WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 8 06 Особенности формирования пленок высшего силицида марганца на кремнии © Т.С. Камилов,1 Д.К. Кабилов,1 И.С. Самиев,1 Х.Х. Хуснутдинова,1 Р.А. Муминов,2 В.В. Клечковская3 1 Ташкентский государственный авиационный институт, 700047 Ташкент, Узбекистан 2 Физико-технический институт Научно-производственное объединение „Физика-Солнце“ АН Узбекистана, 3 Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, Москва, Россия e-mail: tdai_kts@mail.ru (Поступило в Редакцию 18 января 2005 г.) Исследованы особенности формирования пленок высшего силицида марганца (ВСМ) на кремнии и их граница раздела. На основе анализа морфологии поверхности и тонкого переходного слоя на границе раздела ВСМ-Si предполагается, что рост пленок ВСМ методом реактивной диффузии Mn обусловлен механизмом пар-жидкость-кристалл.

Введение при несоответствии параметров решетки силицидов и кремния не более 3% формирование пленок силициРазносторонние исследования пленок высшего сили- дов на кремниевой подложке может сопровождаться цида марганца (ВСМ) имеют большое значение для образованием тонкого промежуточного слоя и пленки термоэлектричества и оптоэлектроники [1,2], так как эти силицидов переходных металлов будут срастаться эпипленки характеризуются высокой термической стабиль- таксиально.

ностью в диапазоне температур 300-1000 K [3]. Следует В данной работе нами использованы образцы кремотметить, что физические свойства пленок силицидов ния, полученные по технологии, детально описанной переходных металлов могут существенно отличаться от в работе [6], с частотой поверхности, соответствуюсвойств этих же материалов в массивных образцах в щей планарной технологии (класс 14), где толщина зависимости от структурных характеристик. При созданарушенного слоя не больше 50 nm [7]. Электроннонии на основе пленок силицидов марганца пленочных микроскопические исследования показали, что перетермопреобразователей и микротермобатарей различходный слой на границе раздела ВСМ-Si составляет ных конструкций возникает ряд проблем, таких как 0.1-0.3 µm. Фотоснимки, сделанные с помощью оптинаправление роста силицида, состояние границы раздела ческого и электронного микроскопов, также показывают силицид марганца-кремний, влияние подложки кремния резкий переход от подложки Si к пленке силицида на электрофизические параметры пленок.

(рис. 1, a и b).

Исследование особенностей формирования пленок На рис. 2 представлены микрофотографии морфолоВСМ границы раздела ВСМ-Si является интересной и гии поверхности пленок ВСМ, выращенных на подложке важной задачей, решению которой и посвящена настоякремния с ориентацией (111) и (100). Видно, что в щая работа.

зависимости от ориентации подложки внешняя форма и взаимное расположение кристалликов ВСМ различЭкспериментальные результаты В работе [4] нами было показано, что при формировании пленок ВСМ на подложке кремния на границе раздела ВСМ-Si образуется переходный слой толщиной порядка 5-7 µm, и предполагалось, что этот слой является аморфизированным или поликристаллическим.

Однако следует отметить, что в этой работе при получении пленок силицидов марганца использовались механически полированные образцы кремния, в которых остается нарушенный слой толщиной порядка 8-12 µm.

Вероятнее всего, переходный слой на границе раздела Рис. 1. a — фотоснимки поперечного среза пленок ВСМ, состоял в основном из оставшейся нижней части наснятые на оптическом микроскопе, b — микрофотография рушенного слоя кремния. Несоответствие постоянных поперечного среза пленки ВСМ, выращенным на кремнии с решеток ВСМ и Si составляет 1.8% (aSi = 0.543 nm, наличием маскирующего SiO2 слоя (снята на электронном aM = 0.551 nm) [2]. Согласно литературным данным [5], микроскопе).

Особенности формирования пленок высшего силицида марганца на кремнии атомов первичной фазы на поверхности, определяющая процесс образования критических зародышей;

в) поверхностная диффузия или миграция адсорбированных атомов, определяющая доставку частиц к критическим зародышам с последующим превращением их в центры кристаллизации.

