ПОВЕРХНОСТЬ. Физика, химия, механика
6
1991
УДК 539.23:669.27.849
© 1991 г.
, ,
, ,
ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ СОСТАВА И СВОЙСТВА ПЛЕНОК
СПЛАВА ВОЛЬФРАМ - ТИТАН, ПОЛУЧЕННЫХ МАГНЕТРОННЫМ
РАСПЫЛЕНИЕМ СОСТАВНЫХ МИШЕНЕЙ
Методом электронной оже-спектроскошш исследовано распределение
элементов по глубине тонких пленок W—Ti, полученных магнетронным
распылением мишеней из высокочистых W и Ti. Показано, что содержа-
ние W по глубине пленки, определяющее ее барьерные характеристики,
составляет ~50 ат.% и практически не изменяется по глубине пленки при
длительном распылении мишени. Ронтхоноетруктурнын анализ пленок i
W—Ti показал, что пленки представляют собой твердый раствор Ti в W.
Показана высокая термостабильность тестовых диодных структур с барь-
ерными слоями W-Ti, полученными распылением составных мишеней пз '
W и Ti высокой чистоты.
В технологии кремниевых СБИС для создания пленочных токопроводя-
щих систем (ТС) широкое распространение получили многослойные
структуры. Как правило, они содержат контактный, барьерный и основной
токопроводящие слои на основе А1; в отдельных случаях барьерный слой
одновременно является и контактным слоем к кремнию. При этом от каче-
ства барьерного слоя (диффузионного барьера между Si и А1) зависит
воспроизводимость технологии ТС и кремниевых СБИС в целом [1].
Качество барьерного слоя зависит от физико-механических свойств ма-
териала, взаимной растворимости материалов в многослойной структуре
ТС в процессе термообработки, состояния поверхностей раздела слоев, тех-
нологических методов, которые не должны вызывать больших радиацион-
ных повреждений в процессе нанесения пленок, и др. факторов. Так, для
ТС с барьерным слоем из Ti характерно образование фазы TiAl3 при тем*
пературах отжига выше 485°, что приводит к расходованию части материа-
ла барьерного слоя. Следует также учесть, что растворимость Si в фазе
TiAl3 в несколько раз выше, чем в А1 [2], поэтому при недостаточной тол-
щине барьерного слоя или его дефектности скорость деградации контак-
| тов Si/Ti/Al или Si/PtSi/Ti/Al может оказаться недопустимо высокой.'
Пленки сплава W—Ti отличаются лучшим по сравнению с Ti сочета-
нием прочности и пластичности, что при прочих равных условиях значй-
> тельно снижает вероятность образования в условиях действия остаточных
механических напряжений вакансий и точечных дефектов структуры
илцшш типа проколои. Практикой установлено, что онтнмальноо соотно-
шение элементов в сплаве W—Ti для барьерного слоя составляет —3:7
[3]. При этом наблюдается меньшая взаимная растворимость на границе
с А1 и достигается повышенная термостойкость ТС.
Однако в современной технике СБИС выполнение лишь общих условий
формирования элементов, например ТС, нельзя признать достаточным, по-
этому следует учитывать все многообразие факторов, влияющих непосред-
ственно или косвенно на свойства пленочных ТС в структуре СБИС. В на-
стоящей работе исследованы воспроизводимость состава и свойства пленок
сплава W—Ti, полученных магнетронным распылением составных мишеней
на пластины Si с тестовыми структурами элементов транзисторно-тран-
ттт™™*, /ТТЛТТП Г. КИС.
Методы иоследованяя
Составные мишени для всех экспериментов представляли собой пло-
ские основания из высокочистого Ti с цилиндрическими вставками из мо-
нокристаллического W, размещаемые так, чтобы на распыляемой поверх-
ности соотношение площадей участков Ti и W соответствовало требуемому
соотношению и сплавах (и ит.%)- Рисиилоиио мишоной проводили в среде
Аг на установке 01НИ 7-006 (Оратория-5), скорость нанесения пленок
составляла 1,8±0,1 нм/с. Пленки осаждали на пластины Si (111), предва-
рительно нагретые в вакууме с помощью блока ИК-ламп до температуры
250±5°. Толщина пленок сплава W—Ti была 0,18±0,02 мкм, а их удельное
сопротивление не превышало 5 Ом/D и в большинстве экспериментов со-
ставляло ~4 Ом/П.
