Elektronika 2012-08 I.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych

Wytwarzanie nanoigieł z krzemku palladudr Ewa Kowalska, prof. nzw. dr hab. Elżbieta Czerwosz, inż. Joanna Radomska,tech. Halina WronkaInstytut Tele- i Radiotechniczny, WarszawaCienkie warstwy typu metal-krzem (Me-Si) są integralną częściąwiększości mikrourządzeń elektronicznych opartych na tranzystorachpolowych typu FET (Field Effect Transistor), złączowychtranzystorach polowych (Junction FET), tranzystorach z izolowanąbramką – MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET), czy tranzystorachcienkowarstwowych TFT (Thin Film Transistor). Warstwy testosowane są jako kontakty omowe, kontakty z barierą Schottkiego(złącze metal-półprzewodnik), bariery dyfuzyjne zwłaszcza w obszarzebramki, źródła czy też drenu dla redukcji ich oporności. Warstwyte można również wykorzystać w urządzeniach typu MOS (MetalOxide Semiconductor), CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor),FED (Field Emission Display), czy diodach półprzewodnikowych[1].Większość krzemków metali posiada dobre przewodnictwo elektrycznei niską oporność od 10 do 100 μΩcm [2]. W tabeli 1 przedstawionooporność krzemków metali syntezowanych podczas reakcjicienkiej warstwy metalu (Me) z mono- lub polikrystalicznymkrzemem, jak również wartość temperatury tworzenia krzemkówMe ySi x, i ich strukturę krystalograficzną [1].Tab. 1. Oporność różnych krzemków metali wraz z temperaturą ich tworzeniai rodzajem struktury krystalograficznejTabl. 1. The resistivity of various metal silicides and the temperatureof their formation and the type of crystallographic structure34Typ krzemkuTiSi 2CoSi 2Temp. reakcji[°C]Oporność[μΩcm]625…675 a850…900 b 13…16400…540 a700…800 b 18…20StrukturakrystalograficznaortorombowakubicznaNiSi 400…650 ~50 kubicznaPd 2Si 175…450 30…35 heksagonalnaPtSi 400…600 28…35 ortorombowaWSi 2690…740 ~70 tetragonalnaMoSi 2850 90…100 tetragonalnaa)temperatura pierwszego wygrzewania, b) temperatura drugiegowygrzewania w celu uzyskania krzemku o niskiej opornościWiększość krzemków metali powstaje na drodze reakcji w faziestałej między cienką warstwą metalu a podłożem Si [1]. Reakcji tejtowarzyszy zawsze zmiana objętości komórki elementarnej metalu,co powoduje naprężenia w tworzącej się warstwie krzemku metalui zagraża jego mechanicznej stabilności. Zjawiska te występująw obszarze wzajemnego oddziaływania Me-Si i mogą być przyczynątworzenia się krzemków w postaci wysp o różnej morfologii i kształcie.Niedopasowanie sieci krystalicznej zależy od rodzaju użytegometalu. Do najczęściej stosowanych metali przy wytwarzaniu krzemkównależą: Ti, Co, Ni, Pd, