Способ получения гетероструктуры оксид титана - силицид титана на монокристаллической кремниевой подложке, покрытой нанокристаллической титановой пленкой

Способ получения гетероструктуры оксид титана - силицид титана на монокристаллической кремниевой подложке, покрытой нанокристаллической титановой пленкой

Реферат

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов.

Известны различные способы формирования слоев диоксида титана на подложках путем термического оксидирования пленок титана, где источником атомов окислителя является газовая среда [1, 2]. Также известны различные способы формирования слоев силицидов титана на подложке кремния путем термического окисления пленок титана, где источником атомов окислителя является подложка [3-6]. Что касается формирования пленочных гетероструктур диоксид титана-силицид титана на подложке кремния, то предложенный в работе [7] способ формирования гетероструктуры TiO₂ / TiSi₂ путем термического оксидирования пленки TiSi₂ на подложке монокристаллического кремния не позволяет получить однофазную пленку TiO₂, а способ, предложенный в работе [8], основанный на твердофазной реакции разложения пленки TiO₂ в контакте с подложкой Si - сплошную пленку TiSi₂. К недостаткам последнего способа следует отнести и невозможность получения предельной фазы силицида TiSi₂(C54), обусловленную ингибирующим влиянием кислорода на кинетику силицидообразования [9].

Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является способ получения гетероструктуры TiO₂ / TiSi₂, предложенный в работе [10]. Этот способ включает следующие стадии:

размещение кремниевой подложки в вакуумной камере;

очистка кремниевой подложки от естественного оксида;

формирование методом магнетронного распыления нанокристаллической пленки титана на поверхности пластины кремния;

синтез гетероструктуры TiO₂ / TiSi₂ происходит в результате активированных термической обработкой в диапазоне температур от 700 до 1000°C в течение 30 мин реакций оксидирования пленки Ti со стороны свободной поверхности и силицидобразования с межфазной границы Ti/Si.

Основным недостатком этого способа является относительно высокая температура и большая длительность процесса формирования гетероструктуры, а также, как и в способе [8], невозможность получения фазы силицида TiSi₂(C54), характеризующейся наивысшей электропроводностью.

Изобретение направлено на снижение температурной нагрузки на кремниевую подложку, сокращение времени процесса. Это достигается тем, что проводят фотонную обработку исходной гетероструктуры Si/Ti излучением ксеноновых ламп с диапазоном излучения 0,2-1,2 мкм в атмосфере воздуха пакетом импульсов длительностью 10^-2 с в течение 2,0-2,2 с при дозе энергии в интервале 220-240 Дж·см^-2 для активации реакций оксидирования и силицидобразования при формировании гетероструктуры оксид титана - силицид титана. Снижение температурной нагрузки происходит за счет уменьшения времени обработки и локализации излучения в приповерхностном слое металла.

Способ реализуется следующим образом.

Формирование гетероструктуры TiO₂ / TiSi₂ / Si производили на модернизированной установке импульсной фотонной обработки УОЛП-1. Исходную гетероструктуру готовили в процессе магнетронного распыления титановой мишени и нанесения пленки толщиной около 0,4 мкм на поверхность монокристаллической пластины кремния толщиной 450 мкм. Гетероструктуру помещали в рабочую камеру параллельно плоскости, в которой расположены лампы. Импульсную фотонную обработку проводили в атмосфере воздуха или кислорода в течение 2,0-2,2 с. При этом плотность энергии излучения, поступающего на образец (Е_И), составляет 220-240 Дж·см^-2.

В результате реакции кислорода с титаном образуется слой диоксида титана, а в результате реакции между титаном и кремнием образуется слой силицида титана. В указанном интервале дозы энергии излучения в атмосфере воздуха при давлении 100 кПа формируется гетероструктура, в которой толщина слоя силицида и слоя оксида близки по величине.

Пример 1. В качестве подложки использовали пластину монокристаллического кремния марки КДБ-10 ориентации (111) диаметром 100 мм. Перед конденсацией Ti поверхность кремния очищали химическим травлением в растворе плавиковой кислоты и промывкой в дистиллированной воде. Из рабочей камеры с помощью вакуумной системы откачивали воздух до получения давления 5·10^-3 Па. После откачки в камеру напускали аргон до достижения давления в камере 5,3·10^-1 Па. После достижения необходимого давления проводили очистку поверхности подложки ионным пучком. Затем на поверхность ненагретой подложки в процессе магнетронного распыления или электронно-лучевого испарения в сверхвысоком вакууме не хуже 10^-5 Па наносили пленку титана. Для предотвращения загрязнения подложки и пленки углеродом откачка вакуумной камеры установки осуществляли безмасляными средствами. Исходную гетероструктуру, представляющую собой пластину монокристаллического кремния толщиной 450 мкм с пленкой титана толщиной около 0,4 мкм, помещали в рабочую камеру установки. Фотонную обработку проводили в атмосфере воздуха при давлении 100 кПа в течение 2,0 с, что соответствовало дозе поступившего на образец излучения 220 Дж·см^-2. После обработки образец извлекали из камеры и исследовали фазовый состав методом рентгеновской дифрактометрии на приборе СУР-01 «РЕНОМ» (CuK_α излучение). Исследование структуры проводили на электронно-ионном сканирующем микроскопе Quanta 3D и просвечивающем электронном микроскопе Philips ЕМ-430 ST.

Установлено, что исходные пленки Ti имеют нанокристаллическую зеренную структуру с сильно выраженной текстурой <0001>, параметры кристаллической решетки соответствовали содержанию до 16% кислорода.

