Получение и исследование свойств гетероэпитаксиальных пленок CoSi2/Si и Si/CoSi2 тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ имени У. А. АРИПОВА

П 6 ОЛ

^ СиН |Ь'9Й На правах рукописи

УСМАНОВ Мураткасим

УДК 573. 533; 537. 534

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ

ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК

' С^з/в! и в^СовЬ

Специальность 01. 04. 04 - "Физическая электроника"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертацтгна соискание ученай степени кандидата физико-математических наук

ТАШКЕНТ -1998 г.

Работа выполнена Университете им. А. Р. материалов".

в Ташкентском Государственном Техническо] Беруни. на кафедре "Физика и технологии

Научный руководитель: - доктор физико-математических наук,

профессор Умирзаков Б.Е.

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук,

и..о. профессора Турсунметов К. А.; - 'кандидат физ.-мат. наук, Атабаев Б.1

Ведущая организация: - НИИ прикладной физикии.

Защита состоится d g// тмд^, я 199й г. в "Ali" часои

на заседании Специализированного Совета Д. 015.23.Ol npi Институте электроники им. У. А. Арифова АН РУз по адресу: 700143, г. Ташкент,. ГСП. Академгородок.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте электроники им У.А. Арифова АН РУз.

Автореферат разослан " £ ^/сга 1998 г. УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

Специализированного Совета Д.015.23.01,

доктор технических наук, профессор Хамидов I-

Актуальность проблемы. Перспектива создания новых приборов твердотельной электроники - во. многом определяется, синтезом многослойных тонкопленочных эпитаксиальных гетероструктур с заданными физическими свойствами. Особое место при этом занимает эпи-таксиальный рост пленок на монокристаллических подложках различной природы и создание структур типа металл-диэлектрик-полупроводник. Основным требованием при создании такой системы является близость параметров кристаллических решеток этих материалов. Система CoSl2 (металл) -S1 (полупроводник)- CaF2 (диэлектрик) является уникальной, и "представляет собой набор материалов с идентичной кристаллической структурой и весьма близкими значениями постоянных решеток. На основе такой'системы можно создавать новые БИС. УБИС. СВЧ-приборы, солнечные элементы, детекторы излучения разной частоты с уникальными параметрами.

К настоящему времени наиболее детально исследованы процессы кристаллического роста .. .пленок CaF2 на поверхности Si. Имеется ряд работ и по системам CoSi2/Si и Sl/CoSl2. Эти исследования, в основном, относятся к ориентации (111) S1.

В последние годы возрос интерес к системам типа Si-CoSi2-Si, в особенности с ориентацией (100). Это связано с возможностью создания на их основе транзисторов с металлической и проницаемой базой (ТМБ и ТПВ).

Однако до сих пор остаются неясными многие аспекты кристаллического роста тонких плёнок CoSi2 на поверхности S1, не изучены физические свойства данных структур, имеются расхождения в интерпретации экспериментальних результатов. Отсутствуют достоверные сведения о концентрационных профилях распределения атомов на границе контактирующий металл-система Sl/CoSl2. и о параметрах решетки тонких пленок- CoSl2/Sl. Электронная структура этих систем практически не исследована.

Актуальность и важность подобных исследований с практической точки зрения обусловлена необходимостью создания новых типов тонкопленочных эпитаксиальных гетероструктур для приборов микроэлектроники, а также получения достоверных сведений о процессах, происходящих в пленке и на границе раздела пленка-подложка при эпитаксиальном ро.сте таких тонких пленок.

Цель работы - исследование, состава, электронной и кристаллической структуры и электрофизических свойств тонких пленок

СоБХа/Э!(100) и 31/Со312(100) в процессе их эпитаксиального роста, а также определение оптимальных режимов получения совершенных пленок и выяснение механизмов их роста.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально изучены закономерности молекулярно-луче-вого и твердофазного эпитаксиального' роста пленок Со312 на

(100) и пленок на поверхности Со312(100) в различных структурных комбинациях; на различных этапах эпитаксиального роста определены состав, кристаллическая структура, оптические и электрофизические свойства поверхности пленок.

2. Впервые изучена электронно-зонная структура поверхности пленок СоБ12. Показано что СоБ1г является узкозонным (Ее<0.5 эВ), вырожденным полупроводником с р-типом проводимости.

3. Впервые показана возможность создания контактов к ультратонким слоям с помощью низкоэнергетической имплантации ионов.активных металлов. Праведено сравнительное изучение влияния ионной имплантации на эмиссионное свойства Ра. V/ и пленок 31/Со312. Выявлено, что образование химических связей между атомами и Вг способствует получению -надежных - омических•контактов субмикронноР толщины.

Основные положения., выносимые на защиту. .

1. Оптимальные режимы получения совершенных эпитаксиальньи пленок СоБ1г и Б!. например, при МЛЭ росте Со312 оптимальные режимы: скорость роста 0.5 +'2 А/с, Тр =600-650 °С.

2. Новые экспериментальные данные об электронной и кристаллической структуре, оптических и электрофизических свойства: пленок Со312/31(100) И 31/Со312(100).

3. Механизмы изменения электрофизических свойств эпиплено] при температурном отжиге: Установлено,что зависимость р(Та) дл СоБ1г/Б1 проходит через минимум при Т=650-700°С. Уменьшение при увеличении Т до 650-700°С объясняется улучшением упорядочен ности пленки и уменьшением числа несвязанных атомов Со и Б!, увеличение р при Т>700-800°С связано с образованием островково пленки.

