Термомеханические напряжения в процессах формирования тонких пленок металла на основе золота на поверхности арсенида галия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

л

с-> •

на правах рукописи

Любченко Дмитрий Владимирович

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТАЛЛА НА ОСНОВЕ ЗОЛОТА НА ПОВЕРХНОСТИ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

01.04.10- физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1997 г.

Работа выполнена в Институте Радиотехники и Электроники Российской Академии Наук

Научный руководитель: академик РАН Ю.В. Гуляев

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор Кашкаров Павел Константинович Доктор физико-математических наук, профессор Мансфельд Георгий Дмитриевич Ведущая организация: ГНПП "Исток"

Защита состоится 1997г. в часов на

заседании специализированного совета К 002 .У1/. 0£ в Институте Радиотехники и Электроники по адресу: 141120, г. Фрязино, Московской области, площадь Введенского, 1, ИРЭ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте Радиотехники и Электроники

Автореферат разослан

1997г.

Ученый секретарь специализированного совета

и

к. ф. - м. н. Чусов И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы: Тонкопленочные структуры составляют основу современной микроэлектроники. Среди них контакты металл-полупроводник, полученные путем осаждения тонких пленок металла на поверхность полупроводника, занимают очень важное место как в качестве нелинейных элементов (диоды с барьером Шоттки), так и в качестве токопроводящих омических контактов и межсоединений в интегральных схемах. Разработка технологии изготовления приборов на основе полупроводников группы А3В5, в первую очередь ОэАб, привела к необходимости изучения механизмов начального формирования и свойств тонких пленок различных металлов, прежде всего золота, полученных путем вакуумного осаждения. Исследованиям в данной области посвящено большое число работ и все же многие вопросы до сих пор мало изучены. В частности, очень мало изучена роль механических напряжений, которые возникают уже на самой ранней стадии формирования пленки металла из-за различия параметров решетки. В некоторых работах этими эффектами сознательно пренебрегают, ссылаясь на то, что золото очень пластично. Такой подход нельзя признать оправданным в настоящее время, когда технология позволяет создавать и контролировать свойства гетероструктур на уровне атомных слоев. Кроме того, в ряде случаев в процессе формирования контакта, например, при получении омических контактов, а также в процессе

работы приборов применяется или возникает значительный нагрев. Учитывая, что при этом на поверхности полупроводника нередко присутствуют слои изолятора (БЮг, $¡N4), имеющие существенно иной коэффициент линейного расширения, чем арсенид галлия, возможность возникновения термомеханических напряжений приобретает особенно важное значение. Известна также возможность возникновения акустических колебаний в процессе вакуумного осаждения, а также возможность воздействия поверхностных акустических волн (ПАВ) на формирование пленки металла, однако специально и применительно к системе Аи-СаАв эти явления до сих пор почти не изучались.

Цель работы: В настоящей работе исследована роль механических, в том числе и термомеханических, напряжений на различных стадиях процесса формирования пленки Аи на поверхности ваАз: на стадии предварительной подготовки образцов, вакуумного осаждения пленки металла, термического отжига структур Аи/ОаАэ и Аи+ОеЮаАБ, в том числе при наличии промежуточного слоя вЮз или натурального окисла на поверхности СаАБ, с целью оптимизации и совершенствования технологии получения выпрямляющих и омических контактов к арсениду галлия.

Научная новизна работы. В процессе исследований, выполненных в диссертационной работе, получен ряд новых результатов, имеющих большое научное и практическое значение, в том числе рассмотрен

общий подход к процессам изготовления структур АиЛЗаАБ, включая исследования с помощью электронно-лучевых приборов (электронография, Оже-спектроскопия), технологии создания полупроводниковых приборов и к процессам, происходящим при их работе (например к токопрохождению), в том числе к процессам, являющимися причиной отказов в работе (повреждений).

На основе их сформулированы новые научные положения, которые выносятся на защиту:

1. Воздействия электронных пучков малой интенсивности, в том числе связанных с исследованиями поверхности полупроводника методами Оже-спектроскопии, электронной микроскопии, электронографии, вызывают принудительную релаксацию пластических напряжений путем диффузии точечных дефектов, а также с помощью химических реакций. Релаксация осуществляется по поверхности образцов независимо от размеров области экспозиции.

2. В случае чистой (свободной от окислов) поверхности под воздействием облучений или потока атомов испаряемого металла из-за возникновения областей, растянутых в одном направлении, наблюдается фасетирование поверхности с образованием микрообластей новой ориентации (100)—>(111) как следствие процесса, известного под названием "нерегулярной эпитаксии".

