RU2356964C1 - Manufacturing method of sputtering targets from cast disilicide of refractory metal and facility for its implementation - Google Patents

Manufacturing method of sputtering targets from cast disilicide of refractory metal and facility for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2356964C1
RU2356964C1 RU2007131152/28A RU2007131152A RU2356964C1 RU 2356964 C1 RU2356964 C1 RU 2356964C1 RU 2007131152/28 A RU2007131152/28 A RU 2007131152/28A RU 2007131152 A RU2007131152 A RU 2007131152A RU 2356964 C1 RU2356964 C1 RU 2356964C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
disilicide
refractory metal
ingots
target
sputtering
Prior art date
Application number
RU2007131152/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007131152A (en
Inventor
Вадим Георгиевич Глебовский (RU)
Вадим Георгиевич Глебовский
Евгений Дмитриевич Штинов (RU)
Евгений Дмитриевич Штинов
Original Assignee
Вадим Георгиевич Глебовский
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Вадим Георгиевич Глебовский filed Critical Вадим Георгиевич Глебовский
Priority to RU2007131152/28A priority Critical patent/RU2356964C1/en
Publication of RU2007131152A publication Critical patent/RU2007131152A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2356964C1 publication Critical patent/RU2356964C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to nonferrous metals metallurgy field and can be used at manufacturing of sputtering metallic targets for application of thin-film metallization super large scale integration circuit of different purposes in microelectronics. Manufacturing method of sputtering target consists in usage of liquid-phase synthesis of silicon components and refractory metal for receiving of stoichiometric disilicides of refractory metals optimal structure and as-cast composition (not in the form of powders). Then it is implemented magnetron sputtering of framework-specific target, providing films formation of disilicide with required composition. Method proposes, that in disilicide ingots silicon content corresponds to eutectic concentration. Facility for method implementation contains target from silicon components and refractory metal, additionally, sputtered cylindrical or rectangular plate of target corresponds mosaic structure, gathered from ingots of high-clean disilicide of refractory metal, fixed on the copper basis by means of ultrasonic brasing. Facility also can consist of one or several disilicide ingots of refractory metal of cylindric section, if sputtering is implemented by point source (laser, electronic beam).
EFFECT: improvement and increasing of reliability of barrier and conducting films of disilicide of refractory metal (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Co) by means of usage for sputtering high purity cast materials.
4 cl, 4 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области производства распыляемых металлических мишеней для микроэлектроники. Дисилициды тугоплавких металлов представляют значительный интерес в связи с их большими возможностями как материала низкоомных контактов, электродов затворов, межсоединений и диффузионных барьерных слоев между кремниевой подложкой и металлизацией из алюминиевых сплавов в интегральных схемах.The invention relates to the field of production of sprayable metal targets for microelectronics. Refractory metal disilicides are of considerable interest due to their great potential as a material of low-resistance contacts, gate electrodes, interconnects, and diffusion barrier layers between a silicon substrate and metallization from aluminum alloys in integrated circuits.

В настоящее время используются две основные промышленные технологии получения пленок силицидов. Первая - напыление чистых металлических пленок на поверхность Si с последующим высокотемпературным отжигом (до 1000°С), приводящим к получению силицидных слоев. Однако при использовании этой технологии в производстве сверхбольших интегральных схем (СБИС) с субмикронными размерами возможно возникновение проблем, связанных с деградацией мелкозалегающих р-n переходов из-за диффузии атомов примеси в пленку силицида при отжиге и, как следствие, увеличения контактного сопротивления. Вторая технология - магнетронное распыление мишеней, изготовленных из силицидов. Для изготовления таких мишеней обычно используется технология порошковой металлургии, в результате чего возможно неконтролируемое загрязнение распыляемых мишеней и ухудшение электрофизических свойств получаемых пленок.Currently, two main industrial technologies for producing silicide films are used. The first is the deposition of pure metal films on the Si surface, followed by high-temperature annealing (up to 1000 ° C), resulting in silicide layers. However, when using this technology in the production of ultra-large integrated circuits (VLSI) with submicron sizes, problems may arise associated with the degradation of fine-lying pn junctions due to diffusion of impurity atoms into the silicide film during annealing and, as a result, an increase in contact resistance. The second technology is magnetron sputtering of targets made of silicides. For the manufacture of such targets, powder metallurgy technology is usually used, as a result of which uncontrolled contamination of the sprayed targets and the deterioration of the electrophysical properties of the resulting films are possible.

Наиболее близкими к заявленному объекту являются патенты США №6562207 от 13.05.2003, №5418071 от 01.01.2001 и №6300265 от 22.06.2000 (прототипы), которые принципиально едины в способе получения распыляемых мишеней, заключающемся в использовании методов порошковой металлургии: смешивании порошков исходных компонентов и прессовании их при температуре, давлении и выдержке, достаточных для образования однофазных микроструктур. Однако синтез тугоплавких соединений (например, стехиометрического дисилицида тугоплавких металлов) методами порошковой металлургии имеет ряд существенных недостатков.Closest to the claimed object are US patents No. 6562207 from 05/13/2003, No. 5418071 from 01/01/2001 and No. 6300265 from 06/22/2000 (prototypes), which are essentially the same in the method of producing sputtering targets, which consists in using powder metallurgy methods: mixing powders initial components and pressing them at a temperature, pressure and exposure sufficient to form single-phase microstructures. However, the synthesis of refractory compounds (for example, stoichiometric disilicide of refractory metals) by powder metallurgy methods has a number of significant drawbacks.

- Поскольку изделия получают с помощью комплекса операций, включающих смешивание порошков компонентов, прессование и отжиг смеси, в материале происходит накопление неконтролируемых примесей, т.е. загрязнение мишеней примесями предопределено самим способом изготовления.- Since the products are obtained using a series of operations, including mixing the component powders, pressing and annealing the mixture, uncontrolled impurities accumulate in the material, i.e. contamination of targets with impurities is predetermined by the manufacturing method itself.

- В силу невысокой скорости диффузионных процессов, равновесие в реальном времени не достигается, поэтому компоненты в распыляемой мишени распределены неравномерно, а микроструктура получается многофазной, что приводит к получению пленок со структурной и химической неоднородностью.- Due to the low speed of diffusion processes, equilibrium is not achieved in real time, therefore, the components in the sputtering target are unevenly distributed, and the microstructure is multiphase, which leads to the formation of films with structural and chemical heterogeneity.

- Затруднено получение высокой плотности материала, а прокламируемые в патентах плотности на уровне 85-95% и выше от теоретической плотности не являются реальными, поскольку не учитывается скрытая пористость и выделение газовых примесей в объем мишени при нагреве ее до 250-300°С, а распыление таких мишеней сопровождается неконтролируемой нестабильностью электрофизических свойств напыленных тонких пленок.- It is difficult to obtain a high density of the material, and the densities proclaimed in the patents at the level of 85-95% and higher of the theoretical density are not real, since the latent porosity and the release of gas impurities into the target volume when it is heated to 250-300 ° C are not taken into account, and sputtering of such targets is accompanied by uncontrolled instability of the electrophysical properties of the deposited thin films.

- При распылении металлокерамических мишеней, плазменный поток мелкодисперсных ионизированных частиц наносимого вещества сопровождается потоком крупных нейтральных частиц, осаждающихся на поверхности напыленных пленок и резко снижающих качество пленок из-за образования «проколов» и других дефектов.- When spraying metal-ceramic targets, the plasma flow of finely dispersed ionized particles of the applied substance is accompanied by a flow of large neutral particles deposited on the surface of the deposited films and dramatically reducing the quality of the films due to the formation of “punctures” and other defects.

- Синтез металлокерамических соединений по порошковым технологиям с использованием экстремальных давления, вакуума и выдержки связан со значительным аппаратным и технологическим усложнением и удорожанием всего процесса изготовления мишеней.- The synthesis of ceramic-metal compounds by powder technology using extreme pressure, vacuum, and holding is associated with significant hardware and technological complication and cost of the entire process of manufacturing targets.

Техническая задача - повышение качества и стабильности электрофизических свойств силицидов переходных металлов путем получения литых мишеней со 100% плотностью. Это достигается тем, что глубокая очистка от примесей и жидкофазный синтез и получение литых силицидов осуществляется благодаря использованию вакуумной электронно-лучевой зонной плавки, вакуумной индукционной плавки и электромагнитной плавки смеси компонентов в вакууме или газовой атмосфере во взвешенном состоянии.The technical task is to improve the quality and stability of the electrophysical properties of transition metal silicides by producing cast targets with 100% density. This is achieved by the fact that deep purification from impurities and liquid-phase synthesis and the production of cast silicides is carried out through the use of vacuum electron beam zone melting, vacuum induction melting and electromagnetic melting of a mixture of components in a vacuum or gas atmosphere in suspension.

Предлагаемый метод получения литых дисилицидов тугоплавких металлов позволяет синтезировать массивные образцы значительно более высокой чистоты по сравнению с порошковыми, так как в качестве исходных материалов используют высокочистые монокристаллы тугоплавких металлов, выращенные методом электронно-лучевой зонной плавки, и монокристаллический кремний высокой чистоты, а их жидкофазный синтез производят бестигельным методом с помощью плавки во взвешенном состоянии (в электромагнитном поле). В результате указанных вакуумно-металлургических процессов удается получать слитки высокочистых соединений с высокой плотностью. Однако даже указанный метод получения слитков не позволяет избежать проблем, связанных с природой литых силицидов, выражающейся в их повышенной хрупкости и твердости. Поэтому литье силицидов производят в специальные изложницы, позволяющие получать образцы с заданными формой, размерами и качеством поверхности, которые нуждаются лишь в минимальной финишной механической обработке.The proposed method for producing cast disilicides of refractory metals makes it possible to synthesize bulk samples of much higher purity compared to powder ones, since high-purity single crystals of refractory metals grown by electron beam melting and high-purity single-crystal silicon, and their liquid-phase synthesis, are used as starting materials produced by the crucible-free method using smelting in suspension (in an electromagnetic field). As a result of these vacuum-metallurgical processes, it is possible to obtain ingots of high-purity compounds with high density. However, even the indicated method for producing ingots does not avoid the problems associated with the nature of cast silicides, expressed in their increased fragility and hardness. Therefore, the casting of silicides is carried out in special molds, which make it possible to obtain samples with the given shape, dimensions and surface quality, which require only minimal finishing.

Детальное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

В литературе представлены данные по микроструктуре силицидов различных составов, их свойствам, технологии получения и областям применения. Более половины всех элементов периодической системы элементов реагирует с кремнием с образованием одного или более силицидов. В Таблице 1 приведены данные по температуре и концентрации кремния в эвтектике для дисилицидов тугоплавких металлов (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Co).The literature presents data on the microstructure of silicides of various compositions, their properties, production technology and applications. More than half of all elements of the periodic system of elements react with silicon to form one or more silicides. Table 1 shows data on the temperature and concentration of silicon in the eutectic for disilicides of refractory metals (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Co).

Таблица 1. Температуры и концентрации эвтектик в системах металл-кремний.Table 1. Temperatures and eutectic concentrations in metal-silicon systems. СилицидSilicide TiSi2 TiSi 2 ZrSi2 ZrSi 2 HfSi2 Hfsi 2 VSi2 VSi 2 NbSi2 NbSi 2 TaSi2 TaSi 2 CrSi2 CrSi 2 MoSi2 MoSi 2 WSi2 WSi 2 FeSi2 FeSi 2 CoSi2 CoSi 2 NiSi2 Nisi 2 T°CT ° C 13501350 13501350 13001300 13851385 12951295 13851385 13001300 14101410 14401440 13081308 11951195 966°C966 ° C Ат.%SiAt.% Si 86,086.0 90,090.0 91,891.8 97,097.0 95,095.0 99,099.0 87,087.0 97,097.0 99,299,2 73,073.0 23,023.0 46,046.0

По фазовым диаграммам систем металл-кремний можно определить температуру и концентрации компонентов в эвтектике, а затем массу исходных компонентов (кремния и металла) и температуру образования дисилицидов нужного стехиометрического состава путем синтеза в жидкой фазе.From the phase diagrams of metal-silicon systems, it is possible to determine the temperature and concentration of components in the eutectic, and then the mass of the starting components (silicon and metal) and the temperature of the formation of disilicides of the desired stoichiometric composition by synthesis in the liquid phase.

Удельное электросопротивление дисилицидов является наиболее важным критерием при оценке возможности их использования в качестве токопроводящих систем СБИС. Субмикронные размеры элементов обусловливают чрезвычайно высокие требования к чистоте, а также к химической и структурной однородности наносимых пленок дисилицидов. В связи с этим получение исходных металлов высокой чистоты в соответствии с результатами изучения физико-химических закономерностей рафинирования являлось одной из основных задач. Тугоплавкие металлы при высоких температурах характеризуются активным взаимодействием с газами: кислородом, парами воды, азотом, окисью углерода, углеводородом и др. Основными методами контролируемого понижения содержания примесей внедрения в металлах являются высокотемпературный отжиг и плавка в высоком вакууме, в ходе которых растворенные атомы примесей диффундируют к поверхности образца и десорбируются с нее. Комбинация высокого вакуума и высоких температур при отсутствии «загрязняющих» материалов в контакте с расплавом - необходимые условия для глубокой очистки тугоплавких металлов. Наиболее полно этим требованиям отвечает электронно-лучевая плавка (ЭЛП) в глубоком вакууме. Этот процесс является оптимальным для глубокого рафинирования и получения поликристаллических слитков металлов высокой чистоты. Специфической разновидностью этого метода является электронно-лучевая зонная плавка (ЭЛЗП), позволяющая получать монокристаллы высокочистых металлов.The electrical resistivity of disilicides is the most important criterion in assessing the possibility of their use as conductive VLSI systems. The submicron sizes of the elements determine extremely high requirements for purity, as well as for the chemical and structural uniformity of the applied disilicide films. In this regard, obtaining high-purity starting metals in accordance with the results of studying the physicochemical laws of refining was one of the main tasks. Refractory metals at high temperatures are characterized by active interaction with gases: oxygen, water vapor, nitrogen, carbon monoxide, hydrocarbon, etc. The main methods for controlled reduction of the content of interstitial impurities in metals are high-temperature annealing and melting in high vacuum, during which the dissolved impurity atoms diffuse to the surface of the sample and desorbed from it. The combination of high vacuum and high temperatures in the absence of "polluting" materials in contact with the melt are necessary conditions for the deep cleaning of refractory metals. Most fully meets these requirements electron beam melting (EBM) in a deep vacuum. This process is optimal for deep refining and obtaining high-purity polycrystalline metal ingots. A specific variation of this method is electron beam zone melting (ELSP), which allows one to obtain single crystals of high-purity metals.

Индукционный нагрев использовали в технологической цепочке дважды: (1) для спекания и (2) для плавления. Спекание заключается в том, что в кварцевый тигель, продуваемый аргоном, загружают кусочки кремния и металла, далее производят нагрев до оплавления компонентов и затем нагрев прекращают. Получают компактный слиток (королек), состоящий из смеси силицидов, металла и кремния. Затем слиток подвергают плавке во взвешенном в электромагнитном поле состоянии.Induction heating was used in the process chain twice: (1) for sintering and (2) for melting. Sintering consists in loading pieces of silicon and metal into a quartz crucible blown with argon, then heating is performed until the components are melted and then the heating is stopped. Get a compact ingot (bead), consisting of a mixture of silicides, metal and silicon. Then the ingot is subjected to melting in a state suspended in an electromagnetic field.

Основные преимущества левитации:The main advantages of levitation:

- интенсивное перемешивание расплава, обеспечивающее равномерное распределение компонентов расплава в объеме,- intensive mixing of the melt, providing a uniform distribution of the components of the melt in the volume,

- отсутствие контакта с огнеупорным материалом,- lack of contact with refractory material,

- высокие скорости кристаллизации,- high crystallization rates,

- возможность получения слитка заданной формы,- the possibility of obtaining an ingot of a given shape,

- возможность ведения плавки в вакууме или любой газовой атмосфере,- the ability to conduct melting in a vacuum or any gas atmosphere,

- контролируемая продолжительность плавки.- controlled melting time.

Перечисленные преимущества метода особенно важны при работе с такими тугоплавкими и высокореакционными металлами как Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Co.The listed advantages of the method are especially important when working with refractory and highly reactive metals such as Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Co.

