CC BY
37
УДК 621.382.032.21
А.И. Казимиров, Е.В. Ерофеев, В.А. Кагадей
Формирование медно-германиевого соединения низкотемпературной обработкой в потоке атомарного водорода
Исследовано поведение двухслойной тонкопленочной системы Си/ве, осажденной на подложку /-ваЛз, при ее обработке в атомарном водороде. Установлено, что обработка образцов в потоке атомарного водорода с плотностью потока 1015 ат. см2 с1 при комнатной температуре приводит к твердотельной взаимной диффузии тонких пленок Си и ве и образованию по-ликристаллического соединения Сиве с вертикально ориентированными зернами.
Ключевые слова: тонкие пленки, медно-германиевое соединение, атомарный водород, диффузия, слоевое сопротивление.
Тонкопленочные медно-германиевые соединения являются перспективным материалом для микро- и наноэлектроники. Известно [1], что подобные соединения состава Си3ве при комнатной температуре обладают низким значением слоевого сопротивления, а также имеют высокую термическую и химическую стойкость к окислению. В работах [2-5] было установлено, что двухслойная тонкопленочная система Си/ве может образовывать омический контакт к ваЛз с низким значением приведенного контактного сопротивления, высокой термостабильностью параметров и гладкой морфологией поверхности. Однако на сегодня нет работ, посвященных использованию соединений Сиве как материала металлизации Т-образного затвора транзистора. Это объясняется тем, что для формирования соединений Сиве традиционно используется высокотемпературная обработка (Т> 400 °С) в вакууме [4] в течение длительного времени (X = 20-30 мин). Это исключает возможность применения Сиве при изготовлении полупроводниковых приборов и монолитных интегральных схем методом взрывной литографии.
Известно [6], что низкотемпературная обработка в потоке атомарного водорода может стимулировать диффузию Ли, N1, Си и 1п в подложки кристаллического ве. Активация твердотельной диффузии из тонких металлических пленок в подложку может быть стимулирована процессом рекомбинации атомов водорода в молекулы на поверхности твердого тела [6]. Можно предположить, что обработка в потоке атомарного водорода тонкопленочной системы Си/ве может решить вышеназванную проблему и позволит создать Сиве-соединение при комнатных температурах.
В настоящей работе исследуются возможность формирования соединения Сиве при обработке образцов Си/ве/ваЛз в потоке атомарного водорода при комнатной температуре и закономерности протекания данного процесса.
Методика эксперимента. В первой серии экспериментов исследовалась возможность формирования Сиве-соединения при обработке образцов Си/ве/ваЛз в потоке атомарного водорода. При этом использовались подложки /-ваЛз (100). Пластина ваЛз делилась на части, из которых были сформированы 6 групп образцов (I, II, III, IV, V и VI). Поверхность всех образцов подвергалась очистке от собственных оксидов и поверхностных загрязнений в водном растворе НС1 : Н20 (1 : 10) в течение 3 мин с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой в потоке очищенного азота. Затем на поверхность образцов всех групп методом электронно-лучевого испарения в вакууме производилось осаждение тонких пленок ве (й = 78 нм) и Си (й = 122 нм). После извлечения образцов всех групп из камеры установки напыления образцы групп II, III, IV, V подвергались обработке в потоке атомарного водорода с плотностью потока 1015 ат. см2 с-1 при комнатной температуре в течение времени X = 1; 2,5; 5 и 10 мин соответственно. Образцы группы VI подвергались термообработке в вакууме при температуре Т = 200°С в течение X = 30 мин. Образцы группы I не подвергались дополнительной обработке.
