Электронная микроскопия высокого разрешения многослойных систем Лебедев, Олег Игоревич

Введение к работе

Актуальность проблемы Основной элементной базой больших универсальных и специальных ЗЕМ начала и середины 90-х годов являются сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) логики и памяти. Постоянно растущая необходимость хранить и обрабатывать огромные массивы информации заставляет непрерывно совершенствовать базовые технологи! создания СБИС, проводить модернизацию приборных структур и уменьшать топологические размеры ИС,. что позволяет увеличить количество элементов на кристалле и, следовательно, плотность упаковки ИС. Реализация подооного рода структур требует кардинального решения проблем межсоединений и контактов к мвлкозалогапцим р-_п переходам. С ростом степени интеграции межсоединения занимают все большую площадь кристалла и, по существу, определяют все основные параметры ИС: быстродействие, энергию переключения, рассеиваемую мощность, помехоустойчивость, надежность и др. Использующиеся в настоящее время материалы для межсоединений и омических контактов, такие как ііоли-кремний, металлы (м, w. мь и др.>, наряду с примечательными, имеют ряд свойств существенно ограничивающих их применение для омических контактов и межсоединений в современной технологии СБИС: относительно высокое сопротивление (ПОЛИ-Si), высокая диффузионная способность (ai), слабая химическая и термо стабильности и, как следствие, взаимодействие с si подлоккой. Обладая низким удельным сопротивлением и высокой термостабиль-ностью, пленки силицидов, и в частности силицидов титана, имеющих минимальное удельное сопротивление, привлекают повышенный интерес.

Использование силицидов тугоплавких т.та.мо ) и полублагород-

ных (со! металлов и "самосовмещенной" технологии для формирования контактов к мелкозалегаюшим р-р переходам позволяет в целом решить эту проблему. По нашему мнению, многоуровневые системы на

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

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

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

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

Цель рзботи.

1. Исследование границ раздела и структуры пленок TiSi„ на sic, и si, полученных методом молекулярно-лучевой зпитаксии. Определение оптимальных параметров для получения пленок Tisi_v на sio₀ и si с максимальным структурным и фазовым контрастом.

2. Исследование кинетики фазоооразования пленок tisi_v в зависимости от толщины слоя S1C-,.

3. Исследование структуры и границ раздела многослойных систем металлизации на основе силицидов тугоплавких металлов -А1- cw-TiN-)Tisi„/si(loo». Определение структуры термостаоильной многослойной системы и технологических параметров ее получения.

4. Исследование процессов взаимной диффузии в многослойных системах металлизации Ai-(w-Tin-msi,,/si

5. Исследование структуры и границ раздела многослойной системы на основе ВТСП пленок YBa_oCu₃0₇_^,-PrBa_oCu₃0₇_„- . . . /SrTiO( 100 !

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

Научная новизна.

І. В результате исследований структуры пленок tisi_x на Si и sio₀. процессов их фазоооразования впервые показана возможность получения пленок Tisi._T на si и sic, с фазовым и структурным контрастом методом молекулярно-лучевой эпитаксии при относительно

низких температурах (-600^СС) в одном вакуумном цикле.

2. Исследования кинетики фазоооразова:.іия пленок tisi_v
па зю,, различной толщины позволили обнаружить неизвестный ранее
"конвертируемый" рост фаз tisi_v на тонких слоях sio,,, по-
сравнении с ростом на si- Обнаружено существование фазы ti^si^,,
считавшейся ранее нестабильной. Предложена модель фазоооразования
тччі на тонких слоях sio, пои латеральной диффузии si в пленку.

~ У. —

3. ЭМВР ИССЛеДОВаНИЯ СТРУКТУРЫ МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТеМ А1-

rw-TiN-msi /зкіш и границ раздела позволили обнаружить .необычную для подобных систем взаимную диффузию атомов si, w и ai, с образованием включений wsi„ в приграничной области подлоаки. Является новым обнаруженное влияние условий отжига и состава многослойных систем на неровность границ раздела и наличие тонких промежуточных слоев. Предложено объяснение этому факту.

4. Впервые методом ЭМВР исследована реальная структура
торцевого ДК с prBa_oCu_r,0₇_„ барьерным слоем на основе ЕТСП пленки
YBa_ocu₃0₇_„» определены истинные геометрические параметры, дефек
ты, структура и причина возникновения слабых связей в области ДК.