4. Способ.получения омических контактов на поверхности .эгш пленок с применением низкоэнергетической ионной имплантаци (ионы Ва с энергией Е0=0.5-5 кэВ).

Научная и практическая ценность работы:

Установлены основные закономерности механизмов молекуляр-

но-лучевого и твердофазного-..... ацитаксиального роста пленок

Со312/31(100) и 31/Со51г(100). которые имеют важное значение для развития теории- гетероэпитаксиального роста пленок на поверхности монокристаллов. Результаты могут быть использованы при создании новых многослойных гетероструктурных пленок типа МДП. ПМП, необходимых для приборов микро и СВЧ-электроники; а также в учубном процессе при подготовке лекционных и практических занятий со студентами материаловедческих и электрических специальностей в ВУЗах.

■ Результаты экспериментальных исследований включенные в диссертационную работу, получены непосредственно автором. При получении пленки методом МЛЭ и в обсуждение этих результатов участвовали Ташатов А.К. и Эгамбердиев. Б.Э.

Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 работах и обсуждались на XII Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (Москва, 1995), XIII Международном симпозиуме-по вторичной электронной, фотоэлектронной эмиссиям и "спектроскопии поверхности твердого тела (Ташкент. 1994), Первой Республиканской ..конференции по физической электронике (Ташкент; 1995), IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных ^материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1996). Всероссийском симпозиуме по эмиссионной электронике (Рязань, 1996), Научно-технических конференциях профессоров, преподователей, ' аспирантов и научных работников ТашГТУ (Ташкент. 1994, 1995. 1996).

Структура и объем диссертации:

Диссертация .состоит из введения, четерех глав, заключения и списка цитируемой литературы включаещего 124 наименований. Она содержит 126 страниц, в том' числе 110 страниц машинописного текста, 31 рисунков и 10 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность проблемы, изложены цель и задачи исследования, научная новизна, основные положения выносимые на защиту, практическая значимость работы.

Первая глава - обзорная,, в ней проанализированы данные, посвященные переспективам применения гетероструктурных пленок на основе кремния, основным закономерностям молекулярно-лучевого, твердофазного, реактивного (МЛЭ. ТФЭ, РЭ). эпитаксиального роста силицидных пленок, а также"методам создания-контактов к ультратонким пленкам.

Каждый из методов получения эпитаксиальных пленок Со312, обладая определенными преимуществами, не'лишены-и-недостатков. Независимо от. способов эпитаксиального выращивания, пленки с толщиной в пределах 8=100-300 А. имели более совершенную и однородную структуру. Наиболее низкие величины- сопротивления получены при температуре роста 550-600°С. "' -

Основное внимание уделено исследованиям»... направленным к получению и изучению свойств совершенных эпитаксиальных комбинаций типа Б1 - Со312 - Б1. - Со312 - СаГ2, - Со312 - СаАэ на основе которых можно создавать новые тигаг-приборов электронной техники, прежде всего активных элементов больших и ^льтрабольших интегральных схем, СВЧ-приборов. детекторов. ДО и рентгеновского излучения. Показано, что пленки Со312/Б1 имеют наибольшие перес-пектйвы в создании транзисторов с металлической и проницаемой базой. .

Сформулированы основные "задачи диссертационной работы.

Во второй главе даны описания экспериментальной установки и методики измерения. Для выполнения поставленной задачи использован ряд установок. Основные эксперименты проводились на базовой многокамерной стандартной'установке, предназначенной для эпитаксиального роста пленок и СоБ12, изучение их состава, структуры и свойств. Эта установка в наших исследованиях использовалась впервые. Подробно расмотрены., основные узлы ростовой камеры, описана технологическая'очистка и загрузка образцов. методика'анализа структуры и состава пленок.

Исследование электронной структуры, оптических и эмиссионных свойств пленок, а также напыление атомов"контактирующего материала и имплантации ионов к пленкам, лазерный и температурный отжиг осуществлялись в другой высоковакуумной (Ю"7Па) экспериментальной установке. Анализ состояния поверхности проводился с использованием методов оже-электронной спектроскопии, ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии и спектроскопии упруго-отра-

женных электронов.

Удельное сопротивление пленок определялось четырехзондовым методом.

В конце главы приводятся ошибки измерений. В частности толщина пленок (для 9 > 0,5 монослой) определялись с погрешностью 8*10%, наличие атомов с погрешности не более 0.3 + 0.4 %. а их концентрация на уровне 10 '+ 12 ат-%.

В третьей главе приводятся результаты электронно-спектроскопических- исследований состава, электронной и- - кристаллической структуры пленок Со312 разной толщины, выращенных на поверхности монокристаллов Б1.

Определение положений уровней Ферми и остовных уровней пленок разной толщины, а также их изменений при-прогреве и лазерном отжиге проводились путем сравнения их с аналогичными характеристиками для эталонного образца, которым служил поликристаллический РсЗ.