При кристаллизации из парогазовой фазы структурный порядок в пленках обеспечивается в основном подвижностью адатомов на подложке, так как высокая подвижность способствует преимущественному росту ориентированных зародышей [10]. В зависимости от ориРис. 2. Морфология поверхности пленок ВСМ, выращенных ентирующих свойств подложки могут образовываться на Si (111) (a) и Si (100) (b).

либо монокристаллические эпитаксиальные, либо одинаково ориентированные поликристаллические пленки.

В твердофазной реакции пленки силицидов растут как в результате диффузии Mn в объем кремния, так и в рены. И если в пленке ВСМ на Si (111) кристаллиты зультате диффузии атомов кремния в слой металла [11].

образуют текстуру, т. е. разориентированы относительно Однако в нашем случае, так как диффузия маргандруг друга в плоскости подложки, но сориентированы ца происходит из газовой фазы, на поверхности не в перпендикулярном направлении, то на Si (100) рост существует твердых слоев марганца, куда могли бы пленки ВСМ приближается к эпитаксиальному.

проникнуть атомы кремния. Поэтому при росте пленки силицида марганца основную роль играет диффузия Обсуждение результатов атомов Mn, рост происходит от поверхности кремния в объем.

Согласно работе [8], если элементарное кристалличе- В действительности после образования первых слоев ское вещество M находится в контакте с паровой фазой, твердого раствора или соединения через формируюсодержащей атомы элемента X, с которыми оно может щийся слой начнется встречная диффузия компонента реагировать и образовать твердое соединение MaXb, то подложки. При этом в зависимости от особенностей кристалл покроется пленкой этого соединения. Реакция атомной структуры образовавшегося в результате реакпроисходит в результате изменения свободной энергии тивной диффузии слоя скорость диффузии компонента при образовании соединения подложки может быть больше или меньше скорости диффузии диффузанта. От соотношения этих скоростей aM + bX = MaXb + G.

будет зависеть, с какой стороны начнется увеличение толщины слоя соединения и каково будет направление Пленка образующегося соединения будет сплошной, градиента концентрации диффузанта в слое. Теоретибез пор и трещин, если молекулярный объем соединения ческие расчеты коэффициента диффузии марганца в MaXb больше или равен молекулярному объему элемен- кремний и диффузии кремния в слой силицида марганца та M. После образования сплошного зернистого слоя при высоких температурах показывают, что коэффицисоединения дальнейшее протекание реакции определяет- ент диффузии марганца превышает коэффициент диффуся диффузией реагентов через кристаллическую решетку зии кремния почти на 6 порядков (DMn = 2 · 10-7 cm2/s, соединения MaXb, а также через межзеренные границы.

DSi = 2.2 · 10-13 cm2/s) [10].

Образование новых фаз в процессе реактивной диф- Таким образом, в нашем случае, по-видимому, при фузии наблюдается в тех случаях, когда атомы матрицы диффузии Mn из газовой фазы в монокристаллический и диффузанта ограниченно растворимы друг в друге или кремний сначала образуется тонкий приповерхностный могут образовать между собой соединения [9,10]. Как слой твердого раствора Mn в Si малой концентрации, известно [9], растворимость кремния в металлах огра- а затем в результате реактивной диффузии образуются ничена, в частности, для марганца она составляет 14%.

первые соединения MnSi2-x. При этом большую роль Растворимость же всех без исключения металлов в крем- играет поверхностная диффузия. Содержание кремния нии крайне мала, что обусловлено высокой энергией в этом слое оказывается переменным и возрастает образования вакансий в Si.

по мере удаления от поверхности подложки. ПоэтоФормирование пленок на поверхности подложки ча- му скорость встречной диффузии кремния через слой сто происходит в две стадии [10]: а) стадия образо- MnSi2-x намного меньше скорости диффузии марганца и вания зародышей, б) стадия роста пленки. При обра- утолщение слоя MnSi2-x происходит на границе раздела зовании зародышей происходят следующие процессы: MnSi2-x–Si, а не Mn-MnSi2-x. Из рис. 1, b видно, что а) массоперенос первичной фазы (с помощью диффу- силицидный слой растет в объем кремниевой основы.