Для приготовления силицидов исходные металлы подвергали двукратному вакуумному рафинированию методом электронно-лучевой зонной плавки, в результате чего получали металлы чистотой 99,99%-99,999%. Использовали кремний аналогичной чистоты. Исходные образцы весом 20 г готовили из смеси кусочков кремния и металла (Таблица 2), которую сначала сплавляли в кварцевых тиглях, а полученный слиток переплавляли во взвешенном состоянии. После небольшой выдержки в вакууме, расплав кристаллизовали в медной изложнице, получая слиток нужной формы и с гладкими поверхностями. В зависимости от конструкции мишени, получали слитки цилиндрического (для лазерного распыления), прямоугольного (для магнетронного распыления) и ромбического (для мишеней с «замком») сечения.To prepare silicides, the starting metals were subjected to double vacuum refining by electron beam melting, as a result of which metals with a purity of 99.99% -99.999% were obtained. Used silicon of similar purity. The initial samples weighing 20 g were prepared from a mixture of pieces of silicon and metal (Table 2), which was first melted in quartz crucibles, and the obtained ingot was melted in suspension. After a short exposure in vacuum, the melt was crystallized in a copper mold, obtaining an ingot of the desired shape and with smooth surfaces. Depending on the design of the target, ingots of cylindrical (for laser sputtering), rectangular (for magnetron sputtering) and rhombic (for targets with a “lock”) section were obtained.

Таблица 2. Данные для жидкофазного синтеза дисилицидов.Table 2. Data for liquid-phase synthesis of disilicides. СилицидSilicide Тпл, °CT pl , ° C м. % Si В эвтектикеm.% Si In eutectic Содержание компонентов, гThe content of components, g металлmetal соединениеcompound металлmetal кремнийsilicon TiSi2 TiSi 2 16651665 15401540 5454 9,29.2 10,810.8 ZrSi2 ZrSi 2 18651865 16001600 3838 12,412,4 7,67.6 VSi2 VSi 2 19001900 17501750 5252 9,69.6 10,410,4 NbSi2 NbSi 2 25002500 19301930 4040 12,012.0 8,08.0 TaSi2 TaSi 2 30003000 22002200 2323 15,415.4 4,64.6 CrSi2 CrSi 2 18901890 15501550 50fifty 10,010.0 10,010.0 MoSi2 MoSi 2 26502650 21002100 3737 12,612.6 7,47.4 WSi2 WSi 2 34103410 21652165 2525 15,015.0 5,05,0 FeSi2 FeSi 2 15391539 12201220 50fifty 10,010.0 10,010.0 NiSi2 Nisi 2 14531453 11501150 50fifty 10,010.0 10,010.0 CoSi2 CoSi 2 14961496 13261326 50fifty 10,010.0 10,010.0

Слитки дисилицидов тугоплавких металлов размером 4х10х40 мм, полученные методами левитации, подвергали незначительной финишной механической обработке: удалению прибыльной части и шлифовке поверхностей с целью удаления поверхностных дефектов. Эти слитки являются составными элементами магнетронной мишени. Крепление элементов к медному основанию производили с помощью ультразвуковой пайки. По этой методике изготовлены различные мишени из стехиометрических дисилицидов вышеуказанных металлов диаметром 76 - 152 мм (Фиг.1 и 2), прямоугольные мишени размером 20×114×260 мм для установки «Магна», мишени для лазерной абляции и электронного испарения. Следует отметить, что в результате получали именно дисилициды стехиометрического состава, что подтверждено рентгенофазным анализом. Локальный рентгеноспектральный анализ шлифов, вырезанных из разных частей слитка, выявил мелкозернистую структуру и однородность литых образцов по обоим компонентам на всей площади шлифа.Refractory metal disilicides ingots 4 × 10 × 40 mm in size, obtained by levitation methods, were subjected to insignificant mechanical finishing: removal of the profitable part and grinding of surfaces in order to remove surface defects. These ingots are components of a magnetron target. The elements were fastened to a copper base using ultrasonic soldering. By this method, various targets were made from stoichiometric disilicides of the above metals with a diameter of 76 - 152 mm (Figs. 1 and 2), rectangular targets measuring 20 × 114 × 260 mm for the Magna installation, targets for laser ablation and electronic evaporation. It should be noted that, as a result, it was the stoichiometric disilicides that were obtained, which was confirmed by x-ray phase analysis. A local X-ray spectral analysis of thin sections cut from different parts of the ingot revealed a fine-grained structure and uniformity of cast samples for both components over the entire thin section area.

В Таблице 3 приведены удельные электросопротивления дисилицидов тугоплавких металлов в виде тонких пленок и литых образцов.Table 3 shows the specific electrical resistivity of disilicides of refractory metals in the form of thin films and cast samples.

Таблица 3. Удельное сопротивление дисилицидов тугоплавких металлов.Table 3. Specific resistance of refractory metal disilicides. ДисилицидDisilicide Удельное сопротивление, мкОм·смResistivity, μOhm · cm пленкаfilm литая мишеньcast target TiSi2 TiSi 2 13,013.0 16,916.9 ZrSi2 ZrSi 2 40,040,0 75,875.8 HfSi2 Hfsi 2 150,0150.0 62,062.0 VSi2 VSi 2 67,067.0 66,566.5 NbSi2 NbSi 2 55,055.0 50,450,4 TaSi2 TaSi 2 60,060.0 46,146.1 MoSi2 MoSi 2 67,067.0 21,621.6 WSi2 WSi 2 50,050,0 50,050,0 FeSi2 FeSi 2 350,0350,0 250,0250,0 NiSi2 Nisi 2 50,050,0 45,045.0 CoSi2 CoSi 2 30,030,0 16,016,0