В разделе 3.1 приведены результаты по эпитаксиальному росту пленок Со312/31 (100) методом (МЛЭ). Определена зависимость совершенства пленок от различных технологических факторов: толщины пленки, температуры и скорости роста. На основе полученных результатов установлены следующие закономерности:

- независимо от температуры подложи Тр и скорости выращивания Ур рост пленки Со312/31(100) до толщин 6<С25-30А происходит неравномерно, и имеет место.фасетирование. При сравнительно высоких температурах (Тр = 600+700°С) фасетирование существенно меньше:

- на поверхности пленок с толщиной 8 < (100+120) А, выращенных сравнительно с большой скоростью (Ур > 1 А/с) наблюдалось образование сверхструктурных перестроек типа (2 х п). а пленки выращенные с"" мбЖшими скоростями (Ур < 2 А/с) не имели поверхностной реконструкции (нет сверхструктуры) при любых температурах роста.

Выявлены оптимальные режимы получения пленок Со312/31 (100): Р < 10"6Па. Тр= 600 * 650°С, Ур < 2 А/с однако, такие пленки имеют гладкую поверхность, совершенную структуру и строгую стехиометрию только при. толщинах 8 > 50 А.

Раздел 3.2 посвяшен выращиванию пленок Со312/31 (100) методом твердофазной эпитаксии. ТФЭ включала в себя два основных

процесса: осаждение при комнатной температуре тонких аморфных пленок Со (9 = 100-150 А) на очишенную поверхность Б1 (100) и нагрев этой системы до определенной температуры. -Скорость образования пленки и тип силицида кобальта определяются температурой подложки. Анализ результатов.ОЭС и картин ДБЭ показали, что:

- при достижении Г = 250°С начинает формироваться аморфная пленка Со312. При Т = 320°С на картине ДБЭ появляется два концентрических кольца, характерных для поликристаллических пленок:

- при Т = 400°С на .электронограмме появляется конфигурация, состоящая из шести и более колец, этому случаю соответствует поликристаллический слой СоБ1. При увеличении температуры до 450°С элементный состав пленки заметно не изменяется. Происходит лишь некоторое изменение-радиусов колец и расстояния между ними;

- начиная с Т « 500°С на фоне этих колец появляются рефлексы в виде тяжей, а концентрация Со в приповерхностном слое уменьшается;

- при Т « 550-600°С образуется монокристаллическая пленка СоБ1, которой'соответствует.,дифракционная картина состоящая из тонких параллельных тяжей.

Изучение морфологии поверхности...пленок в МЛЭ и. в особенности ТФЭ, показало, что при высокотемпературных процессах тонкие пленки Со312" формируются с микроскопическими отверстиями . Эти микроотверстия могут иметь форму треугольников, ромбов или шестиугольников. Их размеры могут изменяться в широких пределах от ~102до Ю4 А.

Для оценки качества и степени совершенства пленки с микроотверстиями вводится параметр удельная площадь 5, которая зависит от их концентрации и размеров Величину 5 можно приближенно определить по формуле:

5=1-т (3.1)

где 1-коэффициент покрытия. Коэффициент покрытия нами оценивался с помощью данных ОЭС. Сотрудниками ЦНИТИ предлагалось выражение, связывающее т с интенсивностями Оже-пиков Б1 и Со:

т«3(1-Л51/Л„) ^т^со (3-2)

где. Л51 и ¿Гсо _ интенсивности Оже-пиков и Со в пленке СоБ!-.; Л31п- интенсивность Оже-пиков в подложке. При этом, значение т ~ 1 соответствует сплошной пленке.

Проведенный анализ показал, что когда в пленке имеются мик-

роотверстия в зависимости от их концентрации значение т лежит в пределах -0.6 -0,9, а в случае образования островковой пленки КО.6. Генерация микроотверстий в пленке термодинамически обусловлена стремлением системы понизить поверхностную энергию. В нашем случае образование этих отверстий имело место при Т > 600°С, а для островковых пленок при Т > 750°С. Поэтому для получения сплошных пленок необходимо применять режим низкотемпературной эпитаксии при Т = 500-600°С. •

В МЛЭ и ТФЭ, используя метод "сэндвича", можно выращивать пленки с концентрацией микроотверстий «10~5 см"2. Если учесть, что размеры отдельных микроотверстий лежат в пределах 100 А -1000 А. то общая их-доля в 1 см2 составляет 5= 10"7>Ю"3. Следовательно, согласно формуле.(3.1) значения т=1-5=1, т.е. имеем практически сплошную пленку.

С точки зрения кристаллического совершенства пленок CoSi2 установлена следующая закономерность: независимо от метода формирования пленки, полученные при Т < 400°С, имеют полуаморфную структуру и возможно-текстурирование.

Монокристаллическая структура будет формироваться, начиная с Т=450°С. В диапазоне Т=450-600°С с ростом Т происходит улучшение кристаллической структуры CoSl2 . При Т> 600°С пленка имеет совершенную монокристалличе'С'кувг структуру. Однако, как было показано, при высоких Т морфология (сплошность) пленки нарушается: происходит формирование микроотверстий (Т - 650-750°С), а затем (Т>750°С) формирование отдельных островков.

В разделе 3.3 дается результаты экспериментальных и теоретических исследований по оценке энергии границ раздела frp для системы CoSi2/Sl: для плоскостей (111), экспериментальное значение frp составляло ~ 1500 эрг-см"2: а для границ (100) ~ 3430 эрг-см"2. Эти данные-удовлетворительно совпадали с теоретическими расчетами.

На основе анализа картин ДБЭ и РЭМ, совместно с данными ОЭС. нами построенна диаграмма структурного состояния систем CoSi2/Si (100).