На рис. 1 приведены рентгеновская дифрактограмма (а), РЭМ-изображение поперечного среза в отраженном ионном пучке (б) и РЭМ-изображение свободной поверхности во вторичных электронах (в) гетероструктуры TiO₂-TiSi₂-Si, сформированной в течение 2,0 с, Е_И=220 Дж·см^-2 на воздухе.

Анализ дифрактограммы показал, что фотонная обработка исходной гетероструктуры приводит к образованию гетероструктуры, состоящей из смеси оксидов титана: TiO₂(Р), TiO₂(А) и TiO, и смеси двух модификаций конечной фазы силицида титана TiSi₂(C49) и TiSi₂(C54). На дифрактограмме в области малых углов наблюдается увеличение фона, свидетельствующее о содержании аморфной фазы. При этом установлено, что фазы TiO₂(Р) и TiSi₂(C54) являются преобладающими из кристаллических фаз.

Из РЭМ-изображения поперечного среза следует, что гетероструктура состоит из трех слоев: верхний слой - диоксид титана, имеет анизотропную структуру, ниже идет слой диоксида с более дисперсной структурой, причем на границе этих слоев выявляются поры. Слой под оксидными слоями, контактирующий с кремнием, соответствует смеси двух силицидных фаз: TiSi₂(C49) и TiSi₂(C54).

Пример 2. Пример осуществляется аналогично примеру 1. В этом примере плотность энергии излучения, поступающего на образец, составляет 240 Дж·см^-2.

На рис. 2 приведена рентгеновская дифрактограмма синтезированной гетероструктуры. Из нее следует, что гетероструктура состоит из фаз: TiO₂, TiSi₂(C54) и Si. В результате фотонной обработки формируется слоевая гетероструктура: нижний слой - дисилицид титана структурного типа С54, контактирует с подложкой кремния, верхний слой - диоксид титана в модификации рутила. Тем самым получено изделие, представляющее собой гетероструктуру TiO₂-TiSi₂(C54)-Si.

Реализация предлагаемого способа позволяет получить изделия, состоящие из кремниевой подложки и сформированной гетероструктуры TiO₂-TiSi₂(C54). В сравнении с известными способами предложенное техническое решение обеспечивает снижение температурной нагрузки на кремниевую подложку, сокращение времени процесса при изготовлении изделия, что позволяет избежать протекания негативных процессов, активируемых продолжительным высокотемпературным нагревом.

Источники информации

1. Патент RU 2369663, МПК С23С 8/10, 2009; Бай А.С., Лайнер Д.И., Слесарева Е.Н., Цыпин М.И. Окисление титана и его сплавов. М: Металлургия, 1970.

2. Zhang Y., Ma X., Chen P., Yang D. Crystallization behaviors of TiO₂ films derived from thermal oxidation of evaporated and sputtered titanium films // J. of Alloys and Compounds. 2009.- V.480.- No. 2. - P. 938-941.

3. Поут Дж., Ту К., Мейер Дж. (ред.). Тонкие Пленки - Взаимная Диффузия и Реакции // М., Мир, 1982. - 576 с.

4. Мьюрарка С.П. Силициды для БИС. М.: Мир, 1986. - 175 с.

5. Barbarini Е., Guastella S., Pirri C.F. Furnace annealing effects in the formation of titanium silicide Schottky barriers // Advanced Thermal Processing of Semiconductors (RTP), 2010 18th International Conference on Sept. 28 2010-Oct. 1 2010.- P. 119-122.

6. V.A. Pilipenko, V.V. Molofeev, V.N. Ponomar′, A.N. Mikhnyuk, V.A. Gorushko. Modeling of Diffusion Synthesis of Titanium Disilicide // Journal of Engineering Physics and Thermophysics 2005.- V.78. - No. 3. - P.610-615.

7. G.J. Huang, L.J. Chen Investigation of the oxidation kinetics of C54-TiSi₂ on (001)Si by transmission electron microscopy // J. Appl. Phys. 1992.- V.72.-P.3143-3150.

8. G.J. Yong, Rajeswari M. Kolagani, S. Adhikari, W. Vanderlinde, Y. Liang, K. Muramatsu, S. Friedrich. Thermal stability of SrTiO₃ / SiO₂/Si Interfaces at Intermediate Oxygen Pressures // Journal of Applied Physics 2010.- V.108.- P.033502-(1-8).

9. J.P. Ponpon, A. Saulnier. Comparison of the growth kinetics of titanium silicide obtained by RTA and furnace annealing // Semiconductor Science and Technology 1989.- V.4. - P.526-528.

10. Sun Chuan-wei, Wang Yu-tai, Li Nian-qiang. Behavior of Ti Based on Si(l 11) Substrate at High Temperature in Oxygen // Semiconductor Photonics and Technology 2007.- No.2.- P. 161-163.

Способ получения гетероструктуры оксид титана - силицид титана на монокристаллической кремниевой подложке, покрытой нанокристаллической титановой пленкой, отличающийся тем, что проводят фотонную обработку упомянутой подложки излучением ксеноновых ламп с диапазоном излучения 0,2-1,2 мкм в атмосфере воздуха пакетом импульсов длительностью 10^-2 с в течение 2,0-2,2 с при дозе энергии в интервале 220-240 Дж·см^-2 для активации реакций оксидирования и силицидобразования при формировании гетероструктуры оксид титана - силицид титана.