3. При распространении поверхностной акустической волны масса оксидов на поверхности GaAs межет изменяться вследствие нарушения фазового равновесия системы окисел-полупроводник с переходом атомов галлия и мышьяка из приповерхностного слоя в оксид и обратно.

4. Низкотемпературная коалесценция пленок Аи на открытой поверхности GaAs в окнах SiCh происходит при участии Ga по механизму, осуществляемому в гетерогенных системах, вследствие флуктуаций, стимулированных остаточными механическими напряжениями, а также напряжениями, возникшими из-за различия коэффициентов термоического расширения Au, SiCh и GaAs.

Практическая ценность: Данные о влиянии термомеханических напряжений и о возможности изменения состава приповерхностного слоя GaAs при воздействии электронных пучков, используемых в электронной литографии, пропускании постоянного или СВЧ тока, а также ПАВ, могут быть использованы при разработке технологии изготовления приборов на основе структур с ультратонкими, нанометровой толщины слоям и, например полевых транзисторов типа НЕМТ, которые широко используются в СВЧ электронике.

Апробация работы: Результаты работы докладывались на национальных и международных конференциях: "13lh International Vacuum Congress, 9lh International Conference on Solid Surface"

(Yokohama, Japan, 1995), "2a" Международная конференция по физике малоразмерных структур" (Дубна, 1995), "IV Национальная конференция по физике окисных пленок" (Петрозаводск, 1994), National Physics Conference, (Baia Mare, Romania, 1995), "14lh International Conference on Utilisation of Ultrasonic Methods in Condensed Matter" (Zilina, Slovakia, 1995), на научных семинарах лаборатории твердотельной электроники миллиметрового диапазона в ИРЭ РАН.

Публикации: Основные результаты опубликованы в 9 печатных работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка цитируемой литературы. Работа изложена на

_страницах, включая_рисунков и_таблиц.

Во введении обоснованна актуальность диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание диссертации по главам.

В первой главе дан обзор литературы, посвященной реакциям взаимодействия в тонкопленочной системе Au/GaAs при формировании контакта металл-полупроводник.

В обзоре рассмотрены работы, посвященные методам получения атомарно чистых поверхностей, исследованиям состояния поверхности подложек ваАз в реальных условиях осаждения пленок металлов, динамики колебаний атомов в тонких пленках на подложках и структурных превращений.

Показано, что процесс формирования пленок при гетерогенной кристаллизации является многостадийным и сопровождается фазовыми, морфологическими, ориентационными структурными и субструктурными превращениями, однако в первую очередь определяется характером взаимодействия на межфазной границе подложка-пленка.

Стимулированная перестройка поверхности осуществляется переносом дисперсных частиц, в том числе в электрическом поле, связанном с пьезопотенциалом поверхностной акустической волны. Во время работы приборов, вследствие термического отжига в многослойных структурах возникают значительные деформационные эффекты, что не может не сказаться на процессах физико-химического взаимодействия в них, а следовательно на качестве изготавливаемых приборов, на их электрофизических свойствах, воспроизводимости параметров. Однако механизм этого влияния пока мало изучен, реакциям взаимодействия с учетом деформационных эффектов в таких

структурах посвящено пока очень мало работ и это является в настоящее время актуальной задачей.

Во второй главе приведена методика и техника эксперимента. Обсуждаются возможности различных процессов очистки поверхности GaAs. Лучшие результаты были получены при использовании смеси 7H2S04:1H:02:1H20. Перед нанесением пленок золота проводилась дополнительная очистка поверхности с помощью термического отжига в вакууме при Т~570°С. Осаждение золота осуществлялось в вакууме 10"6 Topp с помощью термического испарения. Описываются методики исследования электрофизических свойств контактов, а так же методика измерения параметров состояния поверхности GaAs с использованием ПАВ. Дается описание измерительной установки.

В третьей главе рассматривается изменение структуры и состава поверхности GaAs под воздействием некоторых факторов, имеющих место в процессе изготовления и работы приборов, а именно: локальное воздействие ультразвуком (ультразвуковая сварка), прохождение тока в приповерхностном слое, воздействие СВЧ излучения и поверхностной акустической волны. Замечено, что общий характер изменения во времени состава поверхности, изученного с помощью метода тонкого химического анализа, имеет вид изображенный на Рис.1, где можно выделить четыре области: 1 - снижение содержания свободных Ga и As на поверхности GaAs, 2 - область подъема, 3 - выход на плато и

стабилизация и 4 - резкое увеличение с выходом на разрушение. Делается вывод о том, что имеет место диффузионная ползучесть стимулированная внешним воздействием.