В разделе 3.4 приводятся электрофизические и оптические свойства ..структуры CoSi2/Si (100): исследованы высота барьера Шоттки (ВБШ) и удельное сопротивление р пленки. Основные результаты измерений ВБШ и р приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Метод получен Толщина пленки. А Т |эоста мк8м/см УФВ,эв Морфология, кристалличность

МЛЭ 30 450 90 0.51 поликристалл

30 600 45 ' н.ф., сс 2 хп

30 850 150 0.45 остров.

120 560 32 0. 62 ф., сс 2 хп

120 600 20- 0.67 н.ф.хс, нее.

200 900 ■ 120 ■ - остров.

ТФЭ "' 120 120 200 600 450 650 22 - 80 120 0.67 н.ф., нее пол., н. стех. н.ф. ,с.с.

ф - фасетироваше, н.ф - нет ф., сс - сверхструктура, нее -нет сс., н. стех.- нарушение стехиометрии. Из таблицы видно, что в случае совершенных пленок независимо от метода их выращивания, значение БВШ максимально и лежит в пределах 0,62-0,67 эВ, а значение р минимально и составляет 20-25мк0;.;-см.

Исследована также зависимость р от от температуры роста Т для пленок Со312(100) разной толщины. Результаты экспериментов показали, что в интервале Т = 550-700°С значение удельного сопротивления наименьшее "и "находится в пределах 20-30 'ыкОм-'см. Пленки, сформированные при Т<500°С, обладают сравнительно высоким сопротивлением: р= 60-70 мкОм-см. В случае МЛЭ - роста это объясняется недостаточной упорядоченностью структуры пленок и высокой плотностью дефектов в них. В случае ТФЭ роста, помимо этих причин, таете из-за наличия низкотемпературных фаз силицида - Со2Б1 и СоБ12.

Резкое увеличение р для пленок Со312, сформированных при Т)800°С мокно объяснить 'образованием зародышей (ТФЭ-рост) или островков (МЛЭ-рост). а также обогащением поверхности кремнием, в результате диффузии кремния через пленки. По-видимому, образование островковойГНленки при малых толщинах происходит сравнительно более легко, чем в толстых. Вследствие чего для тонких пленок уже при 850°С значение р > 100 мкОм-см. В случае толстых пленок (0>4ОО-5ОО А) низкое удельное сопротивление р<40-50 мкОм-см сохраняется вплоть до температуры 900°С. Для этих пленок резкое увеличение р наблюдается начиная с Т~950°С. Анализ ре-

зультатов картин- ДБЭ... и. спектров оже-электронов показал, что рост пленок при высоких Т обусловлен не только образованием островков, но и частичным разложением Со312 и испарением его компонентов с поверхности.

Оптические свойства, коэффициент отражения к и коэффициент пропускания 3, пленок Со312 исследованы с помощью ИК спектрометра в диапазоне длины.волн. Х~1-4мкм. Результаты экспериментов показали,' что в случае совершенных пленок во всей исследуемой области длин волн света значение к с ростом X увеличивается. Однако. в области 1-2 мкм этот рост незначителен и его значение не превышает 10-15%. Резкий рост К происходит, начиная с 2 -2,5 мкм, что примерно совпадает с краем фундаментального поглощения света пленкой Со312 . При X > 2,5мкм энергия фотона Е=1КсЛ.) меньше, чем ширина запрещенной зоны Со312 (Е - 0,5 эВ) , следовательно, коэффициент отражения к пленки увеличивается.

Что касается оптического пропускания пленок то его значения в интервале 0 ~ 50200 А монотонно уменшается от -40% до -15%.

Раздел 3.5 посвящен изучению-электронной структуры поверхности эпитаксиальнах слоев Со312 / (100) на основе анализа тонкой структуры кривых спектров фото и упругоотраженных электронов. При этом с помощью УФЭС определены распределения плотности электронных состояний в валентной зоне и основные параметры энергетических зон пленочных структур: Фото (Ф) и термоэлектронные (<р) работы выхода, сродство к электрону эе, ширины запрещенной зоны Ее и величины изгибов зон Значение этих параметров определяли относительно уровня- Ферми чистого Рс1. с помощью спектров УОЭ основные энергетические положения и форма максимумов плотности свободных электронных состояний.

В таблице 2 приведены основные параметры энергетических зон. энергетические положения пиков наблюдаемых в спектре УФЭ и УОЭ и их интерпритация для 31 и пленки Со312.

Таблица 2

Объект УФЭС СУОЭ

Параметры зон,эВ интерпретация пиков Е„, эВ Электронные переходы

СоБЬ/Б! (100) 6 =120 А Ф=4,9 ср=4, 9 Ек=0,5 эе=4,4 -0,4 -1.2 -3.5 М3(31)+М5(Со) Еу1 М2(31)+М4(С0) Еу2 М4(31)+М4(Со) ЕУз 1,6 5,5 8 10 ' 15,5 20,5 ЕУ1 - ЕС1 ЕП - Еуо - Е* 2 X (Еу2 - Е") 2 X (Еу3 - Е*)

31(100) Ф=5,1 Ф=4,7 Ей=1,1 эе=4,0 -1,5 -2,4 -4,5 -7,5 ПС ЕУ1 м23 Еу2 М^Игз Е„3 м, еу4 2,5 5.5 8 1014 Еу2 ^ ЙС1 .. I" : На ЕЦ - Е

Есв - энергии, соответствующие максимумам на кривых УФЭС.

Ет энергии которые соответствуют максимумам на кривых СУОЭ.