Пример реализации способаAn example implementation of the method

Реализацию способа осуществляли, в частности, на слитках стехиометрического дисилицида вольфрама, который является наиболее проблемным в плане получения тонких пленок с воспроизводимыми характеристиками. С целью более детального изучения особенностей получения литых дисилицидов и изготовления из них составных мишеней, а также изучения процесса нанесения тонких пленок WSi2 магнетронным распылением, пленки наносили тремя способами: (1) лазерным испарением литого The implementation of the method was carried out, in particular, on ingots of stoichiometric tungsten disilicide, which is the most problematic in terms of producing thin films with reproducible characteristics. In order to study in more detail the features of producing cast disilicides and manufacturing composite targets from them, as well as studying the process of applying thin WSi 2 films by magnetron sputtering, the films were applied in three ways: (1) by laser evaporation of cast

WSi2, (2) магнетронным распылением составных литых WSi2 мишеней, (3) магнетронным со-распылением вольфрамовой и кремниевой мишеней.WSi 2 , (2) magnetron sputtering of composite cast WSi 2 targets, (3) magnetron co-sputtering of tungsten and silicon targets.

В качестве исходных материалов для получения WSi2 использованы кремний и вольфрам высокой чистоты (5N). Для приготовления металлических мишеней из высокочистого W для магнетронного распыления и со-распыления, производили рафинирование металлов методом электронно-лучевой плавки с плавающей зоной в высоком вакууме. Содержание примесей контролировали методами искровой спектрометрии и атомной абсорбции.Silicon and tungsten of high purity (5N) were used as starting materials for the preparation of WSi 2 . To prepare metal targets from high-purity W for magnetron sputtering and co-sputtering, metals were refined by electron beam melting with a floating zone in high vacuum. The content of impurities was controlled by spark spectrometry and atomic absorption methods.

Слитки необходимой формы и размеров получали с помощью вакуумной высокочастотной левитации смеси исходных компонентов. Суть метода состоит в подвешивании твердого образца весом ~20 г в электромагнитном поле и расплавлении его наведенными электрическими токами.Ingots of the required shape and size were obtained using high-frequency vacuum levitation of a mixture of the starting components. The essence of the method consists in suspending a solid sample weighing ~ 20 g in an electromagnetic field and melting it with induced electric currents.

В случае получения тонких пленок методом лазерной абляции прямоугольные мишени WSi2 размером 10×15×5 мм или цилиндрические мишени WSi2 размером 5×15 мм испаряли с помощью твердотельного Nd-лазера с волной 1,06 мкм, в качестве подложек для нанесения пленок силицидов использовали Si(100), Si(111), MgO, ZrO2 и Al2O3. Температуру подложек изменяли в диапазоне 100-750°С; время напыления 5-20 минут, толщина пленок 15-200 нм.In the case of thin films by laser ablation, rectangular WSi 2 targets of size 10 × 15 × 5 mm or cylindrical targets WSi 2 of size 5 × 15 mm were evaporated using a solid-state Nd laser with a wavelength of 1.06 μm as substrates for applying silicide films used Si (100), Si (111), MgO, ZrO 2 and Al 2 O 3 . The temperature of the substrates was varied in the range of 100-750 ° C; spraying time 5-20 minutes, film thickness 15-200 nm.

Составные мишени для магнетронного распыления готовили из слитков WSi2 размером 4×10×40 мм3, закрепленных на цилиндрическом или прямоугольном медном основании (фиг.1 и 2). Магнетронное распыление включало очистку литых мишеней и подложек распылением в Ar. Пленки получали распылением составных литых мишеней WSi2 в промышленной установке Лада-35 при вакууме 2×10-2 мм рт. ст. и мощности постоянного тока 0,26 кВт. Параллельно производили совместное магнетронное распыление двух мишеней (вольфрамовой и кремниевой), получены и исследованы пленки со стехиометрическим WSi2. Толщина пленок составляла 200-250 нм. Ренгенофазный анализ литых образцов выполняли с помощью дифрактометра Siemens D-500 (Ψ=25°, Fe-07). Локальный ренгеноспектральный анализ образцов проводили с помощью JXA-5. Реакция между пленкой и пластиной (подложкой), а также распределение элементов изучали с помощью ионного распыления и оже-электронной спектроскопии на приборе JAMP-10S. Фазовый состав пленок WSi2 исследовали с помощью дифрактометрического комплекса D/max-RC Rigaku в геометрии Брэгга с асимметричным углом падения. Угол падения рентгеновских лучей (CuKα) был 0,1-5°. Электронно-микроскопические исследования выполняли с помощью микроскопов JSM-35S и Stereoscan 240. Как элементный состав, так и распределение элементов по глубине пленок WSi2 толщиной 100 нм проводили с помощью обратного резерфордовского рассеяния ионов гелия с энергией 1,5 МэВ.Composite targets for magnetron sputtering were prepared from WSi 2 ingots 4 × 10 × 40 mm 3 in size mounted on a cylindrical or rectangular copper base (FIGS. 1 and 2). Magnetron sputtering included the cleaning of cast targets and substrates by sputtering in Ar. The films were obtained by sputtering composite cast targets WSi 2 in an industrial Lada-35 installation at a vacuum of 2 × 10 -2 mm RT. Art. and DC power 0.26 kW. In parallel, two targets (tungsten and silicon) were co-magnetron sputtered, and films with stoichiometric WSi 2 were obtained and studied. The film thickness was 200-250 nm. X-ray phase analysis of cast samples was performed using a Siemens D-500 diffractometer (Ψ = 25 °, Fe-07). A local X-ray spectral analysis of the samples was performed using JXA-5. The reaction between the film and the plate (substrate), as well as the distribution of the elements, was studied using ion sputtering and Auger electron spectroscopy on a JAMP-10S instrument. The phase composition of the WSi 2 films was investigated using a D / max-RC Rigaku diffractometric complex in the Bragg geometry with an asymmetric angle of incidence. The angle of incidence of x-rays (CuK α ) was 0.1-5 °. Electron microscopic studies were performed using JSM-35S and Stereoscan 240 microscopes. Both the elemental composition and the distribution of elements over the depth of 100 nm thick WSi 2 films were performed using Rutherford backscattering of helium ions with an energy of 1.5 MeV.

