщине исходной пленки не образуются. В структурах с двойными металлическими слоями W и Ti на слоях поли- и монокристаллического кремния образуются последовательно расположенные слои дисилицидов WSig и TiSi,, при температурах выше 800°С (рис.9). Иные

закономерности наблюдаются в структурах, полученных растлением составной мишени. Исходная пленка имела состав 48 ат.% Л и 52 ат.# Г1. Исследования показали, что фазовой сепарации в процессе отжига не происходит. При температуре ~ 900°С слой с составом, соответствующим дасилкцидам, начинает формироваться на границе раздела с кремнием, причем кремний взаимодействует как с атомами титана, так и/с/атсйата'вольфрама'.' Отжиг при' 'лемяературё 1200°С приводит к формированию конечного слоя с составом 77^ г представля-

ющего собой смесь дисилицидаых фаз и 51512, что подтверждается результатами структурных исследований методам, рентгеновской, дифракции (рис.10).

В пятой гла^е списываются результаты исследований взаиыодей-ствпя кислорода с тонкими силицидными елоя?я: и Ре310. Пленю:

были получена иокпл.! рэспыле:п:ем мнзеки Ко312 па монокрис-

относигпельк*з состсй Мо/г*

толщина ОииСАО им

1.6

1,2 0,8

0.* -

г ' 5 а

гхубимо от/см 10

Й7С. Г1.Профили концентрация Йо/51 П системе 'МойЗ--

-1- до окисления, 2 - после- окисления в кислороде в теч. 30 мин При температуре 1323 К

10 20 Зо <0 М 60

Ьр.ъла екисдемиа мчи

Рис. 12. Зависимость ■ толщины пленки ВЮ2 на поверхности

РеБ12 от времени окисления на воздухе при 1000°С

таллический кремний, а также на термически окисленный кремний с последующим гомогенизирующим отжигом при температуре 1173 К в течение 30 мин в атмосфере азота. Окисление пленок осуществлялось при температуре 1323 К.в сухом кислороде в течение 30 мин,-Окисление структуры MoSig/SiOg/Si приводит к появлению слоя SiO^ на поверхности образца, а состав нижележащего слоя MoSíg изменяется: относительный атомный состав lío/Si племя меняется от 0,4-0,5 до окисления, до 1,4-1.5 - после окисления (рис.11). Рентгеновский фазовый анализ показав, что произошла трансформация высшего силицида MoSi2 в обогащенные металлом фазы Mo^Si^ a lio^Si. При окислении структуры MoSig/Si в аналогичных условиях имеет место образование на поверхности пленки líoSig слоя SiO^ без изменения фазового и атомного состава пленки дисилицида.

Окисление на воздухе пленок PeSig, напыленных на подложку из ситалла, исследовалось при ..температуре 7ÛÛ-10ÛÛ°C и времени отгпга 10-60 мин. В интервале температур 700-800°С изменений атомного состава не обнаружено. Увеличение температуры откяге до 900-1000°С приводит к тому, что на слое дисилицида растет елей SiOg, причем скорость окисления структуры определяется линейной зависимостью от времени (рис.12). Слой дисилицида ' трансформируется в двухфазную систему, включающую как FeSig, так и атомы железа в виде отдельных зерен. Увеличение временя отжига до 60. мин приводят к тому, что пленка дисилицида трансформируется в слой с относительным атомным составом Fe/Si-1,6, что соответствует силициду Fe^Sij.

В заключении приводятся основные- результаты, полученные в данной работе :

1. Разработана методика .прямого анализа энергетического спектра

пучка ионов, ускоренных на электростатической ускорителе- Проведены измерения, протонного пучка- на .ЭГ-2,5 в - интервале энергий 0-600 кэВ. Получены данные по зарядовому составу пучка протонов.

2.Предложена методика прямого измерения аппаратной функции спектрометрического тракта.

3.Разработана модель и алгоритм расчетов спектров резерфордовского обратного рассеяния ионов от многослойных многокомпонентных образцов. Написан пакет программ по моделированию и обработке спектров POP ионов.

4.Экспериментально проверено выражение, предложенное для описания спектров двукратного рассеяния ионов от тонких самоподдерживающихся пленок. Показана необходимость учета немоноэнергетичности частиц в исходном пучке для согласования модели и эксперимента.