В таблице 2 положения' максимумов плотности заполненных электронных состояний (валентной зоны) обозначены через ЕУ1. ЕУ2. ЕУЗ и Е„4. а положения максимумов плотности свободных состояний через Ес1, Ес2 (в кристалле). Е* и Е* (в вакууме).

Из таблицы видно, что при переходе от Б1 к Со312 происходит уменьшение (в 2 раза) ширины запрещенной зоны и выпрямление изгиба зон. Значение ф=Ф, для. Со312 дает основание сказат что она является выражденным полупроводником с дырочной проводимостью. Этим и может обуславливаться высокая электрическая проводимость силицида кобальта.

Анализ спектра фотоэлектронов Со312 и сравнение его со спектрами и Со дает возможность предполагать, что максимум Еу, формируется вследствие гибридизации М3 состояния кремния и М5 состояния кобальта, а максимум Еу2 - вследствие гибридизации М2 состояния кремния и М4 состояния кобальта, в то время как максимум Еу3 образуется вследствие гибридизации М!-состояния., кремния, и М4-состояния кобальта.

В четвертой главе диссертации приводятся результаты экспери-

ментальных исследований основных закономерностей роста пленок S1 (100). определения оптимальных условий - получения совершенных пленок, а также создания контактов к этим структурам.

В разделе 4.1 представлены экспериментальные результаты исследования состава и структуры пленок Sl/CoSi2 (100). выращенных методом МЛЭ. В качестве подложек были использованы достаточно толстые 6 = 200 А пленки CoSl2 с высоким совершенством. Для установления общих закономерностей МЛЭ-роста и для сопостовления с известными и-эталонными данными нами в необходимых случаях исследованы процессы формирования эпитаксиальных пленок на массивных подложках CoSl2 (100). Установить такие закономерности для пленочных подложек возможно не всегда. Так, например, совершенные эпитаксиальные пленки S1 (100) могут создаться при Т ) 800°С. При такой температуре на пленках CoSl2 происходит образование островков или зародышей. Этот процесс, в свою очередь, влияет на морфологию и кристалличность пленки S1, создаваемой над пленками CoSl2-.

Перед МЛЭ-ростом подложка очищалась высокотемпературным прогревом (до 650°С) в вакууме(Р=10"7Па).После термической обработки пленки CoSi2 имели гладкую поверхность с структурой (1x1).

Формирование пленок кремния осуществлялось в температурном интервале 600-800°С.При температурах подложки Т=650°С начинает расти сплошная пленка S1,. которая имеет поликристаллическую структуру.

Увеличение температуры нагрева образцов до 700°С способствует формированию монокристаллических слоев Si. При этом на электронных микрофотографиях появляются характерные дендритные структуры, имеющие многогранную форму Со с размерами 10-15 мкм. а на картинах ДБЭ на фоне поликристаллических колец появляются точечные рефлексы. Ярко выраженные точечные рефлексы, характерные для монокристаллов, на электронограммах устанавливается при Т=800°С. Однако, при Т~750°С формируются островковые образования, нарушающие сплошность осажденный пленки. При такой температуре островки начинают появляться в самой подложке - пленке CoSi2. В случае роста пленки Si на поверхности массивного кристалла Cosl2 островки образуются при Т> 800-850°С.

При Тр> 700°С в приграничной области Sl/CoSi2(100) происходит диффузия Si в CoSi2 и Со в Si, вследствие чего появляется

некий переходный, слой с толщиной..100-150 А... Исходя из этого можно предполагать, что в случае Si/CoSi2(100) непосредственно в процессе формирования невозможно получить пленки с высокой совершенностью (сплошные, с гладкой поверхностью, хорошей морфологией и высокой степенью кристалличности).

Для получения более совершенной МЛЭ пленки сначала формировались относительно"толстые"слои (6)200 А) кремния при Т» 650°С,-а затем проводился послеростовый температурный или лазерный отжиг полученных структур. Послеростовой отжиг пленки S1 проводился в интервале температур Т0«600-900°С. Начиная с Т = 700°С на электронограммах на фоне "поликристаллических" колец появляются точечные рефлексы. Совершенная • монокристаллическая структура, характерная для.пленки Si-(100), устанавливалась при Т ~ 800°С. При этом, в отличие от ЫЛЭ пленки S1 (100). выращенной при ТР=800°С, происходило образование островковой.структуры. По-видимому. образование островков в пленке CoSi2, при наличии на её поверхности пленки Si. происходит при более высоких температурах. чем без этой пленки. Отметим, что послеростовой отжиг способствовал существенному уменьшению (до 2 раз) диффузии Со з толщу пленки кремния. Однако при То=800°С глубина диффузии Si в CoSi2 составляет 150-200 А.что влияет на характеристики (в частности, резко увеличивает р) пленки CoSi2. Это становится серьезной помехой при использовании тонких пленок (0 < 500 А).

Для получения более совершенных пленок Si/CoSi2. по-видимому, можно использовать послеростовый лазерный отжиг.

Результаты этих исследований приведены в разделе 4.2. Перекристаллизация поликристаллических слоев кремния осуществлялась под действием лазерного излучения с длиной волны 1.06 мкм и длительностью импульсов 10 не. Плотность энергии варьировались в диапазоне W = 0,1 - 5 Дж см"2 с точностью ±10%. Лазерную обработку производили в том же сверхвысоковакуумном приборе, где выращивали пленку. Лазерные лучи направлялись на образец через специальное окошко, вмонтированное в прибор.

Перекристаллизация слоев кремния происходила, начиная с плотности энергии W = 2,3 - 2.5 Дж см"2. При этом на микрофотографиях появляются, картины, характерные для крупноячеистой дендритной структуры. С повышением W до ~3 Дж см"2 они трансформируются в мелкоячеистую структуру. Гладкая зеркальная поверхность

формировалась, начиная с W » 3 + 3.2 Дн.см"2.

При этом на электронограммах присутствуют размытые рефлексы, обусловленные большой плотностью дефектов кристаллической структуры. Увеличение W до ~4 Дж см'2 несколько улучшает совершенство пленки. Однако, дальнейший рост W из-за сильного нагрева отдельных участков приводит к деградации поверхности.

Результаты исследований по оже-профилированию пленок показали. что в процессе лазерного отжига заметное увеличение диффузии S1 в CoSi2 и Со в SI не происходит. Так, например, при лазерном облучении, с плотностью энергии W » 4 Дж см"2, ширина переходного слоя составила всего лишь 100- 120 А, что почти в 2 раза меньше, чем в случае высокотемпературного отжига. При этом пока еще не наблюдается заметное обогащение приграничной области атомами Со. По-видимому, при-такой V/ лазерные лучи, проникающие через пленку S1 в CoSl2, не могут нагревать es до высоких температур. достаточных для разложения данного силицида. Увеличение W до 5 Дж см"2 приводит к разложению CoSi2 и диффузии Со в S1. Оптимальная перекристаллизация пленок кремния происходит при W ~ 3,8 * 4 Дж см"2.

После лазерного облучения систему Sl/CoSl2 вновь подвергали температурному прогреву при Т ~ 700-750°С. что приводило к существенному улучшению структурного совершенства пленки, без заметного изменения состава и ширины переходного слоя. По-видимому, после лазерного отжига с оптимальной плотностью энергии W ~ 4 Дж см"2, хотя пленки S1 из поликристаллической структуры переходят в монокристаллическую и в них отжигаются различные крупномасштабные дефекты и дислокации, но в пленках Si и CoSi2 остаются или появляются дополнительно большое количество точечных дефектов.

Таким образом, проведенные исследования позволяют утверждать, что импульсное лазерное облучение в сочетании с термическим прогревом позволяет достичь повышения структурного совершенства эпитаксиальных пленок S1. выращенных на поверхности CoSi2.

В разделе 4.3 приводятся электрофизические свойства пленок Sl/CoSi2(100). Зависимость р(0) представляет собой кривую с максимумом. наблюдаемой в-области 0 « 50-60 А. При малых толщинах (9 < 50 А) вследствие несплощности пленки на значение р сильное

влияние оказывает подложка. Поэтому .а этой,области-6 с ростом толщины пленки р растет от -20-10~60м-см, характерно для Со31г. до 0,5*0.6 Ом-см. характерного .для сплошной пленки В диапазоне 9=50+250А увеличения 9 приводит к монотонному уменьшению р.

Увеличение р с уменьшением 9 может быть.обусловлена: сильным проявлением рассеяния носителей на границах слоя; влиянием кван-тово-размерных эффектов (дискретизация собственных значений момента импульса в направлении нормали к поверхности), вытекаемых из классической теории Фукса-Зондхаймера: высокой концентрацией точечных дефектов. При этом, по-видимому, не последнюю роль играет диффузия поверхностных атомов Со в Б!,- которые создают электрически активные центры.

При 9 > 200 А. эти факторы мало влияют на р, поэтому его значение с ростом 9 заметно не меняется.

Раздел 4.4 посвешен созданию контактов к субмикронным слоям.

В данной работе мы попытались создать омические контакты также и на поверхности сверхтонких пленок (9<500 А) / СоБ1г с использованием имплантации ионов Ва+.- Для -этого сначала, были исследованы влияния имплантации ионнов бария на сотав, эмиссионные и электрофизические свойства поверхности пленок 31/СоБ1г. Анализ полученных данных на основе сравнения их с аналогичными данными полученными 'для Рй й М показали, что образование химической связи между атомами кремния и бария способствует не только существенному улучшению эмиссионной эффективности, но и резкому увеличению глубины диффузии ( до 6-8 раз) атомов контактирующего металла. При этом происходит "металлизация" (значение р составляет 40-50 мкОм-см) при поверхностного слоя пленки. Дл5 получения контактов проводились следующие технологические операции: пленки легировались ионами Ва* с вариацией энергий ионое в следующей последовательности 5, 3, 1 и 0,5 кэВ. Во всех случаях доза ионов составляла (4 + 6) 1016см"2. При этом высота потенциального барьера пленка-контакт уменьшалась до 0.35 - 0.< эВ. Затем проводился постимплантационный отжиг.

Оптимальный режимом кристаллизации разупорядченного слоз пленки в случае лазерного отжига была плотность энергии ~2 + 2,; Дж-см"2,а в. случае температурного Т=800°С. После отжига- длз получения омического контакта на поверхность этих систем напылялись атомы контактирующего металла (N1 или Рй).

В таблице 3 приведены значения р и ВБШ для системы Л1-Ва*-*51.

Таблица 3

Параметры Ш-'-Ва*—► Б1 (III)

неотожженная структура температура Т=800° С плотность энергии 2,5 Дж-см"2

р, мкОм см 1.6 1,3 1.2.

