Закономірності фазоутворення та термічна стабільність силіциду нікелю NiSi в тонкоплівкових системах Co-Ni, Ni-Ті, Ni-Si на монокристалах кремнію

Вербицкая Т.И. Закономерности фазообразования и термическая стабильность силицида никеля NiSi в тонкопленочных системах Co-Ni, Ni-Ті, Ni-Si на монокристаллах кремния. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степеня кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2004.

Диссертация посвящена определению закономерностей формирования фазового состава и структуры вследствие термически активированых твердотельных реакций и интервалов термической стойкости силицида никеля NiSi в тонкопленочных однослойных системах Ni, Co, бислойных системах Co-Ni, Ni-Ti и в многослойных пленочных наноразмерных системах Ni/Si/Ni/Si…, Co/Si/Co/Si…, Ni/Tі/Ni/Ti… на монокристалах кремния.

Слой “естественного” оксида кремния толщиной 6-10 нм существенно замедляет твердотельные реакции силицидообразования в тонкопленочных системах Co(200 нм)/Si, Co(300 нм/Ni(20, 50 нм)/Si, Ni(300 нм)/Co(20 нм)/Si по сравнению с системами Ni(200 нм)/Si и Co(300 нм)/Ni(300 нм)/Si. Выявлено, что ориентация кремниевой подложки в бислойных тонкопленочных системах Co(300 нм)/Ni(300 нм) на монокристаллическом кремнии, как и в однослойных тонкопленочных системах Ni-Si оказывает существенное влияние на процессы силицидообразования. Процессы силицидообразования в системе Co(300 нм)/Ni(300 нм)/Si(100) начинаются при 670 К, что на 100 К ниже температуры начала процессов силицидообразования в системе Co(300 нм)/Ni(300 нм) на подложке кремния с ориентацией (111). Дисилицид никеля NiSi₂ в тонкопленочной системе Co(300нм)/Ni(300 нм) на монокристаллическом кремнии со слоем “естественного” оксида кремния толщиной 6-10 нм образуется при 870 К, что на 150 К ниже температуры образования дисилицида никеля NiSi₂ в системе Ni-Si.

Последовательность твердотельных реакций и начало формирования силицида никеля NiSi в тонкопленочных системах Ti(200 нм)/Ni(200 нм)/Si(001) и Ni(200 нм)/Ti(200нм)/Si(001) зависят от последовательности расположения слоя титана (Ti/Ni/Si(001) или Ni/Ti/Si(001)): при расположении титана сверху никеля NiSi образуется при 670 К. Когда слой титана расположен между никелем и кремнием, NiSi формируется при 870 К. Независимо от последовательности расположения слоя титана, силицид никеля NiSi термически устойчив до 1170 К, что на 150 К выше температуры термической устойчивости NiSi в системе Ni-Si. В системе Ti/Ni/Si(001) титан повышает термическую устойчивость NiSi, связывая никель в интерметаллид и располагаясь по границам зерен, препятствуя зародышеобразованию дисилицида никеля. В тонкопленочной системе Ni/Ti/Si(001) термическая устойчивость силицида никеля NiSi обусловлена образованием тройного соединения Ti₄Ni₄Si₇ в результате интенсивной диффузии атомов кремния в интерметаллидную фазу Ni₃Ti. Дисилицид никеля, как конечный продукт реакции образуется в тонкопленочных системах Ti/Ni/Si(001) и Ni/Ti/Si(001) только после отжига 1270 К в течение 1 часа.

Материал многослойных пленочных композиций Ni/Si/Ni/Si… и Co/Si/Co/Si… на монокристаллическом кремнии (001) после осаждения находился в рентгено-аморфном состоянии, кристаллизация происходила после отжига 670 К. При повышении температуры отжига до 1070 К формировались силициды с заданным соотношением металла и кремния (Ni₂Si, NiSi, NiSi₂, CoSi₂).

Исследование оптических и магнитооптических свойств многослойных тонкопленочных композиций Ni/Si/Ni/Si… та Co/Si/Co/Si… на монокристаллическом кремнии (001) методом спектральной элипсометрии позволило выявить стуктурные и фазовые изменения после осаждения, облучения ионами аргона и при низкотемпературном отжиге до 470 К, которые не обнаруживались традиционными рентгеновскими методами исследования. В многослойных пленочных композициях Ni/Si/Ni/Si… на Si(001) в осажденном состоянии, после облучения ионами аргона и при низкотемпературном отжиге до 470 К формируются аморфные области с составом, близким к кристаллическому NiSi, а в многослойных пленочных композициях Co/Si/Co/Si… на Si(001) - области с составом, близким к Co₂Si. Толщина таких областей для многослойной пленки c 22 слоями Ni(3 нм)/Si(10,7 нм на монокристаллическом кремнии (001) составляет около 10 нм.

Многослойные тонкопленочные композиции Ni/Ti/Ni/Ti… на монокристаллическом кремнии (001) с толщиной никеля 3 нм, титана- 1,59 нм, 4,77 нм, 9,54 нм не взаимодействуют с кремнием подложки при температурах отжига до 870 К. Выше этой температуры имеют место процессы диффузионного взаимодействия слоев, что приводит к твердотельным реакциям с образованием фаз NiSi, TiSi, Ti₄Ni₄Si₇. Силицид никеля NiSi в многослойной тонкопленочной композиции с толщиной никеля 3 нм, титана 1,59 нм существует в интервале температур 970 - 1170 К.

Ключевые слова: многослойные пленки, процессы силицидообразования, аморфное состояние, фаза, отжиг, силицид, подложка, структура.

Vеrbitskaya T.I. Phase formation regularities and thermal stability of the nickel silicide phase NiSi in thin film systems Co-Ni, Ni-Ті, Ni-Si on silicon monocrystals . - Manuscript.

The dissertation is presented in the partialfulfillment of requirements for the candidate's degree in technical sciences according to the speciality 05.16.01- Metal Studies and Heat treatment of metals, National technical university of Ukraine “KPI”; Kyiv, 2004.

The dissertation is devoted to determination of regularities of phase composition formation and structure as a result of the thermal activated solid state reactions and range of thermal stability of nickel silicide phase NiSi in the thin film onelayer systems Co, Ni, bilayer systems Co-Ni, Ni-Tі and in the multilayer films nanodimension systems Ni/Si/Ni/Si…, Co/Si/Co/Si…, Ni/Tі/Ni/Ti… deposited on to monocrystalline silicon.

By using of the X - Ray difraction, resistometry, chemical layer analysis, spectral elipsometry, electron microscopy methods (cross-section) processes of phase formation and structure were investigated.

Regularities of the phase changes, range of thermal stability nickel silicide phase NiSi, influence of “native” oxide of silicon, Ni sublayer thickness and Ti layer location on processes of phase formation were established. Possibilities of optical and magnitooptical methods applications for phase and structural changes detection of composition and structure after deposition, ion-beam mixing induces and low temperature annealing (to 470 K) wich cannot be detected by traditional X-ray diffraction tools were shown.

Key words: multilayer films, processes of silicidation, amorfous state, phase, annealing, silicide, substrate, structure.

Размещено на Allbest.ru