Состав пленки контролировали спектральным анализом, ее структур-
ные особенности — методом рентгеноструктурного анализа на~дйф~ракто - \
мётрё~ДРОН-1,5, а воспроизводимость состава пленки^ по глубишГ— мето - |
дом электронного оже-профилирования на установке ОЗИОС-10-005. Про - \
водили также'^измерения кривизны кремниевых пластин^с пленками |
сплава W—Ti по разработанной методике, дающей возможность сравни-
тельной оценки с погрешностью 2—3% величины остаточных механиче-
ских напряжений в пленках. Электрофизические параметры диодов Шотт - \
ки, формируемых на границе раздела подложка Si — пленка сплава
W—Ti, исследовали с помощью характериографа Л2-56.
( Результаты и их обсуждение
Спектральный анализ показал, что состав пленок, наносимых распыле-
нием составной мишени на различных этапах ее эксплуатации, в частности
в начальный период и после 130 рабочих циклов распыления, когда су - .•
щественное значение имеет эрозия ее рабочей поверхности, соответствует,
содержанию Ti в количестве ~19 мас.%, остальное — W, а отклонение от )
данного соотношения в ходе эксплуатации не превышает 2 % • '
Данные рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о том, что по - V
луииомыо илоики про л стл нляют собой твердый раствор Ti в W с растяже - (
нием решетки_\Ґ* При этом относительное изменение параметра решетки
зависйТ^^тогоТ^а^какой поверхности (полировашюй 1шГнеполирован-
ной)~кремниевоипластйны ыаходитсятгленка: наполированнойповерхно-
сти^а!/3=7 10~тГЈГна неполированной — 2-Ю~3. ЭтсРразличие связывается.^
в значительной мере с действием остаточных механических напряжений ^
в плёнкеУ Дёйствитёльно^йзмёрёния'кривизны~§1Ч1ластии с пленками
сплавав—Ti показывает, что на полированных пластинах радиус изгиба j
Д**р=64,5 м (при наличии промежуточного слоя Si02 между Si-пластиной |
и пленкой Лизг=47 м), а на образцах с пленками сплава W—Ti на неполи - 1
рованной поверхности — 103 м (при наличии слоя Si02 значение ЛизГ=69 м). j
Большая кривизна пластин и соответственно более высокий уровень оста-)
точных механических напряжений в плоскости пленки характерны для
пленок с более однородной толщиной по площади пластины.
Средний размер зерен пленок сплава W—Ti на полированных Si-пла-
стйнах составлял 40 нм Г54Унмна образцах с пр^ежуточнъТм слоем Sl07)T
а на_неполированных — 28 нм"С^~нм при наличии слоя Si02 ). При"этом//
заметных различий в текстурепленки на различных образцазГне обнару-
жено, ~ ' ””
На отмеченные характеристики пленок сплава W—Ti (величину меха-
нических напряжений и дисперсность пленок) оказ~ывает влияние содер^Г
у-'рпдр примасе™ дттядряттгтст| р. рддтг которых можно отметить Si, О, С, N [4].
Стремление обеспечить максимальную чистоту исходных материалов ми-
шеней привело к выбору описанной выше конструкции мишеней и отказу
от использования технологии порошковой металлургии. При этом для из-
108
Рис. 1. Результаты электронного оже-анализа плевок сплава
W—Ti на кремниевой пластине: а - полная развертка оже-
спектра; б - оже-профиль; 1 - W, 2 - Ti, 5 - Si, 4-0
готовления заготовок мишеней (цилиндрических слитков Ti) пользова-
лись методом двойного электронно-лучевого переплава [5], а также при-
меняли другие способы снижения концентрации посторонних примесей
при механической обработке и сборке.
Определение содержания примесей внедрения в пленке, проводимое
методом электронной оже-спектроскопии, показало, что на поверхности
пленки, как видно из полной развертки спектра (рис. 1, а), содержится
значительное количество атомов О, С и Р. Наличие азота практически не
зафиксировано. Относительные атомные концентрации этих элементов на
поверхности значительны: концентрация кислорода составляет в среднем
38 ат.%, а углерода —15 ат.%. Если количество углерода на поверхности
пленки W—Ti, в целом почти такое же, как и на поверхности пленки Pt,
наносимой катодным распылением в близких условиях, то количество кис-
лорода при аналогичном сравнении в несколько раз выше (поверхность
окислена), что находит объяснение в существенно более высокой хими-
ческой активности компонентов пленки сплава W—Ti.