5.Предложен метод калибровки спектров ХРИ по спектрам POP ионсв для проведения количественного анализа атомного состава тонких пленок.

6.Исследовано изменение атомного состава пленок Ti и W, напыленных на поверхность легированного атомами мышьяка монокристаллическогс кремния, под действием электронного отжига. Пленки металлов эволюционируют в процессе отжига в направлении: металл' силицид, обогащенный металлом дисилицид. Для пленок титана растущими фазами оказываются фазы TiSi и TiSij, для пленок вольфрама - W^Si^, WSi и WSi2 • Легированные в приповерхностный слой кремния атомы As ведут себя по-разному при отжиге систем Ti/Si и W/Si: при взаимодействии титана с кремнием атомы мышьяка вытесняются в слой силицида, а для пленок вольфрама, взаимодействующих с Si, наблюдается накопление атомов мышьяка перед слоем растущего силицида/ при этом весь мышьяк остается в подложке.

7.Изохронный термический отжиг системы Ni/Si в диапазоне 100-400°С

приводит к формированию многослойной структуры, каждому слою которой соответствует определенная силицидная фаза; последовательность фаз следует фазовой диаграмме состояний системы.

8.Исследованы особенности твердофазной впитаксии дисилицидов кобальта и железа на монокристаллах кремния. Обнаружено, что имплантация ионов аргона приводит к тому, что температура, при которой дисилицидные фазы растут епитаксиально, смещается в область более низких значений. Наибольший температурный аффект достигается для пробегов ионов Я я (0,2-0,8)йМв: при этом формирование епитаксиально растущих дисилицидов происходит при температуре на 150-200°С ниже, чем для структур, имплантированных ионами с пробегом

к > *Ме'

9.Взаимодиффузия в двойных металлических слоях Я и Т1, напыленных на кремний, и пленке, полученной распылением на кремниевую подложку составной мишени (И,М), существенно различаются. Отжиг структуры К/Т1/Б1 приводит к формированию конечной структуры ЯКЗ^/ЗИБ^/Б! с четкими границами между сдоями, в то время как отжиг двухкомпонентной пленки (»-48 ат.$ ,М-52 ат.Я)/81 формирует единственный слой, включающий зерна ди силицидов и 71812.

10.Взаимодействие кислорода с тонкими дисилицидными Ълоями зависит как от химических свойств дисилицидов и образующих их металлов, так и типа подложки, на которую они напылены. Окисление слоя Иог!^ на диоксиде кремния приводит к восстановлению ди силицида до обогащенных металлом фаз Мо.81„,и Ио 8 то время как при. окисленш

9 Э Э

структуры Мо812/поли-В1/БЮ2/51 на поверхности пленки МоБ^ образуется слой 8102 без изменения состава пленки ди силицида.

Аналогичным образом ведет себя при окислении система Р6812 Окисление структуры РеБ12-ситалл на воздухе приводит к восстанов лению РеБ12 до железа и окислению кремния на ранней стадии реак

ции, причем скорость окислений пленки Слизка к скорости "окисления поликрксталлического кремния. На более поздней, стадии пленка диса-лицида трансформируется в силицид, обогащенный'металлом.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1.Влияние облучения на границу системы Al/Si / Багвев В.Н., Кибар-дин A.B., Пяткова Т.М., Шорин A.M.// Тезисы докладов 5-й зональной конференции "Применение радионуклидов и ионизирующих излучений в. исследованиях .и народном хояйстве Урала". Свердловск, 1979. -С. 30.

2.Облучение и исследование методом обратного рассеяния полупроводниковых структур и пленочных покрытий : Отчет о НИР / Багаев В.Н., Кибардин А.З., Пяткова Т.М., Урманов А.Р., УфукозЯ.Л.; К гос. рог.790079004. Свердловск: УПИ, 1980. 42 с.

3.Уфуков П.П., Кибардин A.B., Пяткова Т.М. О простом способе определения аппаратной функции // Тезису докладов XII Всесоюзного совещания по Физаке взаимодействия зарякеннкз частиц с кристаллами. И.:Изд-во МГУ, 1982. С.58 . .........

4. Исследование ядерно-физическими методам коррозионной стсЛкости и и других характеристик в условиях спецохлзэдения. Исследования некоторых физических и технологических параметров ИМС ядерно-физическимя методами: Отчет о НИР / Багаев.В.Н., Кибардин A.B., Пузанов A.A., Пяткова Т.М.; Ii гос.per. 81017600. Свердловск: УПИ, 1983. 71 с.

