danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2021-65-1-111-118dan-952Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИTECHNICAL SCIENCESФормирование силицида никеля быстрой термообработкой в режиме теплового балансаNickel silicide formation with rapid thermal treatment in the heat balance modeПилипенкоВ. А.PilipenkoV. A.

Пилипенко Владимир Александрович – член-корреспондент, д-р техн. наук, заместитель директора

ул. Казинца, 121А, 220108, Минск

Pilipenko Vladimir A. – Corresponding Member, D. Sc. (Engineering), Deputy Director. State Center “Belmicroanalysis"

121A, Kazinets Str., 220108, Minsk

office@bms.byСоловьёвЯ. А.SolovjovJa. A.

Соловьёв Ярослав Александрович – канд. техн. наук, заместитель директора. Филиал «Транзистор»

ул. Корженевского, 16, 220108, Минск

Solovjov Jaroslav A. – Ph. D. (Engineering), Deputy Director. “Transistor” Branch

16, Korzhenevsky Str., 220108, Minsk

jsolovjov@integral.byГайдукП. И.GaidukP. I.

Гайдук Пётр Иванович – д-р физ.-мат. наук, профессор

ул. Курчатова, 5, 220108, Минск

Gaiduk Peter I. – D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor

5, Kurchatov Str., 220108, Minsk

gaiduk@bsu.byУправляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ»“INTEGRAL” holding managing companyБелорусский государственный университетBelarusian State University202125022021651111118Copyright © Пилипенко В.А., Соловьёв Я.А., Гайдук П.И., 20212021Пилипенко В.А., Соловьёв Я.А., Гайдук П.И.Pilipenko V.A., Solovjov J.A., Gaiduk P.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/952

Методами резерфордовского обратного рассеяния, рентгеновского фазового анализа, просвечивающей электронной микроскопии и электрофизическими измерениями исследовано формирование слоев силицида никеля на пластинах (111)-Si при быстрой термической обработке в режиме теплового баланса. Слои никеля толщиной ~70 нм наносили магнетронным распылением при комнатной температуре. Быструю термообработку проводили в режиме теплового баланса путем облучения обратной стороны подложек некогерентным световым потоком кварцевых галогенных ламп в среде азота в течение 7 с до температуры от 200 до 550 °С. Установлено, что перераспределение атомов никеля и кремния до состава моносилицида NiSi начинается уже при температуре 300 °С и к температуре 400 °С практически завершается. В этом же диапазоне температур происходит формирование орторомбической фазы NiSi со средним размером зерен около 0,05–0,1 мкм. При температуре быстрой термообработки 300 °C происходит формирование двух силицидных фаз (Ni2 Si и NiSi), при этом на поверхности сохраняется тонкий слой непрореагировавшего Ni. Данный факт может объясняться высокой скоростью разогрева на начальной стадии отжига, при которой температурные условия формирования фазы NiSi наступают раньше, чем весь слой Ni успевает превратиться в фазу Ni2 Si. Слои с одновременным присутствием трех фаз характеризуются высокой шероховатостью границы раздела силицид–кремний. Зависимость удельного сопротивления слоев силицидов никеля демонстрирует рост до значений 26–30 мкОм · см в области температур быстрой термообработки 200–250 °С и последующее снижение до значений 15 мкОм · см при температуре быстрой термообработки 400 °С. Данная величина удельного сопротивления характерна для фазы NiSi с высокой проводимостью и хорошо коррелирует с результатами структурных исследований.