Локальный рентгеновский спектральный анализ литых мишеней показал, что образцы являются гомогенными, с тетрагональной структурой. Фазовый анализ пленок, полученных в результате лазерного распыления (абляции) литых мишеней A local X-ray spectral analysis of cast targets showed that the samples are homogeneous with a tetragonal structure. Phase analysis of films obtained by laser sputtering (ablation) of cast targets

WSi2 на подложки кремния (100) и (111), показал, что при температурах до 400°С образуется аморфный WSi2. Выше этой температуры происходит кристаллизация, в результате чего образуется смесь тетрагональной фазы с небольшим количеством полупроводящей гексагональной фазы. По мере дальнейшего повышения температуры, количество гексагональной фазы уменьшается. При 700°С пленка становится полностью тетрагональной с металлическим типом проводимости. При 750°С вновь появляется небольшое количество второй фазы (W5Si3).WSi 2 on silicon substrates (100) and (111) showed that amorphous WSi 2 forms at temperatures up to 400 ° С. Above this temperature, crystallization occurs, resulting in a mixture of the tetragonal phase with a small amount of a semiconducting hexagonal phase. As the temperature rises further, the amount of the hexagonal phase decreases. At 700 ° C, the film becomes completely tetragonal with a metallic type of conductivity. At 750 ° C, a small amount of the second phase appears again (W 5 Si 3 ).

Таблица 4. Межплоскостные расстояния dhkl WSi2 металлокерамических и литых мишеней в сравнении с данными для пленок, напыленных на подложки Si(100) лазерным и магнетронным распылением литых мишенейTable 4. Interplanar spacing d hkl WSi 2 of cermet and cast targets in comparison with the data for films deposited on Si (100) substrates by laser and magnetron sputtering of cast targets ДанныеData Порошк.Powder ЛитаяCast ПленкаFilm ПленкаFilm [1][one] мишеньtarget мишеньtarget (л.н.)*(ln) * (м.р.)**(m.) ** hklhkl dd dd dd dd dd 002
101
110
103
004
112
200
114
105
211
006
213
204
002
101
110
103
004
112
200
114
105
211
006
213
204
3,908
2,970
2,270
2,020
1,961
1,961
1,603
1,485
1,412
1,407
1,304
1,258
1,241
3,908
2,970
2,270
2,020
1,961
1,961
1,603
1,485
1,412
1,407
1,304
1,258
1,241
3,911
2,970
2,270
2,025
1,963
1,963
1,606
1,485
1,412
1,407
1.305
1,258
1,241
3,911
2,970
2,270
2,025
1,963
1,963
1,606
1,485
1,412
1,407
1.305
1,258
1,241
3,907
2,970
2,268
2,026
1,964
1,964
1,606
1,484
1,413
1,407
1,304
1,258
1,240
3,907
2,970
2,268
2,026
1,964
1,964
1,606
1,484
1,413
1,407
1,304
1,258
1,240
3,928
2,962
2,263
2,025
1,965
1,965
1,601
1,483
-
1,409
1.308
1,255
-
3,928
2,962
2,263
2,025
1,965
1,965
1,601
1,483
-
1,409
1.308
1,255
-
3,927
2,970
2,269
2,025
-
1,964
1,608
1,484
1,410
-
-
1,257
-
3,927
2,970
2,269
2,025
-
1,964
1,608
1,484
1,410
-
-
1,257
-
*(л.н.) - лазерное напыление, **(м.р.) - магнетронное распыление.
[1] - Powder Diffraction File, Int. Center for Diffraction Data, USA. 1987, card 11-0195.
* (ln) - laser spraying, ** (m.r.) - magnetron sputtering.
[1] - Powder Diffraction File, Int. Center for Diffraction Data, USA. 1987, card 11-0195.

Сравнение межплоскостных расстояний для линий на дифракционных картинах спеченных и литых мишеней, а также для пленок, напыленных из литых мишеней лазерным и магнетронным методами, приведено в Таблице 4. Как видно, фазовые составы пленок соответствуют составам материала мишеней. Пленки были однофазными по всей глубине и состояли из тетрагональной WSi2 фазы.A comparison of the interplanar spacings for the lines in the diffraction patterns of sintered and cast targets, as well as for films sprayed from cast targets by laser and magnetron methods, is given in Table 4. As can be seen, the phase compositions of the films correspond to the compositions of the target material. The films were single phase throughout the depth and consisted of a tetragonal WSi 2 phase.

Удельное электросопротивление литых мишеней WSi2 составляло ~50 мк·Ом см, что ниже 70-120 мк·Ом см для порошковой мишени. Электросопротивление контактов к проводящим слоям n-типа на образцах без поликремниевого подслоя под слоями WSi2 было невоспроизводимым и имело разброс до 20 м·Ом для 50 контактов. Образцы с поликремниевым подслоем имели значительно меньший разброс в величине электросопротивления. Так, RAl-n+=360-400 кОм для 50 контактов на образце, отожженном при 900°С, тогда как RAl-n+=1,4-1,8 кОм для 50 контактов на образце, отожженном при 1000°С. В то же время, RAl-polySi=600-700 кОм для 100 контактов на образцах, отожженных при 900°С; а на образцах, отожженных при 1000°С, RAl-polySi=3,3-3,5 кОм для 100 контактов. Все n+-р-соединения по периметру поверхности около 16000 мкм2 и 2120 контактов имели токи утечки ниже чем 0,04 нА при напряжении 15 В. С повышением напряжения токи утечки увеличивались монотонно до 0,1 нА при 20 В; однако при 21-22 В соединения имели пробои.The specific resistivity of the WSi 2 cast targets was ~ 50 μm · Ohm cm, which is lower than 70–120 μm · Ohm cm for a powder target. The electrical resistance of the contacts to the n-type conductive layers on the samples without a polysilicon sublayer under the WSi 2 layers was irreproducible and had a spread of up to 20 m Ohm for 50 contacts. Samples with a polysilicon sublayer had a much smaller scatter in the value of electrical resistance. So, R Al-n + = 360-400 kOhm for 50 contacts on the sample annealed at 900 ° С, while R Al-n + = 1.4-1.8 kOhm for 50 contacts on the sample annealed at 1000 ° С. At the same time, R Al-polySi = 600-700 kOhm for 100 contacts on samples annealed at 900 ° С; and on samples annealed at 1000 ° C, R Al-polySi = 3.3-3.5 kOhm for 100 contacts. All n + -p connections along the surface perimeter of about 16000 μm 2 and 2120 contacts had leakage currents lower than 0.04 nA at a voltage of 15 V. With increasing voltage, the leakage currents increased monotonically to 0.1 nA at 20 V; however, at 21-22 V the compounds had breakdowns.

Итак, получение литых дисилицидов тугоплавких металлов высокой чистоты массивных размеров является известной металлургической проблемой, поскольку все силициды тугоплавких металлов чрезвычайно хрупки и тверды. Кроме того, известные методы получения силицидов не позволяют производить силициды заданного стехиометрического состава с высокой чистотой конечного изделия, т.е. распыляемой мишени. Поэтому литые силициды высокой чистоты, прошедшие вакуумную обработку в расплавленном состоянии, имеющие высокую удельную плотность и высокую чистоту по примесям, должны удовлетворять всем основным требованиям, предъявляемым к распыляемым материалам в микроэлектронике. В приведенном примере реализации способа показаны преимущества нанесения пленок WSi2 магнетронным распылением литых составных WSi2 мишеней. Условия магнетронного распыления литых мишеней обеспечивают получение монофазных тетрагональных WSi2 пленок с оптимальным удельным электросопротивлением 50 мк·Ом см. В силу этого, оптимальным решением указанной выше проблемы можно считать составные литые магнетронные мишени из дисилицидов тугоплавких металлов высокой чистоты, которые позволяют решить две основные задачи: получение стехиометрических дисилицидов тугоплавких металлов и достижение высокой чистоты.So, obtaining cast disilicides of refractory metals of high purity of massive sizes is a well-known metallurgical problem, since all silicides of refractory metals are extremely fragile and hard. In addition, the known methods for producing silicides do not allow the production of silicides of a given stoichiometric composition with high purity of the final product, i.e. sprayed target. Therefore, cast silicides of high purity, subjected to vacuum processing in the molten state, having a high specific gravity and high purity by impurities, must satisfy all the basic requirements for sprayed materials in microelectronics. In the example implementation of the method, the advantages of applying WSi 2 films by magnetron sputtering of cast composite WSi 2 targets are shown. The conditions of magnetron sputtering of cast targets ensure the production of monophasic tetragonal WSi 2 films with an optimal electrical resistivity of 50 μm · Ohm. Therefore, composite cast magnetron targets from high-purity refractory metal disilicides can be considered the optimal solution to the problem, which can solve two main problems : production of stoichiometric disilicides of refractory metals and achievement of high purity.

Claims (4)