Содержание свободных атомов Ав и Оа

Рис. 1. Изменения состава поверхности со временем воздействия

В главе четвертой рассмотрено воздействие температурного отжига как одного из факторов возникновения или снятия напряжения в структурах ВЮг-СаАв со вскрытыми окнами. Показано, что остаточные механические напряжения, а также напряжения, возникшие из-за различия коэффициентов термического расширения Аи, 810: И ОаАв, воздействуют на структуру и состав тонких пленок Аи. В свою очередь

характер образования островков пленок Аи позволяет выявить (декорировать) напряжения на поверхности ОаАз в окнах 8102.

В главе пятой исследованы причины возникновения и механизм релаксации микронапряжений на поверхности полупроводниковых структур, а именно автоэпитаксиально выращенных слоев ваАБ, в т.ч. структур ваАз покрытых окисным слоем (природный окисел) и подложечного материала под воздействиями различного рода излучений слабой интенсивности. Показано, что пострадиационные эффекты обладают свойствами дальнодействия, слабо зависят от площади экспозиции и имеют релаксационную природу. Различного рода внешние воздействия, такие как: электромагнитная волна, электронные пучки, а также пучки испаряемого золота вызывают принудительную релаксацию пластических деформаций путем диффузии точечных дефектов. При этом происходит перераспределение микронапряжений в направлениях определенных кристаллографических плоскостей. В дальнейшем при накоплении их в определенных направлениях образуются области сжатия и расширения, могут также образовываться регулярные микротрещины, являющиеся стоком для точечных дефектов, таких как свободные атомы ва и Ав. При этом в направлении [110] осуществляется главным образом миграция галлиевых капель, в то время как в перпендикулярном ему направлении осуществляется реакция взаимодействия. Это связано с анизотропностью механических свойств

направлений [110] и [110] на (100) GaAs поверхности. В направлениях

[110] образуются регулярные дефекты в виде желобков, куда и происходит скатывание мигрирующих атомов Ga. При взаимодействии Ga с атомами As (растворении As в Ga, поскольку Ga жидкий при комнатной температуре) образуется нарушенный слой арсенида галлия. Как правило это гексагональный GaAs с дефектной базисной плоскостью {111}. Таким образом вся поверхность GaAs становится микрофасетированной с плоскостью фасеток {111}. При этом (100) ->

(111), [110] и [010]. Вследствие этого в выделенном направлении <112> осуществляется более тонкий эффект - диффузия атомов галлия. Плоскость (111) является наиболее выгодной для распространения ПАВ. При этом в направлении [211] скорость распространения волны наибольшая.

Исследовано воздействие поверхностной акустической волны на структуру и фазовый состав поверхности арсенида галлия. Эксперимент показал, что мощность ПАВ, поглощаемая приповерхностным слоем арсенида галлия, так же как и разность фаз между входным и выходным сигналами изменяются в зависимости от времени воздействия. Обнаружено, что прохождение акустической волны влияет на фазовое равновесие в системе GaAs - природный окисел (Ga2Ü3, имеющий структуру корунда). В зависимости от заданных параметров и условий

прохождения ПАВ приповерхностный слой полупроводника становится как более прозрачным для волны так и сильно поглощающим, а также либо увеличивает либо уменьшает скорость ПАВ. Оказалось, что наблюдаемый эффект связан с изменением толщины окисного слоя и его структуры вследствие обмена атомов галлия, мышьяка, кислорода и молекул воды между оксидом и приповерхностным слоем ОаАэ. При этом миграция атомов осуществляется с помощью механизма межзеренной диффузии. Вследствие этого изменяется не только толщина но и сплошность окисного слоя. Этот же эффект наблюдается при прохождении электрического тока в зависимости от времени.

Поскольку процессы релаксации связанны с миграцией точечных дефектов величина энергии активации процесса может быть определена как энергия активации миграции атомов. Оказалось, что она равна энергии смешения СаАв 21.5 ккал/моль. При этом определена энергия диффузии атомов галлия ~4.5 ккал/моль. Общая энергия процесса соответствует при этом энергии образования ваАв 17 ккал/моль, что соответствует данным, имеющимся в литературе.

В заключении приведены основные результаты работы.