зионного потока), определяющий доставку вещества к Таким образом, в процессе силицидообразования граповерхности подложки и растущему слою; б) адсорбция ница раздела ВСМ-Si смещается в сторону кремния, Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 142 Т.С. Камилов, Д.К. Кабилов, И.С. Самиев, Х.Х. Хуснутдинова, Р.А. Муминов, В.В. Клечковская т. е. образовавшийся слой силицида марганца растет от [6] Клечковская В.В., Камилов Т.С., Адашева С.И., Худайбердиев С.С., Муратова В.И. // Кристаллография. 1994.

поверхности кремниевой подложки в ее объем.

Т. 39. № 5. С. 894–899.

Как известно из литературы [10], рост пленок по [7] Чернышев А.А. Основы надежности полупроводниковых механизму пар-жидкость-кристалл обычно происходит приборов и интегральных микросхем. М.: Радио и связь, при достаточно высоких температурах подложки, таких 1988. 256 с.

что T > 2/3Tmel (Tmel — температура плавления кон[8] Медведев С.А. Введение в технологию полупроводникоденсируемого металла). На начальной стадии конденвых материалов. М.: Высшая школа, 1970. 540 с.

сации фазой, равновесной с паром, является жидкость, [9] Тонкие пленки: Взаимная диффузия и реакция // Под островки которой при разрастании затвердевают, обраред. Дж. Поута, К. Ту, Дж. Мейера. М.: Мир, 1982. 676 с.

зуя поликристаллическую пленку [10]. Рост пленок и [10] Барыбин А.А., Сидоров В.Г. Физико-технологические соответственно плавление малых зародышей силицидов основы электроники. СПб.: Лань, 2001. 272 с.

[11] Самсонов Г.В., Дворина Л.А. и др. Силициды. М.: Металмарганца происходят при температуре 1000-1040C, лургия, 1979. 447 с.

которая ниже температуры плавления объемного ВСМ (T = 1145C) [11], но приближается к ней по мере увеличения размера зародыша. Выделяющаяся теплота конденсации повышает температуру процесса, способствуя осуществлению механизма пар-жидкость-кристалл.

Анализируя морфологию поверхности и тонкого переходного слоя на границе раздела ВСМ-Si, можно предположить, что рост пленок силицидов марганца обусловлен именно таким механизмом.

Заключение Установлено, что на границе раздела ВСМ-Si существует тонкий переходный слой толщиной 0.1-0.3 µm.

Анализ структуры поперечного сечения выращенных пленок силицидов марганца показал, что рост пленки силицида марганца происходит от поверхности кремниевой подложки в ее объем. Исследование морфологии поверхности пленок ВСМ, выращенных на Si подложке с ориентацией (111) и (100), показывает, что ориентация зерен в пленке ВСМ зависит от ориентации подложки, причем на Si (100) рост приближен к эпитаксиальному.

Из анализа морфологии поверхности и тонкого переходного слоя на границе раздела ВСМ-Si предполагается, что рост пленок ВСМ методом реактивной диффузии Mn обусловлен механизмом пар-жидкость-кристалл.

Работа поддержана грантом Государственного комитета науки и технологии Республики Узбекистан (№ ГНТП-10.20).

Список литературы [1] Hou Q.R., Wang Z.M., He Y.J. // Appl. Phys. A-Material Science and Processing. 2004. P. 1–5.

[2] Mahan J.E. // Thin Solid Films. 2004. Vol. 461 (1). P. 152– 159.

[3] Zaitsev V.K. // CRC Handbook of Thermoelectrics / Ed.

D.M. Rome. New York; London: CRC Press, 1995. P. 299– 309.

[4] Камилов Т.С., Хусанов А.Ж., Бахадырханов М.К. и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2002. № 6. С. 100–103.

[5] Мьюрарка Ш. Силициды для СБИС. М.: Мир, 1986. 176 с.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.