1. Способ производства составной мишени из дисилицидов тугоплавких металлов (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Co), заключающийся в жидкофазном синтезе компонентов (металла и кремния) методом непосредственного их взаимодействия в расплаве с использованием вакуумно-металлургических процессов, отличающийся тем, что используют измельченные монокристаллы компонентов, прошедших глубокое вакуумное рафинирование многократным переплавом, затем изготовление слитков дисилицидов тугоплавких металлов проводят с помощью плавки во взвешенном состоянии, производя затвердевание расплава в медных изложницах нужной формы.1. A method for the production of a composite target from refractory metal disilicides (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Co), which consists in the liquid-phase synthesis of components (metal and silicon) by the method of their direct interaction in a melt using vacuum-metallurgical processes, characterized in that they use crushed single crystals of components that have undergone deep vacuum refining by repeated remelting, then the manufacture of refractory disilicide ingots is carried out using suspended smelting, p oizvodya solidification of the melt into copper molds the required shape. 2. Способ производства составной мишени из дисилицидов тугоплавких металлов по п.1, отличающийся тем, что слитки дисилицида тугоплавкого металла имеют эвтектическое содержание кремния, обеспечивающее получение пленок дисилицида данного металла с оптимальной структурой и составом.2. A method for producing a composite target from refractory metal disilicides according to claim 1, characterized in that the refractory metal disilicide ingots have a eutectic silicon content, which provides films of this metal disilicide with an optimal structure and composition. 3. Устройство для осуществления способа по п.1 или 2, включающее магнетронную мишень в виде распыляемой цилиндрической или прямоугольной пластины из дисилицида тугоплавкого металла, закрепленной на медном основании, отличающееся тем, что распыляемая пластина мишени представляет из себя мозаичную конструкцию, собранную из прямоугольных слитков дисилицида тугоплавкого металла, закрепленную на медном основании ультразвуковой пайкой.3. The device for implementing the method according to claim 1 or 2, comprising a magnetron target in the form of a sprayable cylindrical or rectangular plate made of refractory metal disilicide mounted on a copper base, characterized in that the sprayed target plate is a mosaic structure assembled from rectangular ingots refractory metal disilicide fixed on a copper base by ultrasonic soldering. 4. Устройство для осуществления способа по п.1 или 2, отличающееся тем, что распыляемая мишень для лазерного или электронного распыления состоит из одного или нескольких слитков дисилицида тугоплавкого металла цилиндрического или прямоугольного сечения. 4. The device for implementing the method according to claim 1 or 2, characterized in that the sprayed target for laser or electron sputtering consists of one or more ingots of refractory metal disilicide of cylindrical or rectangular cross-section.
RU2007131152/28A 2007-08-16 2007-08-16 Manufacturing method of sputtering targets from cast disilicide of refractory metal and facility for its implementation RU2356964C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007131152/28A RU2356964C1 (en) 2007-08-16 2007-08-16 Manufacturing method of sputtering targets from cast disilicide of refractory metal and facility for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007131152/28A RU2356964C1 (en) 2007-08-16 2007-08-16 Manufacturing method of sputtering targets from cast disilicide of refractory metal and facility for its implementation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007131152A RU2007131152A (en) 2009-02-27
RU2356964C1 true RU2356964C1 (en) 2009-05-27

Family

ID=40529281

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007131152/28A RU2356964C1 (en) 2007-08-16 2007-08-16 Manufacturing method of sputtering targets from cast disilicide of refractory metal and facility for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2356964C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2454484C2 (en) * 2010-05-19 2012-06-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Manufacturing method of cast target from molybdenum-based alloy for magnetron sputtering
CN111041520A (en) * 2019-12-17 2020-04-21 宁波涂冠镀膜科技有限公司 Coating electrode for catalytic hydrogen evolution and preparation method thereof
RU2799989C1 (en) * 2022-12-30 2023-07-14 Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый центр "Цифровые платформы" Method for magnetron sputtering of gallium oxide in direct current by doping it with silicon atoms

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2454484C2 (en) * 2010-05-19 2012-06-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Manufacturing method of cast target from molybdenum-based alloy for magnetron sputtering
CN111041520A (en) * 2019-12-17 2020-04-21 宁波涂冠镀膜科技有限公司 Coating electrode for catalytic hydrogen evolution and preparation method thereof
RU2799989C1 (en) * 2022-12-30 2023-07-14 Общество с ограниченной ответственностью "Инжиниринговый центр "Цифровые платформы" Method for magnetron sputtering of gallium oxide in direct current by doping it with silicon atoms

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007131152A (en) 2009-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Combining Cr pre-coating and Cr alloying to improve the thermal conductivity of diamond particles reinforced Cu matrix composites
Liu et al. Thermoelectric property of fine-grained CoSb3 skutterudite compound fabricated by mechanical alloying and spark plasma sintering
JP4388263B2 (en) Iron silicide sputtering target and manufacturing method thereof
Kishino et al. Electronic and optical properties of bulk crystals of semiconducting orthorhombic BaSi2 prepared by the vertical Bridgman method
US20070099332A1 (en) Chalcogenide PVD components and methods of formation
CA2458274A1 (en) Method for producing a device for direct thermoelectric energy conversion
Li et al. Phase formation and microstructure evolution of arc ion deposited Cr2AlC coating after heat treatment
JP4061557B2 (en) A sputtering target for forming a phase change film and a method for producing the same.
US20080112878A1 (en) Alloy casting apparatuses and chalcogenide compound synthesis methods
Liang et al. Ductile inorganic amorphous/crystalline composite Ag4TeS with phonon-glass electron-crystal transport behavior and excellent stability of high thermoelectric performance on plastic deformation
Safavi et al. Thermoelectric properties improvement in Mg2Sn thin films by structural modification
Li et al. Ultrafast one-step combustion synthesis and thermoelectric properties of In-doped Cu2SnSe3
RU2356964C1 (en) Manufacturing method of sputtering targets from cast disilicide of refractory metal and facility for its implementation
KR100446563B1 (en) Method for producing composite material and composite material produced thereby
TWI675116B (en) Ti-Al alloy sputtering target
JP7076093B2 (en) Thin film containing strontium and its manufacturing method
Lin et al. The application of barrierless metallization in making copper alloy, Cu (RuHfN), films for fine interconnects
RU2352684C1 (en) Tungsten-titanic target formagnetron sputtering and method of its receiving
Wang et al. Study of a reaction at the solid Cu/α-SiC interface
Han et al. Solid-state phase equilibria in the Titanium-Aluminum-Nitrogen system
MOGHADDAM et al. Phase formation and thermoelectric properties of Zn1+ xSb binary system
Govindarajan et al. Development of a diffusion barrier layer for silicon and carbon in molybdenum—a physical vapor deposition approach
Glebovsky et al. Deposition of cobalt disilicide thin films by laser ablation of cast targets
Yamaguchi et al. Effect of substrate temperature and deposited thickness on the formation of iron silicide prepared by ion beam sputter deposition
Yi et al. Microstructure and resistivity of Au-B supersaturated solid-solution films prepared by sputter deposition