<РВ. эВ ■ 0,15 0,4 0,4

Видно что. ■ качество омического контакта слабо зависит от предварительной обработки ионно-легированного слоя. В указанных системах малое значение удельного сопротивления обуславливается как высокой степенью легирования приповерхностного слоя, так и малой высотой барьера Шоттки. Таким образом, предварительная имплантация ионов Ва* в позволяет, получить надежные омические контакты.

В случае контакта Рс1-Э1 уже при.. комнатной температуре наблюдается образование химических связей между атомами Рй и 51. При этом толщина эффективного переходного слоя составила 150-200 А0. Предварительная имплантация ионов бария в уменьшает толщину переходного слоя всего лишь на 1, 5-2 .раза, без заметного изменения его. Исходя из этого можно сделать вывод, что предварительная ионная обработка дает наибольший эффект когда между атомами Б1 и контактирующего металла не образуется химическая связь (контакты типа Н1Б1, А131).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах 1*14 автора и могут быть сформулированы следующим образом.

1. Показано, что методами МЛЭ и ТФЭ в условиях сверхвысокого •вакуума можно получать эпитаксиальные. пленки Со312 на поверхности 31(100). Разработаны технологические режимы выращивания эпи-таксиальных слоев и Со312 в различных комбинациях для создания структур типа Со312/31(100) и 31/Со312(100).

2. Установлено, что в случае МЛЭ-роста однородные сплошные пленки Со312 формируются, начиная с толщины 9 = 50-60 А при Т = 550-700°С, наиболее совершенными при этом являлись пленки с 9 = 100-200А, полученные при Т = 600°С." В случае ТФЭ роста монокристаллические пленки Со312/31(100) с однородной поверхностью и

строгой стехиометрией . формировались- в интервале Т = 600-650°с при в =100-250 А.

3. Показано, что тонкие пленки СоБ12/51(100) формируются в кубические решетки с величиной постоянной решетки а - 5.36 А. С использованием УФЭС впервые изучены параметры энергетических зон и распределение плотности электронных состояний в зонах для эпипленок СоБ12, и. в частности, показано, что Со312 является узкозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 0,5-0.6 эВ.

4. Обнаружено, что на границе раздела Со312-31 имеет место частичная взаимодиффузия атомов. Экспериментально и теоретически оценена удельная свободная поверхностная энергия границы раздела Со312/31(100). значение которой составляет 1500 Эрг-см"2.

5. Исследованы оптические и электрофизические свойства пленок Со312 разной толщины. Показано, что совершенные пленки Со312 обладают малым удельным сопротивлением (р » 15-20 мкОм-см). благодаря чему их можно использовать при создании транзисторов с металлической и проницаемой базой. Обнаружено, что зависимость р(Т) имеет минимум при Т = 650-700°С. а при Т>800°С рСов1г резко увеличивается, что связано с разложением СоБ1г и десорбцией компонентов силицида.

6. Показано, что в случае системы 31/Со312(100) для получения совершенных пленок требуется проведение послеростового кратковременного температурного (Т = 750°С) или лазерного отжига. Наибольшее структурное совершенство пленки 31 достигается при проведении лазерного отжига в сочетании с термическим прогревом.

7. Определены оптимальные условия создания омических контактов к субмикронным слоям пленок 31/Со312 с использованием низкоэнергетической ионной имплантации, и даны рекомендатции для развития технологий получения микроэлектронных структур 31-Со312-31 с омическими контактами.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Тащатов А.К.,. Кодиров И.Н., Умирзаков Б.Е.. Усманов М, Взаимосвязь между.изменениями состава и эмиссионных характеристик РсЗ-Ва. Р<3 и V/ приионной имплантацией. / Известия РАН, серия фи-

зическая. 1994. т. 58. N: 10, с-. 68-69.

2.Ташатов А.К., Усманов М., Умирзаков Б.Е. Электронно-спектроскопические исследования поверхности эпитаксиальных пленок CoSlz на S1. /Узбекиский физический журнал.1995.N6,с.31-34.

3. Усманов М.-, Умирзаков Б. Е., Кодиров И.Н., Ташатов А. К. Исследование состава приповерхностныхслоев эпитакциальной пленки кремния, применяемых в интегральных схемаз./Узбекский физический журнал.1996, N3, с.31-35.

4.Умирзаков Б.Е.. Усманов М., Ташатов А.К. Электрофизические и оптические свойства структуры CoSl2/Sl (100)./ Узбекский физи-чиский журнал 1997. N5,

5.Иванов в. В., Усманов м.. Умирзаков Б.Е. Электронная и кристалическая структура поверхности тонких пленок CoSi2.// Тез. док.VIII Межд. симп. "по- вторичной-электронной, фотоэлектронной эмиссиям и спектроскопии поверхности твердого тела. Ташкент. 1994, с. 51-52.

6.Умирзаков Б.Е., Холиков Ю.Д., Усманов М., Кодиров И.Н. Влияние ионной имплантаци и последующего отжига на состав и структуры Si.GaAs.CaF2.CoSl2.//Тез.докл.XII Межд. симп. по вторичной. фотоэлектронной эмиссиям и спектроскопии поверхности твердого тела. Ташкент. 1994,с.7-8.

. 7.Ташатов А.К..». Усманов М., Кодиров И.Н., Холиков Ю. Д. Исследование зонной структуры поверхности силидцидов металлов, полученных ионной имплантацией и твердофазной эпитаксией. Матер. XII-Межд. конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью". Москва. 1995, Т.2,С. 198-199.

