CC BY
24ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МАРШРУТЫ TECHNOLOGICAL PROCESSES AND ROUTES
Научная статья
УДК 621.382.002
doi:10.24151/1561-5405-2022-27-6-715-722
Исследование влияния плазменной обработки на свойства сформированных химическим осаждением из газовой фазы тонких пленок нитрида титана
В. С. Горностай-Польский, В. И. Шевяков
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Аннотация. При создании МДП-структуры с вертикальным каналом существует проблема конформности заполнения металлом углублений в подложке кремния. Для решения данной проблемы используется метод осаждения металлорганических соединений из газовой фазы, который имеет повышенную конформность осаждения пленок на рельефную поверхность. При использовании данного метода дополнительно может применяться операция плазменной обработки пленки для повышения ее качества. В работе исследовано влияние процесса плазменной обработки при химическом осаждении из газовой фазы тонких пленок нитрида титана на их электрофизические, механические и конструктивные свойства. Показано, что плазменная обработка пленок нитрида титана является эффективной для улучшения электрофизических, механических и конструктивных свойств пленок нитрида титана, полученных химическим осаждением из газовой фазы. Исследована зависимость толщины пленки нитрида титана от длительности плазменной обработки. Установлено, что толщина пленок нитрида титана уменьшается на 30-50 %, что, предположительно, связано с уплотнением материала пленки из-за удаления значительной части примесей водорода и углерода. Выявлена зависимость проводимости пленок нитрида титана от длительности плазменной обработки. Исходное среднее значение удельного объемного сопротивления нитрида титана, равное 43 мкОм-см, в процессе плазменной обработки уменьшилось до 36 мкОм-см. Анализ морфологии поверхности нитрида титана методом атомно-силовой микроскопии не показал существенного влияния плазменной обработки на шероховатость поверхности пленок. В результате оценки значение механических напряжений в пленках нитрида титана до плазменной обработки составило ~ 400 кПа, затем оно уменьшилось (на ~10 %). Получено оптимальное значение длительности плазменной обработки при указанных технологических параметрах, равное 40 с. Установлено, что процесс химического осаждения из газовой фазы обеспечивает возможность конформного заполнения высокоаспектных углублений в кремнии.
© В. С. Горностай-Польский, В. И. Шевяков, 2022
Ключевые слова: нитрид титана, химическое осаждение, высокое аспектное отношение, металлические контакты, рельефная поверхность
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант № 22-29-01095).
Для цитирования: Горностай-Польский В. С., Шевяков В. И. Исследование влияния плазменной обработки на свойства сформированных химическим осаждением из газовой фазы тонких пленок нитрида титана // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 6. С. 715-722. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-6-715-722
Original article
Investigation of the effect of plasma treatment on the properties of titanium nitride thin films formed by chemical vapor deposition
V. S. Gornostay-Polsky, V. I Shevyakov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia [email protected]
Abstract. During the formation of MIS structure, conformity of filling trenches on the silicon substrate by the metal is one of the problems. The method of or-ganometallic compounds deposition from the gas phase is used to solve this problem and is potentially characterized by an increased conformity of film deposition on a relief surface. This process can be multi-stage, when, within one stage, after the deposition of a metal film of a certain thickness, plasma treatment of the film follows to improve the quality of the deposited metal film. In this work, the influence of the cyclic plasma treatment process in the method of chemical vapor deposition of thin films of titanium nitride on their electrical, mechanical and structural properties is studied. The dependence of the titanium nitride film thickness to the duration of plasma treatment was investigated. It has been established that the film thickness decreases by 30-50 %, which is supposedly associated with the compaction of the film material due to the removal of a significant part of the hydrogen and carbon impurities contained in it. The dependence of the conductivity of titanium nitride films on the duration of plasma treatment is revealed. The initial average volume resistivity of titanium nitride, which is 43 ^Q-cm, decreased to 36 ^Q-cm during plasma treatment. Analysis of the surface morphology of titanium nitride by atomic force microscopy showed no significant effect of plasma treatment on the surface roughness of the films. As a result of the study and calculation, the value of built-in mechanical stresses in titanium nitride films before plasma treatment was ~ 400 kPa, then it decreased (by ~ 10 %). Based on the obtained results, the optimal value of the duration of plasma treatment with the specified technological parameters is 40 s. It has been established that the process of chemical vapor deposition provides the possibility of conformal filling of high-aspect trenches in silicon.
Keywords, titanium nitride, chemical deposition, high aspect ratio, metal contacts, relief surface
Funding, the work has been supported by the Russian Science Foundation (grant No. 22-29-01095)
For citation. Gornostay-Polsky V. S., Shevyakov V. I. Investigation of the effect of plasma treatment on the properties of titanium nitride thin films formed by chemical vapor deposition. Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 6, pp. 715-722. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-6-715-722
Введение. Существенное улучшение характеристик ИС обеспечивается уменьшением топологических норм и разработкой новых, более совершенных конструктивных вариантов активных элементов. В последнее время разработан ряд силовых транзисторных МДП-структур как ключевых компонентов силовых устройств [1-4]. К таким структурам относится транзисторная МДП-структура с вертикальным каналом, характеризующаяся повышенным пробивным напряжением. Особенность ее конструкции -наличие металлических контактов с высоким аспектным отношением к заглубленным в кремнии истоковым, стоковым и затворной областям [1]. Металлические контакты включают в себя диффузинно-барьерный слой, расположенный по периферии в углублениях, и слой вольфрама, заполняющий углубления.
При создании данной структуры одна из проблем связана с конформностью заполнения металлом углублений в подложке кремния [2, 3]. Среди современных методов осаждения тонких металлических слоев наиболее предпочтительны вакуумные: физическое (PVD) и химическое (CVD) осаждения из газовой фазы [3]. Однако метод PVD применим при заполнении углублений с аспектным отношением не более чем 5:1. Одним из перспективных является метод осаждения металлорганических соединений из газовой фазы (MOCVD), характеризующийся повышенной конформностью осаждения пленок на рельефную поверхность [5, с. 13-16]. Данный процесс может быть многоцикличным, когда в течение одного цикла после осаждения пленки металла определенной толщины осуществляется плазменная обработка для повышения качества осаждаемой пленки [6-8].
В настоящей работе исследуется влияние процесса плазменной обработки методом MOCVD тонких пленок нитрида титана TiN на их электрофизические, механические и конструктивные свойства.
Методика эксперимента. Объект исследования - пленки TiN, представляющие собой слои диффузионного барьера в структуре металлических заглубленных контактов транзисторной МДП-структуры с вертикальным каналом [1]. Поперечное сечение данной структуры приведено на рис. 1.
В экспериментах предварительно на поверхность кремниевых подложек, содержащих локальные углубления, наносили слой TEOS толщиной 150 нм. Химическим осаждением из газовой фазы в установке кластерного типа AMAT Endura HP PVD 5500 осаждали TiN из содержащегося в ампуле жидкого источника (прекурсора) -тетра(диметиламино)титана Ti[N(CH3)2]4 - на нагретые до 400 °С подложки. Структурная формула прекурсора имеет вид
N(CH3)2
Ti
N(CH3)2
Рис. 1. Поперечное сечение транзисторной МДП-структуры с вертикальным каналом (BPSG - борофосфорное силикатное стекло, TEOS - диоксид кремния, полученный осаждением из паров тетраэтоксисилана)
Fig. 1. Cross section of the MIS-transistor structure with a vertical channel (BPSG -borophosphoric silicate glass, TEOS - silicon dioxide obtained by precipitation from tetraethoxysilane
vapors)
Для предотвращения конденсации температуру верхней части ампулы
поддерживали на уровне 60 °С, а линию подачи газа-носителя (гелия) - при температуре 70 °С. Реакцию осаждения TiN можно описать следующим выражением:
Ti[N(CHз)2]4^TiN(C,H) + :Ш(СН3)2 + другие углеводороды.
Данный процесс многоцикличный. Цикл содержит две стадии: первая - осаждение пленки TiN толщиной 5 нм, вторая - обработка пленки в плазме ^-N2 для ее уплотнения и удаления примесей ^ и Ц). При этом мощность плазмы 500 Вт, давление в каме*-» 3 3
ре ~ 1 Па. Расход газовой смеси: ^ - 300 см /мин, N - 200 см /мин. Длительность одного цикла плазменной обработки варьировали от 30 до 45 с. На рис. 2 приведена схема цикла процесса осаждения пленки ^^
Рис. 2. Цикл процесса осаждения пленки нитрида титана Fig. 2. The cycle of of titanium nitride deposition process
Исследование электрофизических, механических и конструктивных параметров пленок проводили после осаждения и плазменной обработки TiN. Толщину осажденных пленок TiN измеряли на скаттерометре KLA Spectra CD-200 (точность измерения 0,1 нм). Поверхностное сопротивление определяли четырехзондовым методом. Для измерения механических напряжений в пленках применяли профилометр KLA Tencor FLX-5500. Он позволяет измерить кривизну подложки и посредством расчета оценить значение механических напряжений, вызванных нанесением слоя.
Внутренние механические напряжения рассчитываются по формуле
E h2
а =7-7 —
(1 -v) 6t
где Е - модуль Юнга для подложки; v - коэффициент Пуассона; h - толщина пластины; t - толщина пленки; R1 и R2 - радиусы кривизны подложки до нанесения пленки и после соответственно.
Морфологию поверхности пленок исследовали с применением атомной силовой микроскопии. Поперечное сечение структуры локальных углублений в подложке для анализа комформности заполнения углублений двухслойным покрытием Ti-TiN исследовали с помощью растрового электронного микроскопа. После нанесения слоев титана и нитрида титана для улучшения контраста на подложки наносили дополнительный слой TEOS.
Результаты и их обсуждение. При исследовании зависимости толщины пленки TiN от длительности плазменной обработки установлено, что толщина пленок уменьшается на 30-50 %. Это связано с уплотнением материала пленки, поскольку, предположительно, в процессе плазменной обработки значительная часть примесей водорода и углерода, содержащихся в пленке TiN после ее осаждения, удаляется как с поверхности, так и из ее объема. Химические реакции включают в себя замещение водорода и углерода в осажденном слое азотом из области плазмы. Водород также в плазме реагирует с углеродными примесями для получения летучих углеводородов. Выявлено, что плазменная обработка приводит к снижению равномерности толщины пленки по пластине не более чем на 2,5 %. Это несущественно для оценки качества данного метода в отношении поставленных задач. На рис. 3, а, б представлены графики зависимостей среднего значения толщины и неравномерности толщины по пластине слоя пленки TiN от длительности обработки соответственно. При исследовании зависимости проводимости пленок TiN от длительности плазменной обработки установлено, что она повышается. Это также связано с удалением примесей водорода и углерода из пленки. На рис. 3, в приведена зависимость среднего поверхностного сопротивления пленки от длительности плазменной обработки.
Дальнейшее исследование показало следующее. Исходное среднее значение удельного объемного сопротивления пленки TiN, составляющее 43 мкОмсм, в процессе плазменной обработки уменьшилось до 36 мкОмсм. Анализ морфологии поверхности пленки TiN методом атомно-силовой микроскопии не показал существенного влияния плазменной обработки на шероховатость ее поверхности. Механическое напряжение в пленках TiN до плазменной обработки составило ~ 400 кПа, затем оно уменьшилось (на ~10 %). Оптимальная длительность плазменной обработки при указанных ее технологических параметрах, исходя из полученных результатов, составляет 40 с.
J___1_
R2 R1
Рис. 3. Зависимости среднего значения толщины пленки (а), неравномерности толщины пленки (б), среднего поверхностного сопротивления (в) от длительности плазменной обработки
Fig. 3. Dependences of the average film thickness (a), uniformity of the film (b), average surface resistance (c) on the duration of plasma treatment
На рис. 4 приведено полученное методом растровой электронной микроскопии изображение поперечного сечения фрагмента подложки кремния с углублением, содержащим двухслойное покрытие Ть^^ Как следует из рисунка, двухслойное покрытие Ti-TiN конформно заполняет высокоаспектное углубление в кремнии.
Рис. 4. Поперечное сечение фрагмента подложки кремния с углублением, содержащим двухслойное покрытие Ti-TiN Fig. 4. Cross section of a fragment of a silicon substrate with a trench filled
with Ti-TiN coating
Заключение. Из результатов исследования следует, что метод MOCVD может применяться при создании слоя Ti-TiN диффузионного барьера в структуре металлических заглубленных контактов в транзисторной МДП-структуре с вертикальным каналом для улучшения электрофизических, механических и конструктивных свойств пленок TiN.
Литература
1. Gornostay-Polsky V. S., Shevyakov V. I. Investigation of the deposition features and characteristics of diffusion-barrier layers of Ti-TiN for metallization in MIS-transistor structures with a vertical channel // Proc. SPIE. International Conference on Micro- and Nano-Electronics. 2022. Vol. 12157. Art. No. 121571A. https://doi.org/10.1117/12.2624508
2. Baliga B. J. Advanced power MOSFET concepts. New York: Springer, 2010. XVI, 562 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-5917-1
3. Saxena R. S., Kumar M. J. Trench gate power MOSFET: recent advances and innovations // Advances in Microelectronics and Photonics / ed. S. Jit. Hauppage, NY: Nova Science, 2012. Vol. 1. P. 1-23.
4. Васильев В. Ю. Химическое осаждение из газовой фазы тонких пленок для электроники. Новосибирск: НГТУ, 2010. 202 с.
5. Electrografted copper seed layer for high aspect ratio TSVs interposer metallization / F. Gaillard, L. Religieux, T. Mourier et al. // Processing Materials of 3D Interconnects, Damascene, and Electronics Packaging / eds K. Kondo, R. Akolkar, D. P. Barkey et al. Cancun: ECS, 2014. P. 9-22.
6. Study on the effect of plasma treatment on flat-band-voltage and equivalent oxide thickness using metal-organic chemical vapor deposition TiN film as p-MOSFETS metal gate electrode / J. Gao, H. Yang, G. Bai et al. // J. Nanomedic. Nanotechnol. 2016. Iss. S7. Art. No. 005. https://doi.org/10.4172/2157-7439.S7-005
7. Effect of N2/H2 plasma treatment on the moisture adsorption of MOCVD-TiN films / J. K. Huang, Ch.-L. Huang, Sh.-Ch. Chang et al. // Thin Solid Films. 2011. Vol. 519. Iss. 15. P. 4948-4951. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.01.059
8. Plasma over-treatment effect on the MOCVD-TiN contact glue layer / Sh.-Ch. Chang, Y.-L. Wang, D.-Y. Chan et al. // Surface & Coatings Technology. 2008. Vol. 203. Iss. 5-7. P. 648-651. https://doi.org/ 10.1016/j.surfcoat.2008.05.053
Статья поступила в редакцию 02.08.2022 г.; одобрена после рецензирования 09.08.2022 г.;
принята к публикации 14.10.2022 г.
Информация об авторах
Горностай-Польский Вадим Станиславович - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Шевяков Василий Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
References
1. Gornostay-Polsky V. S., Shevyakov V. I. Investigation of the deposition features and characteristics of diffusion-barrier layers of Ti-TiN for metallization in MIS-transistor structures with a vertical channel. Proc. SPIE. International Conference on Micro- and Nano-Electronics, 2022, vol. 12157, art. no. 121571A. https://doi.org/10.1117/12.2624508
2. Baliga B. J. Advanced power MOSFET concepts. New York, Springer, 2010. xvi, 562 p. https://doi.org/ 10.1007/978-1-4419-5917-1
3. Saxena R. S., Kumar M. J. Trench gate power MOSFET: recent advances and innovations. Advances in Microelectronics and Photonics, ed. S. Jit. Hauppage, NY, Nova Science, 2012, vol. 1, pp. 1-23.
4. Vasiliev V. Yu. Chemical vapor deposition of thin films for electronics. Novosibirsk, NGTU Publ., 2010. 202 p. (In Russian).
5. Gaillard F., Religieux L., Mourier T., Ribiere C., Vandroux L., Suhr D., Raynal F., Mevellec V. Electrografted copper seed layer for high aspect ratio TSVs interposer metallization. Processing Materials of 3D Interconnects, Damascene, and Electronics Packaging, eds K. Kondo, R. Akolkar, D. P. Barkey et al. Cancun, ECS, 2014, pp. 9-22.
6. Gao J., Yang H., Bai G., Li J., Zhao Ch. Study on the effect of plasma treatment on flat-band-voltage and equivalent oxide thickness using metal-organic chemical vapor deposition TiN film as p-MOSFETS metal gate electrode. J. Nanomedic. Nanotechnol., 2016, iss. S7, art. no. 005. https://doi.org/10.4172/2157-7439.S7-005
7. Huang J. K., Huang Ch.-L., Chang Sh.-Ch., Cheng Y.-L., Wang Y-L. Effect of N2/H2 plasma treatment on the moisture adsorption of MOCVD-TiN films. Thin Solid Films, 2011, vol. 519, iss. 15, pp. 4948-4951. https,//doi.org/10.1016/j.tsf.2011.01.059
8. Chang Sh.-Ch., Wang Y.-L., Chan D.-Y., Huang J. K., Wang M.-T. Plasma over-treatment effect on the MOCVD-TiN contact glue layer. Surface & Coatings Technology, 2008, vol. 203, iss. 5-7, pp. 648-651. https,//doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.05.053
The article was submitted 02.08.2022; approved after reviewing 09.08.2022;
accepted for publication 14.10.2022.
Information about the authors
Vadim S. Gornostay-Polsky - PhD student of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Vasily I. Shevyakov - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the of Integrated Electronics and Microsystems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
/-\
Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Подписку на электронную версию журнала можно оформить на сайтах:
• Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru
• ООО «Агентство «Книга-Сервис»: www.rucont.ru;www.akc.ru;
www. pre ssa-rf. г u
• ООО «Урал-Пресс Округ»: www.delpress.ru
• ООО «ИВИС»: www.ivis.ru
Ч_)
