Взаимодиффузия при формировании тонких плёнок ниобия на монокристаллическом кремнии в условиях вакуумного отжига
Аннотация
Для проектирования технологического процесса создания приборных структур на основе ниобия и монокристаллического кремния с заданными свойствами необходимы эмпирические и теоретические знания о твердофазном процессе взаимодействия в системе тонкая плёнка ниобия – монокристаллический кремний. Цель работы - комплексное исследование перераспределения компонентов в процессе формирования тонких плёнок ниобия на монокристаллическом кремнии, полученных методом магнетронного распыления с последующим вакуумным отжигом.
Структура и фазовый состав исследовались методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии. Распределение компонентов по глубине определялось методом резерфордовского обратного рассеивания.
Традиционным экспериментальным методом исследования процесса взаимодиффузии компонентов в бинарных макроскопических системах является метод инертных меток. Однако применение его в системах, содержащих тонкие плёнки, затруднено соизмеримостью толщин плёнок и самих меток. Это обстоятельство делает метод математического моделирования наиболее удобным для анализа процесса взаимодиффузии в тонкоплёночных системах.
Разработана модель взаимодиффузии при формировании систем поликристаллическая плёнка ниобия – монокристаллический кремний, развивающая теорию Даркена на случай ограниченной растворимости компонентов. Предполагается зернограничная диффузия кремния в межзёренном пространстве поликристаллической плёнки ниобия. Численным анализом экспериментальных концентрационных распределений в рамках модели установлено, что в исследуемой системе доминирующим диффузантом является кремний. Определена температурная зависимость индивидуального коэффициента диффузии кремния DSi = 3.0·10-12·exp(-0.216 эВ/(kT)) cм2/c в диапазоне температур 423–773 К.
Модель применима к описанию перераспределения компонентов в системе тонкая плёнка ниобия – монокристаллический кремний до условий синтеза, обеспечивающих химическое взаимодействие металла с кремнием и образование силицидов. Она иллюстрирует механизм возможного образования силицидных фаз не путём послойного ростана межфазной границе Nb/Si, а в её окрестности за счёт глубокой взаимной диффузии компонентов
Скачивания
Литература
Bromley D., Wright A. J., Jones L. A. H., … O’ Brien L. Electron be am ev aporation of superconductor-ferromagnet heterostructures. Scientific Reports. 2022;12(1): 7786. https://doi.org/10.1038/s41598-022-11828-y
Yusuf S.; Iii R. M. O.; Jiang J. S.; Sowers C. H.; Bader S. D.; Fullerton E. E.; Felcher G. P. Magnetic profile in Nb/S isuperconducting multilayers. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1999; 198−199(1-3): 564−566. https://doi.org/10.1016/s0304-8853(98)01215-3
Modi M. H., Rai S. K., Idir M., Schaefers F., Lodha G. S. NbC/Si multilayer mirror for next generation EUV light sources. OptExpress. 2012;14: 15114-15120. https://doi.org/10.1364/OE.20.015114
Ichimaru, S.; Ishino, M.; Nishikino, … Oku, S. Irradiation damage test of Mo/Si, Ru/Si and Nb/Si multilayers using the soft X-ray laser built at QST. In: Kawachi, T., Bulanov, S., Daido, H., Kato, Y. (eds) X-Ray Lasers 2016. CXRL 2016. Springer Proceedings in Physics, vol. 202. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-73025-7_45
Jang S.-Y.; Lee S.-M.; Baik H.-K. Tantalum and niobium as a diffusion barrier between copper and silicon. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 1996;7(4): 1736−1738. https://doi.org/10.1007/BF00188954
Schlesinger M. E., Okamoto H., Gokhale A. B., Abbaschian, R. (1993). The Nb-Si (Niobium-Silicon) system. Journal of Phase Equilibria. 1993;14(4): 502–509. https://doi.org/10.1007/bf02671971