Однако концентрация кислорода по глубине пленки невелика и спадает
до уровня единиц атомных процентов на глубине ~100 нм, о чем свиде-
тельствует типичный электронный оже-профиль, приведенный на рис. 1, б.
К типичному для данных пленок W—Ti результату можно отнести и бы-
строе снижение до уровня 2—3 ат.% содержания углерода по мере ионного
травления образцов и удаления зоны анализа от первоначальной поверх-
ности с последующим (по мере углубления зоны анализа) повышением
концентрации до 8—10 ат.% и резким падением (на глубине ~2/з толщины
пленки) до значений <1 ат.%. Отсутствие скачка в кривых для кислорода
и углерода при значениях времени травления ~50 мин, т. е вблизи грани-
цы раздела пленки с пластиной кремния, свидетельствует об эффективно-
сти предпринимаемых мер по высококачественной обработке поверхности
пластин перед нанесением пленки и о «чистоте» условий процесса по край-
ней мере на начальном этапе нанесения пленки.
109
Рис. 2. Электронные оже-профили пленок сплава W-Ti
после изотермического отжига при 510° в течение 1 ч на Si
(а) и Si02 (б): 1 - W, 2- Ti, 3 - Si, 4 - С, 5-0
Количественные соотношения между Ti и W на всей толщине пленки
(за исключением поверхностного слоя) практически остаются неизменны-
ми: титана содержится ~42 ат.%, вольфрама —50 ат.%, хотя в момент
скачка содоржапия углерода нмоот мосто возрастание концентрации W
до ~55 ат. %• И этой связи, но-видимому, нельзя связывать медленный
рост концентрации углерода по мере углубления зоны анализа с методиче-
ской погрешностью вследствие диффузии углерода, стимулированной ион-
ной бомбардировкой в процессе травления. На электронных оже-профилях
образцов других серий наблюдались также меньшие флуктуации концент-
рации углерода в пленке W—Ti, но резкого скачка его содержания у гра-
ницы раздела с Si-подложкой также в этих случаях не отмечено.
Исключение составляют образцы, прошедшие термическую обработку
при температуре 510°, в которых на границе_пленка сплава W—Ti/Si-под-.
ложка наблюдается достаточно протяженная по глубине область_Ј__здЈг
ментным составом, близким к составуГшлицидовТлЭ^г и WSi2 (рис. 2, а).
Этот переходный слой силицидов смешанного состава ‘заметно обогащен
(до ~7 ат.%) углеродомТчтоГ^-видимому. следует связывать с различием
продольной растпорймой^'й'Тсоаффициоцта диффузии углороди и исходно»
и Формируемой "фазах Гб]. Что касается-содержания~в~Тзленке других
примесей внедренийТ'нгкпример азота, то следует отметить, что его содер-
жание по всей толщине пленки W—Ti не превышало 1 ат. %.
11Q
3. Зависимость базовых характеристик диодов Шоттки в-Si/PtSi/Mo/Al—Si и
PtSi/W—Ti/Al—Si от продолжительности выдержки при 450° в среде азота: а -
утечки диода Шоттки на уровне 15 В; б - прямое пробивное напряжение диода
тки на уровне 300 мкА; 1 - диоды с Мо; 2, 3 - диоды Шоттки с W—Ti, мощность
распыления 2,4 и 3,2 кВт соответственно
Переходный слой некоторой толщины образуется и на границе раздела
ака W—Ti/Si02 (рис. 2, б). Интерпретация полученных результатов
ом случло осложняется большей погрешностью вследствие небольшой
зарядки образцов при снятии оже-спектров. Однако можно констати-
зть очевидную тенденцию изменения концентрации по глубине пере-
аого слоя таких компонентов, как Si, Ti и О. При этом монотонный
актер спада концентрации Ti и О до точки, соответствующей времени
зления 3,4 мин, и дальнейший спад концентрации Ti с одновременным
гом концентрации Si до момента времени травления — 7,5 мин дает
звания предположить, что на поверхности переходного слоя (с пере-
ной концентрацией Ti) преобладает фаза оксидов Ti, а в более глубо-
слоях — фаза силицидов Ti и твердых растворов Ti и Si. Обращает на
i внимание факт практического постоянства концентрации W в нерв-
ном слое. Такая совокупность результатов с учетом выводов работы
может объясняться большим сродством к кислороду и меньшей тем-
атурой силицидобразования для Ti по сравнению с W при условии от-
ствия в пленке сплава химического соединении W/Tv
Свойства пленочных элементов со структурой слоев W—Ti/Al, в част-
ти контактов с барьером Шоттки к п-Si с подслоем PtSi толщиной
3 нм, зависят не только от воспроизводимости состава пленки сплава
-Ti, но и от скорости ее нанесения, которая определяется подводимой
[агнетронному источнику мощностью. Это иллюстрируется рис. 3, ко-
ый позволяет сравнить интенсивность деградации диодов Шоттки с
мером контактного окна 10X10 мкм2 (без охранного кольца) с барьер-
чи слоями из сплава W—Ti, полученными в различных режимах рас-
тения, и Мо при их одинаковой толщине, составляющей 0,18 мкм.
Для диодов Шоттки Si/PtSi/W—Ti/Al характерны в целом более высо-
| уровни токов утечки, чем для диодов Si/PtSi/Mo/Al, хотя в обоих слу-
х полученные значения токов утечки не являются препятствием для
тльзопптшл таких дподоп в составе ТТ. ТТТТТ БИС.
Приведенные данные объясняются структурно-морфологическими осо-
ностями поверхности и границы раздела кремний — металл в рассмат-
шемых контактах с барьерным слоем и коррелируют с результатами ра-
ы [1]. Более высокое качество контактов с барьерным слоем W—Ti,
гученным при повышенной мощности распыления составной мишени,
словлено, как показали исследования микроструктуры пленок, более
сокой дисперсностью структуры. Значительно более низкая термоста-
тьность такого параметра диодов Шоттки, как падение напряжения при
тмом смещении, для структур Si/PtSi/Mo/Al связывается с протеканием
зцессов фазообразования силицидов на границе контактный слой -
зьерный слой.
111
Явление силидидобразования в случае выдержки при 450° на границе
PtSi/W—Ti протекает замедленно в связи с наличием структуры твердого
раствора сплава W—Ti и установленным в данной работе явлением кон-
центрации в переходном слое такой примеси внедрения, как углерод.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
, , ЦПоверхность. 1989. № 2. С. 84.
Ту К. Н., Мейер Дж. У. //Тонкие пленки. Взаимная диффузия и реакции. М.: Мир.1982. С. 301.
Ting С. Y., Wittmer М. //Thin Sol. Films. 1982. V. 90. № 4. Р. 327. Гольдшмидт X. Дж. Сплавы внедрения. Вып. 1. М.: Мир, 1971. 424 с. , Маркарянц тугоплавкие металлы для тонко-пленочной металлизации. Материалы для элементной базы вычислительной тех-
ники. М.: Общество «Знание» РСФСР, 1987. С. 15.
Минский радиотехнический институт Поступила в редакцию
22.11.1990
Принята в печать
9.Х. 1990
Yastschak V. Yu., Glebovsky V. G., Dudarchik A. I.,
Dostanko A. P., Baranov V. V., Kolos V. V.
REPRODUCIBILITY OF THE COMPOSITION AND PROPERTIES
OF TUNGSTEN — TITANIUM ALLOY FILMS, OBTAINED
BY MAGNETRON SPUTTERING OF COMPOSITE TARGETS
Auger-electron spectroscopy has been employed to study the depth elemental distri-
bution in thin films of W—Ti, obtained by magnetron sputtering of high purity W and
Ti targets. It is shown that the W content in the film depth, that determines its barrier
characteristics, makes up about 50 at. pet, and is, actually, invariable in the film depth
at a prolong target sputtering. An X-ray structural analysis of the films W—Ti has
shown that these are a solid solution of Ti in W. High thermal stability of test diode
structures with W—Ti barrier layers, obtained by sputtering of the high purity W and
Ti composite targets is demonstrated.