5. Исследование покрытий медных плотных осадков с использованием протонных лучков / Белых Т.А., Ефимов С.Б., Кибардин A.B., Пяткова Т.М. // Тезисы докладов научно-технической конференции "Применение радионуклидов и ионизирующих излучений в научных ис-

следованиях и неродной хозяйстве". Свердловск, 1983. С.68 6. Влияние условий осаждения и термического окисления на состав и структуру пленок JSoSi2 на кремнии / Белых Т.А., Бирюков Е.П., Загряжский В.Л., Кибардин A.B., Пяткова Т.М., Хохлов А.Е.// Тезисы докладов I Уральской конференции "Поверхность и новые материалы*. Свердловск, 1984. С. 161-162. .

7-Исследование покрытий медных плотных осадков с использованием протонных пучков / Белых Т.А., Ефимов С.Б., Кйба|Щйй А»6м Пяткова Т.М. Свердловск:УПИ, 1984 . 6 с. Деп.в ШШ» !Í '3259«

8.Использование пучка протонов для аналй&а ёлементного состава многокомпонентных резистивных Пленок / Вагёев BjH» ¡ К&бардин А»В«г Пузанов,А.А., Пяткова Т.М.//Тезйсы докяадой XIV Всесоюзного совещания по физике взаимодействия зй^яяенных частиц с кристаллами» М.:Изд-во МГУ, 1985. С.110i

9.Кибардш1 a.b., Пьжова TíMíj Пузааов ÁíÁ. Использование протонного пучка для аналпЗй Ьостава тонких ШЬгЬкошонентых . пленок // Материалы XIV Всесоюзного -совещания rió |изйке взазйлодёйствйя быстрых заряженных частиц . с кристаллами; М;*:Йзд-в6 ffiVí 19C5'i С. 155-159- , ' ■ ' • * \ . / '

10. Исследование Металлических и диэлектрических пленок для производства полупроводниковых БИС: Отчет о НИР / Гланде Й-.Й^ Кибардан A.B.," Пузанов ' A.A.-, Пяткова Т-Жi N гос.per. 018400Ó9485. Свердловск: УПИ, 1985. 50 с. •

11 .Исследование тошопленочша "падупроводниковых структур 'методом обратного рассеяния": Отчет Ъ ЙИР" / Гранде К.Ю., Кибардан a.b.-, Нешов Ф.Г., ! Пяткова гос. per. 01850010100. Свердловой

УПИ, 1985. 40. с.

12. Исследование взаимодействия тяжёлых ускоренных частиц с твердыми и газообрззными мишенями': Отчет о НИР. Раздел 3.4.4

/Казак Л.А., Кибардин A.B., Нешов Ф.Г., Пузанов Л.А., Пяткова Т.М.; N гос.per.81000301. Свердловск:УПИ, 1985.5с.

13. К вопросу о перезарядке протонов, рассеянных твердой шшеныо / Бажуков С.И., Кибардин A.B., Пузанов A.A., Урманов А.Р.// Тезисы докладов XV Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М.:Изд-во ШУ, 1985. С. 156.

14.Кибардин'A.B.,*Пузанов A.A., Пяткова Т.М. Использование протонного пучка для анализа атомного состава тонких многокомпонентных пленок //^Тезисы докладов Всесоюзного совещания "Диагностика поверхности ионными пучками". Ужгород, 1985. С.255-256.

15.Описание визкоэнергетичной части спектров обратного рассеяния от тонких самоподдерживающихся пленок / Бажуков С.И.,

Кибардин A.B., Пяткова Т.М., Урманов А.Р. // Тезисы докладов XV Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М.:Изд-во МГУ, 1985.С.139.

16.Бажуков С.И.,. Кибардин A.B., Пяткова Т.М. Двукратное рассеяние от тонкой самоподдерживающейся пленки // Тезисы докладов XVII Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с ¿^металлами. М.гИзд-во ИГУ, 1987.С.63.

17. Исследование полупроводниковых структур ядерно-физическими методами: Отчет о НИР / Багаев В.Н., Белых Т.А., Кибардин A.B., Пяткова Т.М.; N гос.per., 01870013430. Свердловск:УПИ, 1987. 137 с.