The formation of nickel silicide layers on (111)-Si substrates during rapid thermal annealing in the heat balance mode was studied by the Rutherford backscattering method, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and electrophysical measurements. Nickel films of about 70 nm thickness were deposited by magnetron sputtering at room temperature. The rapid thermal treatment was carried out in a heat balance mode by irradiating the substrates backside with a non-coherent light flux of quartz halogen lamps in the nitrogen medium for 7 seconds up to the temperature range of 200 to 550 °C. The redistribution of nickel and silicon atoms to monosilicide NiSi composition starts already at a temperature of 300 °С and almost ends at a temperature of 400 °С. In the same temperature range, the orthorhombic NiSi phase with an average grain size of about 0.05–0.1 μm is formed. At a rapid thermal treatment temperature of 300 °C, two phases of silicides (Ni2 Si and NiSi) are formed, while a thin layer of unreacted Ni is retained on the surface. This fact can be explained by the high heating rate at the initial annealing stage, at which the temperature conditions of the NiSi phase formation occur earlier than the entire Ni layer manages to turn into the Ni2 Si phase. The layers with a simultaneous presence of three phases are characterized by a high roughness of the silicide-silicon interface. The dependence of the specific resistivity of nickel silicide layers shows an increase to the values of 26–30 μOhm · cm in the range of rapid thermal treatment temperatures of 200–250 °C and a subsequent decrease to the values of about 15 μOhm · cm at a rapid thermal treatment temperature of 400 °C. This value of specific resistivity is characteristic of the high conductivity of the NiSi phase and correlates well with the results of structure studies.