Практическая ценность.

Исследования структуры и фазового состава пленок силицидов титана, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на si(юо) и sio,.,, позволили определить условия получения пленок с максимальным фазовым и структурным контрастом при относительно низких температурах:низкосмнсй с-54 тізі₀ и высокоомной ti^si,,. На основании полученных данных по фазовому составу пленок был найден селективный травиталь для пленок составов Ti„Si-Ti„si. в результате химического травления которым пленка tisi., на sio,, удаляется полностью, а на skioo! остается неизменной. Получеш-ше результаты

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

Исследования кинетики фазооОразования пленок tish на клинообразно изменяющемся по толщине слое sio,, позволили обнаружить при определенных толщинах конвертируемый, по-сравнении с ростом на si, рост силицидных фаз. Определена критическая толщина слоя sio,,. при которой отсутствует взаимная диффузия ті к si через слой sio,,. Обнаруженный конвертируемый рост и данные по критической толщине слоя sio,, кеооходимо учитывать в технологии СБИС для предотвращения закороток.

Исследование многослойных систем на основе силицидов тугоплавких металлов, границ раздела и процессов диффузии позволили определить состав и оптимальные технологические условия получения термостабильной системы металлизации. Полученная, как конечный результат, структура Ai-w-TiN-Tisi,/si отвечает всем основным требованиям для систем металлизации и может быть успешно применена в технологии СБИС.

Исследование многослойной системы на основе ВТСП пленок ува₀си.,о^_„-РгВь₀си_:,От._,;-.. ./SrTio_q(loo! позволило определить структуру слоев и границ раздела, влияние поверхности подложи SrTio,,(loo) на качество растущей'пленки. Показана возможность формирования методом лазерной абляции многослойных с ориентированны/, перпендикулярно поверхности подложки пленок, обладающих наибольшей токонесущей способностью и наименьшими магнитными шумами, что является весьма важным при создании на их основе дкозефсоновских контактов (ДК).

Определение реальной структуры торцевого даозефсоков-ского перехода (ДП), его геометрии, определяющей электрофизичес-

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

Основные научные положения, вшюсише на защиту.

I.Наличие слоя sio,, приводит к изменению механизма роста пленок силицидов титана, получешшх методом соиспарения в условиях сверхвысокого вакуума, а также их фазового состава и структуры, по сравнении с пленками на skioou

2. Модель конвертируемого роста фаз Tisi„ на тонких слоях sicv,! по-сравнению с ростом на si, с учетом латеральной диффузии si. Влияние толдошы слоя sic,., на кинетику фазоооразования пленок силицидов титана.

3. Основным фактором, влияющим на структуру многослойных систем Ai-(.w-TiH-)Tisi„/SK іш, слоев и границ раздела явля-ется процесс взаимной диффузии атомов ді, w. si, определяющийся составом и условиями формирования систем.

4. Активная диффузия W В СИСТЄМЄАІ-W-TiSi /S1C111) отожженной на воздухе, в приповерхностную область подложки smui через слой tisi_v с образованием включений wsi„ обусловлена взаимным влиянием металлов системы и кислорода.

5. Реальная структура многослойной системы на основе

ВТСТГ ПЛеНОК YBe_r,Cij_g0₇__v-PrBa₂Cu_g0₇_„- . . . /SrTiO^f 100 і ВЛИЯНИе КЭ-

чества поверхности подложи на структуру и дефектность растущей

ПЛеНКИ: Компенсация НерОВНОСТИ ПОВерХНОСТИ ПОДЛОЖКИ SrTiO.^lOO)

порядка 15 А происходит в пределах первого растущего слоя

6. Связь геометрических и электрофизических параметров. Реальная структура торцевого ДК с ргВа₉Си_яо__, барьерным слоем, полученного лазерным распылением: сруктура слоев ДП, границ раздела, наличие промежуточный слоев.

Апробащш работы.

Основные результаты работы докладывались на:

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

6. xiv Всесоюзная конференция по электронной микроскопии, г.Суздаль, 1990г.

7. Мевдународная школа по электронной микроскопии, г.Халлэ, Германия, 1991г.

4. vii Мевдународная конференция по микроскопии полупроводниковых
материалов, г.Оксфорд, Англия, 1991г.

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

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

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

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

Публикации

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

Структура и объеы диссертации

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