8. Ташатов А. К., Усманов М., Холиков Ю. Д.,. Нормурадов М.-Т. Получение гетероэпитаксиальных пленок BaSi2 и CoSi2 на S1 методом низкоэнергетической., ионной имплантации.//Мат.конф. "Фан ва ишлаб чикариш" Чирник, 1995, с.

9.Усманов М., Умирзаков Б:Е.. Ташмухамедова Д. Закономерности эпитаксиального роста пленок Со312.//Тез.док.1-Республиканс-кой конференции по физической электронике. Ташкент. 1995. с.125.

10.Нормурадов М.Т.. Кодиров И.Н.. Холиков Ю.Д., Усманов М. Влияние лазерного отжига на силицидаобразование в ионно-легиро-ванных слоях кремниях.//Тез.док.I-Республиканской конференции по физической электронике. Ташкент. 1995, с. 87.

11.Усманов М., Мирзаев Д., Лютович А.Н. Исследование элект-

ронных свойств поверхности пленок Со312/31 //Тез.докл. 1-РеспуО-ликанской конференции по физической электронике. Ташкент. 1995. с. 70. .

12. Усманов М., Миржалилова М.А. , Холиков Ю.Д.. Умирзаков Б.Е. Влияние после ростового отжига на состав и структуру пленок 31/СоБ1г (100) //Тез.докл. меж. конф. Эмисстон электроника, янги услублар ва технологиялар. Тошкент. 1997, с.52.

13. Умирзаков Б.Е.. Ташатов А.К., Усманов М., Нормурадов м. Т. Оценка энергии границы раздела в системах Со312 //Узбекистон олий укув юртларида физика фанининг ютуклари. Ташкент. 1997.

14. Усманов М., Жуманов И.3., Ташатов А.К.. Умирзаков Б.Е. Применение низкоэнергетической ионной имплантации для создания контактов к пленкам субмикронной толщины. Взаимодействие ионов с поверхностью. // Мат. конф. Москва. 1997. с.

СоБ12/31 ва 81/Со812 гетероэпитаксиал пардаларни хосил кдлищ ва уларнинг хусусиятларини урганиш Усмонов Муродцссим ' АННОТАЦИЯ

Бу.ишда Со312 пардасини (пленкасини) БШОО) устида, пар-дасини Со312(100).устида молекуляр-нурли .ва каттик, фазали эпитак-сия усуллари билан устириш конуниятлари урганилган.

Со312 пардасининг электрон тузилиши хакида биринчи марта ту-ларок маълумот олинган. Со312 пардаси такик,ланган зонасининг кенглиги Е>0.5 эВ булган, Ферми сатхи билан валент зонасини энг юцори сатхи устма-уст тушадиган ярим утказгич эканлиги аниклан-ган. Эпитаксиал устириш нараёнининг турли боскичларида парданинг элементар ва кямёвий таркиби, морфологияси ва кристалл тузилиши, оптикавий ва электро-физик хусусиятлари урганилган. Яхши пардалар олишнинг оптимал шароитлари аникданган.

Устириш жараёнида кейинги кдздиришнинг пленка.хусусиятларига таъсири текширилган. шулардан пленкалар солиштирма каршиликлари-нинг циймати 1=600-650 °С да минимумга эга булиши курсатилган. Бу усул ердамида мукаммал пленкам гизимлар хосил килишнинг янги им-кониятларики яратиш мумкинлигн курсатилган.

Кичик энергияли ионлар имплантацияси усулидан фойдаланиб ута кпка пленкаларда контактлар'олишнингмумкинлипг аникланган.

Олинган натижалар микро- ва утаюкори частотали электроника сохаси учун янги купкдтламли пленкалар хосил к,илиш учун ишлатила-ди.

Диссертация ишининг асосий натижалари 14 илмий ишда еритил-

ган.

The obtiiininji nn<J investigation of the properties (tf hetroepithicnl films. CoStj/ Si an:! CoSi2

IJsmanov Muratkasim

The conformity to natural laws of in oleculr.r rays and firm phase epithical grow of films CoSi 2 to (100) and films Si to surface of CoSi 2 (100).

The results of electron structure of films CoSi> surface were obtained. H is shown that C'oS'i is narrow ¿miz (Eg 0.5 e.Y). degenerated semiconductor with r-type cwiihici.'vity.

The morphologic«! crystal structure, optical and electrophysical properties of films were, determined jj> different stage epithaclical growth. The. optimal regimes of obtaining of pcrfcct films and finding out of median isms of their growth were determined.

The influence of after growth fire on the properties of films CoSij studied, and it is shown that at 7=600-650 "(', the temperature dependence of the specific gravity of resistance 500s through minimum, which creates new posibilities for the formation of perfect films structures. The possibilities of the creation of contacts to ultra films layers with the help of low-energetical imp Imitation of ions of active

structural luii!3 type MU3. 3M5. necessary tor me dcvias 01 micro anil electronics.

The main contents of the dissertation are shown in 14 scientific works.

Подписано и печати iZ,Of}, 199 % г.. формат 00x84'/»;. оперативная печать, Gyyara ЛЬ/ .усл. п. л. i уч. юд.л., тираж/<|70 , ;тк;п Л« . Отпечатано в типографии

ТашП'У. Ташкент. Вунгоролок, ул. Талабалар, 51.