Во второй серии экспериментов была исследована зависимость слоевого сопротивления тонких пленок Си/ве с различной толщиной пленки ве (й = 65-102 нм) и фиксированной общей толщиной (й = 200 нм) от времени обработки образцов Си/ве/ваЛз в потоке атомарного водорода. Для этого
пластина ОаЛ8 делилась на части, из которых были сформированы 6 групп образцов (1, 2, 3, 4, 5 и 6). После очистки поверхности образцов от собственных оксидов методом электронно-лучевого испарения в вакууме производилось осаждение тонких пленок Ое и Си, при этом толщина пленки Ое составляла й = 65, 78, 83, 90, 98, 102 нм для образцов 1, 2, 3, 4, 5 и 6 групп соответственно.
После извлечения образцов всех групп из камеры установки напыления каждый их образцов делился на три части, каждая часть подвергалась обработке в потоке атомарного водорода с плотностью потока 1015 ат. см2 с-1 при комнатной температуре в течение времени ? = 5, 15 и 30 мин, соответственно.
Микроструктура и состав поверхности образцов после окончания всех операций групп I—VI исследовались с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), а распределение элементов Си и Ое по глубине образцов исследовалось с помощью оже-электронной спектроскопии с послойным травлением (ОЭС). Слоевое сопротивление тонких пленок СиОе образцов групп 1—6 исследовалось четырехзондовым методом.
Результаты работы
1. Результаты оже-электронной спектроскопии. Распределения Си и Ое по глубине для образцов первой серии представлены на рис. 1.
Глубина, нм
Глубина, нм
Глубина, нм
Глубина, нм
Рис. 1. Распределения Си и ве по глубине образцов: обработанного при комнатной температуре в потоке атомарного водорода в течение 1 (а), 2,5 (б), 5 (в), 10 (д) мин групп, II, III, IV, V соответственно и образца группы VI обработанного вакуумным отжигом при температуре Т = 200 °С в течение 30 мин (д)
Глубина, нм
Обработка образцов Си/Ое/ОаЛ8 в потоке атомарного водорода при комнатной температуре в течение времени Ґ = 1 мин (см. рис. 1, а) не приводит с существенной диффузии элементов. Однако после обработки образца при ? = 2,5 мин (см. рис. 1, б) происходит взаимодиффузия элементов Си и Ое и практически полное перемешивание пленок. С увеличением времени обработки в потоке атомарного водорода от 2,5 до 10 мин (см. рис. 1, б—г) распределение Ое становится все более равно-
мерным. Однако даже после обработки в течение 10 мин профиль распределения Ое имеет тенденцию снижения концентрации по направлению из глубины к поверхности. Как свидетельствуют данные рис. 1, д, образец группы VI, полученный вакуумным отжигом при температуре Т = 200 °С в течение ґ = 30 мин, демонстрирует равномерное распределение элементов по глубине. По всей видимости, это обусловлено большой длительностью процесса (30 мин), а также термообработкой образца при повышенной температуре (200 °С).
Данные рис. 1 свидетельствуют о том, что двухслойная система Си/Ое как после высокотемпературного отжига в вакууме, так и после обработки в атомарном водороде при комнатной температуре в течение ґ > 2,5 мин активно перемешивается, при этом достигается состав 80% Си на 20% Ое.
2. Результаты сканирующей электронной микроскопии. На рис. 2 представлены микроскопические изображения поверхности образцов Си/Ое/ОаЛ8 из групп I, II, IV и VI до и после различного вида обработок.
Из данных рис. 2, видно, что обработка поверхности образца Си/Ое/ОаЛ8 (группа II) в потоке атомарного водорода в течение 1 мин при комнатной температуре не приводит к заметным изменениям морфологии поверхности пленки Си (см. рис. 2, а и б). Увеличение времени обработки образца Си/Ое/ОаЛ8 (группа IV) в потоке атомарного водорода до 5 мин при комнатной температуре привело к росту рельефа поверхности (см. рис. 2, а и в). Высокотемпературная обработка образцов Си/Ое/ОаЛ8 (группа VI) при Т = 200 °С в вакууме также приводит к увеличению рельефа на поверхности пленки (см. рис. 2, а и г), причем ее изображение очень похоже на изображение поверхности образца из группы IV, полученного обработкой в потоке атомарного водорода (см. рис. 2, в, г). Увеличение рельефа поверхности для образцов групп IV и VI может быть обусловлено протеканием
твердофазных взаимодействий Си и Се в процессах обработки.