Chandrasekaran A., van de Kruijs R. W. E., Sturm J. M., Bijkerk F. Nb texture evolution and interdiffusion in Nb/Si-layered systems. ACS Applied Materials & Interfaces. 2021;13(26): 31260–31270. https://doi.org/10.1021/acsami.1c06210
Saito S., Takashima T., Horiuchi T., Miura S., Narita, T. Investigation of the cross-sectional structure and isothermal section at 1150°C of a Nb–Re–Si alloy fabricated using a tetra-arc furnace. Materials Transactions. 2019;60(4): 611–615. https://doi.org/10.2320/matertrans.m2018396
Bruijn S., Van De Kruijs R. W. E., Yakshin A. E., Bijkerk F. In-situ study of the diffusion-reaction mechanismin Mo/Si multilayered films. Applied Surface Science. 2011;257: 2707−2711. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.10.049
Huang Q., Zhang, J., … Wang Z. Structure and stress studies of low temperatureannealed W/Si multilayers for the X-ray telescope. Express. 2016;24: 15620. https://doi.org/10.1364/oe.24.015620
Zaytseva I., Abal’oshev O., Dłużewski P., … Cieplak M. Z. Negative Hall coefficient of ultrathin niobium in Si/Nb/Si trilayers. Physical Review B. 2014;90(6). https://doi.org/10.1103/physrevb.90.060505
Thin Films: Interdiffusion and Reactions (Eds: J. M. Poate, K. N. Tu and J. W. Mayer). New York: Wiley; 1978. 578 p.]
Smigelskas A. D., Kirkendall E. O. Zinc diffusion in alpha-brass. Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers. 1947;171: 130–142.
JCPDC PCPDFWIN: A Windows Retrieval/ Display Program for Accessing the ICDD PDF-2 Data Base, International Centre for Diffraction Data, 1997.15. Brandon D., Kaplan W. D. Microstructural characterization of materials. John Wiley & Sons Ltd.2013. 560 p.
Darken L. S., Diffusion, mobility and their interrelation through free energy in binary metallic systems. Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers. 1948;175: 84–201. https://doi.org/10.1007/s11661-010-0177-7
Gurov K. P., Kartashkin B. A., Ugaste Yu. E. Mutual diffusion in multiphase metallic systems*. (Ed. K. P. Gurov. Moscow: Nauka Publ.; 1981. 352 p. (in Russ.)
Aleksandrov O. V., Kozlovski V. V. Simulation of interaction between nickel and silicon carbide during the formation of ohmic contacts. Semiconductors.2009;43: 885–891. https://doi.org/10.1134/S1063782609070100
Afonin N. N., Logacheva V. A. Modeling of the reaction interdiffusion in the polycrystalline systems with limited component solubility. Industrial Laboratory. Diagnostics of Materials. 2019;85(9):35-41. (in Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-9-35-41
Afonin N. N., Logachova V. A. Reactive interdiffusion of components in a non-stoichiometric two-layer system of polycrystalline titanium and cobalt oxides. Condensed Matter and Interphases. 2020;22(4): 430–437. https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/3058
Afonin N. N., Logachova, V. A. A model of interdiffusion occurring during the formation of thin metal films on single-crystal silicon under conditions of limited solubility of the components. Condensed Matter and Interphases. 2022;24(1), 129–135. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9063
Smigelskas A. D., Kirkendall E. O. Zinc diffusion in alpha-brass. Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers. 1947;171:130–142.
Samarskii A. A. Theory of difference schemes*. Moscow: Nauka Publ.; 1977. 656 p. (in Russ.)
Zhang M., Yu W., Wang W. H., Wang, W. K. Interdiffusion in compositionally modulated amorphous Nb/Si multilayers. Thin Solid Films. 1996;287(1–2), 293–296. https://doi.org/10.1016/s0040-6090(96)08765-2
Copyright (c) 2023 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
