Структура и морфология слоев CrSi₂, сформированных при быстрой термообработке

Методами резерфордовского обратного рассеяния, рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии поперечных сечений исследовано формирование слоев дисилицида хрома на подложках монокристаллического кремния n-типа с ориентацией (111) при быстром термическом отжиге в режиме теплового баланса. Пленки хрома толщиной порядка 30 нм наносили магнетронным распылением хромовой мишени ионами аргона на кремниевые подложки при комнатной температуре. Быструю термообработку проводили в интервале температур от 200 до 550 °С в режиме теплового баланса путем облучения обратной стороны подложек некогерентным световым потоком кварцевых галогенных ламп в среде азота в течение 7 с. Установлено, что формирование гексагональной фазы дисилицида хрома с размером зерен 150–300 нм происходит пороговым образом при превышении температуры быстрой термообработки 400 °С. Одновременно происходят сильные изменения поверхностной морфологии пленок, возникает шероховатость поверхности и границы раздела силицид-кремний. При этом волнообразная морфология поверхности пленки практически повторяет морфологию границы раздела силицида с кремнием (то есть является точной репликой границы раздела). Предложен и обсуждается механизм формирования шероховатости структуры границы раздела дисилицида хрома с кремнием, основанный на учете эффекта Киркендала и деформационно-стимулированной диффузии вакансий. Результаты исследований структуры и морфологии слоев дисилицида хрома на кремнии хорошо согласуются с результатами электрофизических измерений барьера Шоттки. Полученные результаты могут быть использованы в микроэлектронике при формировании выпрямляющих контактов и металлизации межсоединений в интегральных схемах, а также с целью термоэлектрических и оптоэлектронных применений.

быстрая термообработка, дисилицид хрома, структурно-фазовые превращения морфология поверхности

1. Borisenko V.E. Semiconducting Silicides. Berlin: Springer; 2000.

2. Мьюрарка Ш.П. Силициды для СБИС. Mосква: Мир; 1986.

3. Shinoda D., Asanabe S., Sasaki Y.J. Semiconductor properties of chromium disilicide. J. Phys. Soc. of Japan. 1964;19(3):269-272. DOI: 10.1143/JPSJ.19.269.

4. Nishida I. The crystal growth and thermoelectric properties of chromium disilicide. J. Mat. Sci. 1972;7:1119-1124. DOI: 10.1007/BF00550193.

5. Karuppaiah S., Beaudhuin M., Viennois R. Investigation on the thermoelectric properties of nanostructured Cr1-x TixSi2. Journal of Solid State Chemistry. 2013;199:90-95. DOI: 10.1016/j.jssc.2012.12.004.

6. Khalil M., Beaudhuin M., Villeroy B., Ravot D., Viennois R. A modeling approach for new CrSi2 based alloys: Application to metastable Cr1-x Zrx Si2 as a potential thermoelectric material. Journal of Alloys and Compounds. 2016; 662: 150-156. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.12.048.

7. Long R.G., Becker J.P., Mahan J.E., Vantomme A., Nicolet M.-A. Heteroepitaxial relationships for CrSi2 thin films on Si(111). J. App. Phys. 1995;77:3088-3094. DOI: 10.1063/1.359539.

8. Rocher A., Oustry A., David M.J., Caumont M. CrSi2/Si(111): Growth of monotype domains by solid phase epitaxy on a vicinal surface. J. Vac. Sci Technol. A. 1994;12:3018-3022. DOI: 10.1116/1.578930.

9. Martinez A., Esteve D., Guivarch A., Auvray P., Henoc P., Pelous G. Solid-State Electronics. 1980;23:55-63. DOI: 10.1016/0038-1101(80)90168-9.

10. Filonenko O., Falke M., Hortenbach H., Henning A., Beddies G., Hinneberg H.-J. Appl. Surf. Sci. 2004;227:341-348. DOI: 10.1016/j.apsusc.2003.12.011.

11. Jones K.S., Prussin S., Weber E.R. A systematic analysis of defects in ion-implanted silicon. Appl. Phys. A. 1988;45:1-34. DOI: 10.1007/BF00618760.

12. Gaiduk P.I., Hansen J.L., Larsen A.N., Steinman E.A. Nanovoids in MBE grown SiGe alloys in-situ implanted with Ge+ ions. Physical Review B. 2003;67:235310. DOI: 10.1103/PhysRevB.67.235310.

13. Gaiduk P.I., Hansen J.L., Larsen A.N., Wendler E., Wesch W. Self assembling of nanovoids in 800 keV Ge implanted Si/SiGe multi-layered structure. Physical Review B. 2003; 67: 235311. DOI: 10.1103/PhysRevB.67.235311.

14. Соловьев Я.А., Пилипенко В.А. Влияние условий быстрой термической обработки на электрофизические свойства тонких пленок хрома на кремнии. Доклады БГУИР. 2019;7-8(126):157-164. DOI: 10.35596/1729-7648-2019-126-8-157-164.