Рис. 2. Фотографии СЭМ поверхностей необработанного образца ве/Си (а), обработанных в потоке атомарного водорода в течение 1 мин (б) и 5 мин (в), отожженного в вакууме при температуре Т = 200 °С в течение 30 мин (г)
Для прояснения картины взаимодействия пленок Си и Се для образцов групп I, IV и VI были проведены микроскопические исследования поперечного сечения этих образцов до и после отжига и обработки в атомарном водороде (рис. 3).
Рис. 3. Фотографии СЭМ поперечных сечений необработанного образца ве/Си (а), отожженного в вакууме при температуре Т = 200 °С в течение 30 мин (б) и обработанного в потоке атомарного водорода при комнатной температуре в течение 5 мин (в)
Для исходного образца (см. рис. 3, а) четко видна граница раздела двух пленок Си и ве, что обусловлено различной кристаллической структурой пленок. После высокотемпературной обработки в вакууме происходит перемешивание слоев, приводящее к образованию вертикально ориентированных зерен (см. рис. 3, б), аналогичных зернам, полученным в работе [4]. Обработка образцов Си/ве/ваЛз в атомарном водороде при комнатной температуре также приводит к формированию пленки с вертикально ориентированными зернами (см. рис. 3, в). Однако микроструктура зерен выглядит несколько иначе.
Данные рис. 2 и 3 свидетельствуют о том, что двухслойная система Си/ве как после высокотемпературного отжига в вакууме, так и после обработки в атомарном водороде превращается в по-ликристаллическую пленку Сиве со средним размером зерен 100-150 нм.
Результаты исследований, полученные при исследованиях образцов Сиве/ОаЛ8 методом ОЭС и СЭМ, хорошо коррелируют друг с другом и свидетельствуют о формировании соединения Сиве при обработке в атомарном водороде при комнатной температуре. Согласно данным работы [6], взаимодействие пленок ве и Си при комнатной температуре под действием атомарного водорода может быть связано с поглощением твердым телом энергии поверхностной рекомбинации атомов водорода, равной 4,5 эВ.
3. Слоевое сопротивление. На рис. 4 представлены зависимости слоевого сопротивления пленок для образцов Си/ве/ваЛ8 с различной толщиной (<!) пленки ве от времени обработки в потоке атомарного водорода.
Рис.4. Зависимость слоевого сопротивления соединения Си/Ое с различной толщиной пленок Ое (ё = 65 - 102 нм) от времени обработки в потоке атомарного водорода
5 10 15 20 25 30
Время обработки в потоке атомарного водорода, мин
Минимальное значение слоевого сопротивления Cu/Ge-соединения составило р ~ 4,5 мкОм см при толщине пленки Ge 65-78 нм и времени обработки в потоке атомарного водорода t = 5 мин.
При увеличении исходной толщины пленки Ge в двухкомпонентной системе Cu/Ge происходит увеличение значения слоевого сопротивления CuGe соединения. Кроме того, увеличение времени обработки в потоке атомарного водорода более 5 мин приводит к росту удельного сопротивления CuGe соединения независимо от соотношения толщин пленок Cu и Ge.
Заключение. Показано, что обработка образцов Cu/Ge/GaAs в потоке атомарного водорода с плотностью 1015 ат. см2 с-1 при комнатной температуре приводит к взаимодиффузии пленок Cu и Ge и формированию поликристаллического CuGe-соединения со средним размером вертикально ориентированных зерен, равным 100-150 нм. Увеличение времени обработки в потоке атомарного водорода приводит к увеличению взаимодиффузии элементов в двухкомпонентной системе. Достигнутое минимальное значение слоевого сопротивления CuGe-соединения составило р ~ 4,5 мкОм см. Возможность формирования CuGe-соединения при комнатной температуре позволяет рассматривать его как перспективную замену Au, Pt и Pd при промышленном производстве СВЧ GaAs монолитных интегральных схем.