быстрая термическая обработкасилицид никеляструктурно-фазовые превращенияrapid thermal treatmentnickel silicidestructural and phase transformationReferencesМьюрарка, Ш. П. Силициды для СБИС / Ш. П. Мьюрарка. – М.: Мир, 1986. – 176 с.Murarka Sh. P. Silicides for ULSI application. Elsevier Science, 1983. 200 p.Chen, L. J. Silicide Technology for Integrated Circuits / L. J. Chen. – London, 2004. – 279 p. https://doi.org/10.1049/pbep005eChen L. J. Silicide Technology for Integrated Circuits. London, 2004. 279 p. https://doi.org/10.1049/pbep005eElectrical properties and solid-phase reactions in Ni/Si(100) contacts / Y. Tsuchiya [et al.] // Japanese Journal of Applied Physics. – 2002. – Vol. 41, N 4B. – P. 2450–2454. https://doi.org/10.1143/jjap.41.2450Tsuchiya Y., Tobioka A., Nakatsuka O., Ikeda H., Sakai A., Zaima Sh., Yasuda Y. Electrical properties and solid-phase reactions in Ni/Si(100) contacts. Japanese Journal of Applied Physics, 2002, vol. 41, no. 4B, pp. 2450–2454. https://doi.org/10.1143/jjap.41.2450Impact of Ni-silicide grain orientation on the strain and stress fields induced in patterned silicon / C. Torregiani [et al.] // Applied Physics Letters. – 2007. – Vol. 90, N 5. – Art. 054101. https://doi.org/10.1063/1.2437064Torregiani C., Maex K., Benedetti A., Bender H., Van Houtte P., Pawlak B. J., Kittl J. A. Impact of Ni-silicide grain orientation on the strain and stress fields induced in patterned silicon. Applied Physics Letters, 2007, vol. 90, no. 5, art. 054101. https://doi.org/10.1063/1.2437064Ultrathin Ni silicides with low contact resistance on srained and ultrastrained silicon / L. Knoll [et al.] // IEEE Electron device letters. – 2010. – Vol. 31, N 4. – P. 350–352. https://doi.org/10.1109/led.2010.2041028Knoll L., Zhao Q. T., Habicht S., Urban C., Ghyselen B., Mantl S. Ultrathin Ni silicides with low contact resistance on srained and ultrastrained silicon. IEEE Electron device letters, 2010, vol. 31, no. 4, pp. 350–352. https://doi.org/10.1109/led.2010.2041028Contact resistance reduction of Pt-incorporated NiSi for continuous CMOS scaling: Atomic level analysis of Pt/B/As distribution within silicide films / T. Sonehara [et al.] // IEEE International Electron Device Meeting. – San Francisco, 2008. – P. 921–924. https://doi.org/10.1109/iedm.2008.4796851Sonehara T., Hokazono A., Akutsu H., Sasaki T., Uchida H., Tomita M., Tsujii H., Kawanaka S., Inaba S., Toyoshima Y. Contact resistance reduction of Pt-incorporated NiSi for continuous CMOS scaling: Atomic level analysis of Pt/B/As distribution within silicide films. IEEE International Electron Device Meeting. San Francisco, 2008, pp. 921–924. https://doi.org/10.1109/iedm.2008.4796851Enhancement of thermal stability of NiSi films on (100)Si and (111)Si by Pt addition / D. Mangelinck [et al.] // Applied Physics Letters. – 1999. – Vol. 75, N 12. – P. 1736–1738. https://doi.org/10.1063/1.124803Mangelinck D., Dai J. Y., Pan J. S., Lahiri S. K. Enhancement of thermal stability of NiSi films on (100)Si and (111)Si by Pt addition. Applied Physics Letters, 1999, vol. 75, no. 12, pp. 1736–1738. https://doi.org/10.1063/1.124803Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Б. Хирш [и др.]. – М.: Мир, 1968. – 574 c.Hirsch P. B., Howie A., Nicholson R. B., Pashley D. W., Whelan M. J. Electron microscopy of thin crystals. Moscow, Mir Publ., 1968. 574 p. (in Russian).Томас, Г. Просвечивающая электронная микроскопия материалов / Г. Томас, М. Дж. Гориндж. – М.: Наука, 1983. – 320 c.Tomas G., Goringe M. J. Transmission electron microscopy of materials. John Wiley & Sons Inc., 1987. 388 p.Majni, G. Growth kinetics of NiSi on (100) and (111) silicon / G. Majni, F. D. Valle, C. Nobili // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1984. – Vol. 17, N 5. – P. L77–L81. https://doi.org/10.1088/0022-3727/17/5/002Majni G., Valle F. D., Nobili C. Growth kinetics of NiSi on (100) and (111) silicon. Journal of Physics D: Applied Physics, 1984, vol. 17, no. 5, pp. L77–L81. https://doi.org/10.1088/0022-3727/17/5/002Calorimetric analysis of thin-film reactions: Experiments and modeling in the nickel/silicon system / P. Knauth [et al.] // Journal of Applied Physics. – 1994. – Vol. 76, N 9. – P. 5195–5201. https://doi.org/10.1063/1.357238Knauth P., Charaї A., Bergman C., Gas P. Calorimetric analysis of thin-film reactions: Experiments and modeling in the nickel/silicon system. Journal of Applied Physics, 1994, vol. 76, no. 9, pp. 5195–5201. https://doi.org/10.1063/1.357238Natan, M. Anomalous first-phase formation in rapidly thermal annealed, thin-layered Si/Ni/Si films / M. Natan // Applied Physics Letters. – 1986. – Vol. 49, N 5. – P. 257–259. https://doi.org/10.1063/1.97188Natan M. Anomalous first-phase formation in rapidly thermal annealed, thin-layered Si/Ni/Si films. Applied Physics Letters, 1986, vol. 49, no. 5, pp. 257–259. https://doi.org/10.1063/1.97188Borisenko, V. E. Rapid thermal processing of semiconductor / V. E. Borisenko, P. J. Hesketh. – New York, 1997. – 358 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-1804-8Borisenko V. E., Hesketh P. J. Rapid thermal processing of semiconductor. New York, 1997. 358 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4899-1804-8Соловьёв, Я. А. Влияние температуры быстрой термической обработки на электрофизические свойства пленок никеля на кремнии / Я. А. Соловьёв, В. А. Пилипенко // Докл. БГУИР. – 2020. – Т. 18, № 1. – С. 81–88. http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2020-18-1-81-88Solovjov Ja. А., Pilipenko V. A. Effect of rapid thermal treatment temperature on electrophysical properties of nickel films on silicon. Doklady BGUIR, 2020, vol. 18, no. 1, pp. 81–88 (in Russian). http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2020-18-1-81-88

The authors declare that there are no conflicts of interest present.