18. Исследование многослойных субмикронных структур: Отчет о НИР/ Багаев В.Н., Иванченко A.B., Кибардин A.B., Пяткова Т.М.; N гос. per. 01880039840. Свердловск: УПИ, 1988. 65 с.

19.Двукратное рассеяние протонов от тонкой еамоподдерживаквдейся пленки / Бажуков С.И., Кибардин A.B., Пузанов A.A., Пяткова Т.М., Урманов А.Р. // ПОВЕРХНОСТЬ: физика, химия, механика. 1988. N5. С.42-45.

20.Бажуков С.И., Кибардин А.В., Пяткова Т.М. . Нейтрализация ионов водорода в металлах и полупроводниках // Тезисы докладов XIX Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Ц.:Изд-во МГУ, 1989. С.69.

21.Nickel, cobalt and iron silioide formation stimulated by argon implantation / Tokarev V.7., Kibardin A.V., Pyatkova T.Ji., Zarov-sky D.I. // Abstracts of .European workshop on refraotory metale and silioides. Belgium, Houthalen, 1989. P.6.92

22.Иванченко А.В.. Кибардин А.В., Пузанов А.А. Компьютерное моделирование спектров резерфордовского обратного рассеяния от многослойных многокомпонентных структур // Применение вычислительной техники и математических методов в физико-технических исследованиях. Свердловск: УЩ, 1989- С. 12-16.

23.Зарядовое состояние ионов водорода в металлах и полупроводниках / Бажуков С.И., Кибардин'А.В., Пяткова Т.М., Урманов А.Р. // ЖТФ. 1989. Т.59. вып.4. С.159-161.

24.The charge etate of hydrogen ions in metals and semicondators. / Bazhukov S.I..Kibardin A.V.,Pyatkova Т.Н., Urmanov A.R. // Nucl.instr. and Meth. in Phys.Bes. 1991. B58. P.149-156. 25-Иванченко А.В. .Кибардин А.В.«Пузанов.А.А. Компьютерное моделирование спектров-резерфордовского обратного рассеяния от многослойных многокомпонентна структур // Материалы II Всесоюзной конференции. "Микроанализ на ионных пучках", 11-13 октября,1988, Харьков. Харьков, 1991. С.223-229. .

26.Bazhukov S.I., Kibardin АЛ., PyatkoTa Т.М. Analysis of the composition of inoident hydrogen ion beams accelerated by Van der Graaf electrostatic accelerator // Nuol. instr. and Ifeth. in Phys.Res. 1991. B58. P.242-246.

27.Пяткова Т.Ы., Уфухов П.П., Кибардин А.В. Особенности атомопере-

юса на границе раздела Ni/Si при изохронном отамге в диапазоне 'емператур 100 -400°^ // Труди II Всесоюзной конференции "Микро-" иализ аа ионных пучках", 11-13 октября, 1988, Харьков. Харьков,

1991. С.231-537.

!8.Nickel, cobalt and iron silicide formation stimulated by argon .mplar.tation / Tokarev Y.Y., Kifcardin A.V., Pyatkova T.M., Zarov-!ky D.I. // Appl.Surf;Sei. .1990. N44. 235-240.. >9.Кибврдан A.B., Пяткова T.'.i. Исследования с немощь» гопппх пуч-соз твердофазных реакций в двойных металлических слоях ff-Ti на сремнии // Тезисы докладов XXII Всесоюзного совещания по физике зйаймодействия заряженных частиц с кристаллами. М.:Изд-во МГУ,

1992. С.105.

ЗО.Кибардин A.B., Пяткова Т.М. Исследования с помощью ионных пучков твердофазных реакций з двойных мэталличесгах слоях 'ft'-Ti на кремнии /Л!зтсриглц XXII Мег:нацкопальиого совещания по физике вза-змодейстгия заряженных частиц с кристаллами. Ы.:Изд-во МГУ, 1993-Ï.134-136.

Подписано в почить 22.0I.S6 Формат 6Qx84 I/I6

Бумага вдпографская Плоская печать Усл.п.л. 1,63

Уч.-изд.л. 1,23 Тиран 100 Заказ 44 Бесплатно

Редакциошю-изцательскиЛ отдел УГТУ 620002, Екатеринбург, УГТУ, &~ii учебный корпус Ротапринт УГТУ. 620002, Екатеринбург,' УГТУ, 8-й учвбнш; корпус