Strukturanalyse von ternären Ni-Al-Si und Ni-Ga-Si-Dünnschichtsystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wesentliches Ziel des Projektes war, das grundlegende Verständnis der Phasenbildungsprozesse in Ni-Al- und Ni-Ga-Dünnschichtsystemen auf Si-Substraten in Abhängigkeit von der Tempertemperatur und der Konzentration der Substitutionselemente Al bzw. Ga zu gewinnen. Dazu wurden im Rahmen des Projektes die Ni-Al-Si und Ni-Ga-Si-Schichten hinsichtlich ihrer Struktur, Morphologie und Zusammensetzung mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Um den Festphasenreaktionsablauf in Ni-Al-Si- und Ni-Ga-Si-Systemen zu analysieren wurden Ni-Al- und Ni-Ga-Mischschichten mit den unterschiedlichen Al/Ni- und Ni/Ga-Verhältnissen (z) entsprechend mittels Magnetronsputtern und Molekularstrahlepitaxie auf Si(001)-Substrate abgeschieden und anschließend getempert. TEM-Untersuchungen zeigen, dass die Zugabe sowohl von Al als auch von Ga zu einer Absenkung der Bildungstemperatur der Disilicidphase von 700°C auf mindestens 500°C führt. Energiedispersive Röntgenspektroskopieanalyse (EDXS) zeigt, dass schon die geringsten Mengen von Al (z ~ 0.06…0.1) ausreichend sind um eine Entstehung einzelner ternären NiSi2-xAlx-Kristallite auf der Grenzfläche zwischen der Monosilicidschicht (NiSi) und dem Si-Substrat hervorzurufen. Eine weitere Erhöhung des Al-Gehaltes führt zu der Unterdrückung der Monosilicidentstehung und zu der Bildung der Ni-Al-Si-Verbindungen, deren Struktur und Zusammensetzung von dem Al-Gehalt abhängt. Dabei entsteht die epitaktische A-typ orientierte NiSi2-xAlx-Schicht mit einer inhomogenen Al-Verteilung an der Grenzfläche zwischen den Ni-Al-Si-Verbindungen und Si. Anhand der Ergebnisse wurde ein Modell vorgeschlagen, das die beobachteten Veränderungen der Schichtstruktur erklärt. Im Gegenteil zu Al-Zugabe führt eine Beimischung von Ga zu einer Veränderung der Orientierung der NiSi2-xGax-Schichten. Diese Veränderung kann dadurch erklärt werden, dass abhängig von dem Ga-Gehalt die Nukleation der NiSi2-xGax-Phase nicht nur an der Grenzfläche zum Si-Substrat, sondern auch an der Grenzfläche zwischen den Ga-Ni-Si-Verbindungen und der polykristallinen NiSi-Schicht erfolgt. Wird die Tempertemperatur bis auf 900°C erhöht, entstehen im Ni-Al-Si-System geschlossene NiSi2-xAlx-Schichten mit einer homogenen Al-Verteilung. Die Grenzflächenrauhigkeit dieser Schichten hängt stark von dem Al-Gehalt ab. Es muss beachtet werden, dass alle Al-haltigen Proben eine Aluminiumoxidschicht an der Oberfläche aufweisen. Somit stimmt die bei der Abscheidung angebotene Al-Menge z mit der in die Disilicidphase eingebauten Al Menge x nicht überein. Die Analyse der Disilicid/Si-Grenzflächen deutet darauf hin, dass der Einbau vom Al in das Disilicidgitter die Grenzflächenenergien drastisch beeinflusst. Während die binäre NiSi2-Verbindung die energetisch günstigeren {111}-Grenzflächen ausbildet, weisen die ternären Schichten eine bevorzugte (001)-Grenzfläche auf. Hochauflösende TEM zeigt, dass die abrupten NiSi2-xAlx(001)/Si(001)-Grenzflächen Stufen enthalten, deren Entstehung den Einbau der Grenzflächenversetzungen zufolge hat. Während die geringste Grenzflächenrauhigkeit bei den abgeschiedenen Al-Mengen z von 0.2 bis 0.4 beobachtet wurde, erhöht sich diese mit einem weiter steigenden Al-Anteil. Die Dichte der Versetzungen nimmt dabei zu. Ähnlich wie bei Ni-Al-Si-System führt eine Zugabe von Ga und eine anschließende Temperung bei 900°C zu der Entstehung der NiSi2-xGax-Schichten mit einer homogenen Ga-Verteilung. Die Schichtmorphologie und die Orientierung hängen jedoch vom Ga-Gehalt ab. Geschlossene epitaktische NiSi2-xGax-Schichten wurden nur bei einem Ga-Gehalt z von 0.28 nachgewiesen. TEM-Verspannungsanalyse zeigt, dass durch den Einbau von den Grenzflächendefekten sowohl die NiSi2-xAlx- als auch die NiSi2-xGax-Schichten im Wesentlichen relaxiert sind. Hochauflösende TEM-Analyse weist darauf hin, dass bei den ternären Disilicidschichten die in der Grenzfläche liegende Gitterkonstante größer ist als diese von dem Si-Substrat, was auf die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffiziente bei den verwendeten Wachstumstemperaturen zurückzuführen ist. Die bei den NiSi2-xAlx Schichten beobachteten geringen Grenzflächenrauhigkeiten können somit nicht auf das gitterangepasste Wachstum zurückgeführt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Formation of ternary nickel dislicide films with modified lattice parameters: influence of Al and Ga”. Proceedings of Microscopy Conference (MC2009), Graz, Austria, Vol.3 (2009) 35
A. Mogilatenko, F. Allenstein, M.A. Schubert, M. Falke, G. Beddies, W. Neumann
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“Structural changes in nickel silicide thin films under the presence of Al and Ga”. Materials Science Forum 638-642 (2010) 2938
A. Mogilatenko, F. Allenstein, M.A. Schubert, M. Falke, G. Beddies, W. Neumann