1. Экспериментально показано и обоснованно на основе данных химического анализа, оптической и электронной микроскопии, что низкотемпературная коалесценция пленок Аи на открытой поверхности ваАБ в окнах БЮз происходит при участии ва из

приповерхностного слоя ваАв по механизму, осуществляемому в гетерогенных системах, находящихся в так называемом "предпереходном" состоянии вследствие флуктуаций, стимулированных остаточными механическими напряжениями, а также напряжениями, возникшими из-за различия коэффициентов термического расширения Аи, БЮг и ваАБ. Эти явления, имея метастабильный характер, тем не менее определяют условия образования контактов малой площади в виде сотовых структур. В свою очередь изучение морфологии тонких пленок Аи позволяет выявить (декорировать) напряжения на поверхности СаАв в окнах, полученных химическим травлением слоя БЮг.

2. Обнаружено формирование островков-треков при осаждении Аи на стадии зародышеобразования. Предложен и обоснован механизм образования треков, основанный на взаимодействии микроостровков пленки Аи как с пьезополями под воздействием микронапряжений, так и вследствие бомбардировки поверхности ваАз атомами испаряемого Аи, а также вследствие возникновения специфического микрорельефа на атомарном уровне.

3. Экспериментально исследовано влияние ПАВ на состояние межфазной границы монокристалла ОаАв с пленкой природного окисла ОэАб. Сделан вывод о релаксационно-волновых процессах

изменения структуры и состава при формировании границ раздела 0а+А5+0<->Са20з+Аз:0з+Н;0.

4. Обнаружено изменение состава приповерхностного слоя ваАБ под воздействием электронных пучков низкой интенсивности, в частности, используемых в процессах электронной литографии и оже-анализа. Проведено исследование зависимости количества свободного ва и Аз от времени и интенсивности облучения. Предложен и обоснован механизм явления, заключающийся в релаксации микронапряжений, диффузии точечных дефектов и реакции Са+АзоСаАз.

5. Обнаружено изменение состава (отношения Оа/Аз) поверхности ваАв вне области осаждения, на расстоянии до 1 см, при вакуумном напылении пленки Аи. Исследована зависимость соотношения ва/АБ от времени напыления и найдено объяснение полученным экспериментальным данным.

Основные результаты отражены в следующих работах: l.T.A. Briantseva, D.V. Lioubtchenko, V.V. Lopatin. "Ga migration processes in Au film on (100) GaAs under temperature treatment in vacuum". Applied Surface Sciences 100/101 (1996) p.169-173.

2. T.A. Briantseva, D.V. Lioubtchenko, N.V. Alkeev. "Acoustical effects in the processes of thin Au film evaporation on GaAs surface" Journal of ACTA Physica Slovaca vol.1.

3.T.A. Briantseva, V.V. Lopatin, D.V. Lioubtchenko. Deformation processes in thin SiO: layers at GaAs surface during the annealing of honey-comb Au-GaAs structures. Abstracts of IV National Conference on Physics of Oxide Films. Petrozavodsk (Russia), 1994, p. 15.

4. T.A. Briantseva, D.V. Lioubtchenko, E.O. Yunevich. Structure evolution and phase transitions in Au film growth on (100) GaAs surface. Abstracts of 13th International Vacuum Congress, 9Ih International Conference on Solid Surface. Yokohama (Japan), 1995, p. 145.

5. T.A. Briantseva, D.V. Lioubtchenko, V.V. Lopatin. "Ga migration processes in Au film on (100) GaAs under temperature treatment in vacuum". Abstracts of 13th International Vacuum Congress, 9th International Conference on Solid Surface. Yokohama (Japan), 1995, p. 168.

6. T.A. Briantseva, D.V. Lioubtchenko. "Fundamental processes of Au growth on A3B5 compounds and their influence on metal-semiconductor interface properties". J. Physics of Low-Dimensional Structures-2, special issue, Abstracts of 2nd International Conference, Dubna (Russia), 1995, p.92.

7. T.A. Briantseva, D.V. Lioubtchenko, "Ga migration processes in Au film on (100) GaAs under temperature treatment in vacuum". Abstracts of National Physics Conference, Baia Mare (Romania), 1995.

8. T.A. Брянцева, Д.В. Любченко, Е.О. Юневич, Г.Г. Дворянкина, З.М. Лебедева. "GaAs surface transformation under low energy electron beam and/or evaporated Au flow influence". Препринт №2 (616) ИРЭ PAH, 1997.

9. T.A. Брянцева, Д.В. Любченко, Е.О. Юневич, Г.Г. Дворянкина, "Фундаментальные процессы роста пленок Au на подложках GaAs и их влияние на свойства границ разделов металл-полупроводник". Препринт №3 (617) ИРЭ РАН, 1997.

Подписано в печать 30.09.1997г. Тираж 100. Формат 80x64/16. Объем 1,16 усл.п.л. Ротапринт ИРЭ РАН. Зак. 31.