Работа была проведена при финансовой поддержке гранта Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» с темой проекта «Разработка GaAs СВЧ-гетеротранзисторов с длиной затвора 70 нм и металлизацией на основе меди» (ГК №14.740.11.1432 от 03.11.2011), а также по хоз. договору 74/10 между ЗАО «НПФ «Микран» и ВГБОУ ВПО ТУСУР о создании высокотехнологичного производства по 218 постановлению Правительства РФ.
Литература
1. Pat. 5 288 456 US, IBMC C 22 C9/00. Compound with room temperature electrical resistivity comparable to that of elemental copper / M.O. Aboelfotoh, M.J. Brady, L. Krusin-Embaum (US). - filed 23.02.1993, date of patent 22.02.1994.
2. Aboelfotoh M.O. Novel Low-Resistance Ohmic Contact to n-Type GaAs Using Cu3Ge / M.O. Aboelfotoh, C.L. Lin, J.M. Woodall // Appl. Phys. Lett. - 1994. - Vol. 65. - P. 3245.
3. Oktyabrsky S. Chemistry of Cu-Ge Ohmic Contact Layers to GaAs / S. Oktyabrsky, M.O. Aboelfotoh, J. Narayan // Journal of Electronic Materials. - 1996. - Vol. 5, № 11. - P. 37.
4. Aboelfotoh M.O. Electrical and Microstructural Characteristics of GeCu Ohmic Contacts to n-Type GaAs / M.O. Aboelfotoh, S. Oktyabrsky, J. Narayan // J. Mater. Res. - 1997. - Vol. 12, № 9. - P. 23252332.
1S-
o
16-
'd 14-
5 12-
=
a 10
к
о
о
я
о
о
н
О
S
6-
4
d(Go) = 65 нм d(Go) = 7S нм d(Go) = S3 нм d(Go) = 90 нм d(Go) = 9S нм *— d(Go) = 102 нм
5. 150 nm Copper Metalized GaAs pHEMT with Cu/Ge Ohmic Contacts / V.A. Arykov, E.V. Ani-chenko, E.V. Erofeev, V.A. Kagadei // Proceedings of the 5th European Microwave Integrated Circuits Conference (Paris, France). - 2010. - P. 166-169.
6. Matyushin V.M. Influence of Defect Generation on Low-Temperature Diffusion of Au in Ge Under Influence of Atomic Hydrogen / V.M. Matyushin, R.V. Martynyuk // Journ. Functional Materials. -2001. - Vol. 8, № 2. - P. 401-404.
Казимиров Артем Игоревич
Магистрант каф. физической электроники ТУСУРа
Тел.: 8-923-407-93-64
Эл. почта: [email protected]
Ерофеев Евгений Викторович
Инженер-технолог 1-й кат. ЗАО НПФ «Микран», аспирант каф. физической электроники ТУСУРа Тел.: 8-913-887-60-39 Эл. почта: [email protected]
Кагадей Валерий Алексеевич
Д-р физ.-мат. наук, профессор каф. физической электроники ТУСУРa Тел.: 8-913-806-40-10 Эл. почта: [email protected]
Kazimirov A.I., Erofeev E.V., Kagadei V.A.
The formation of copper germanium alloys by the low temperature atomic hydrogen treatment
In the article we investigated the behavior of the two-layer thin-film Cu/Ge system deposited on /'-GaAs substrate at its treatment in atomic hydrogen. It was discovered, that such processing in an atomic hydrogen flow with density 1015 at.-cm2-s-1 at room temperature for 5 min leads to the solid state interdiffusion of Cu and Ge thin films and polycrystalline CuGe alloy formation with the vertically oriented grains.
Keywords: thin films, copper germanium alloy, atomic hydrogen, diffusion, sheet resistance.
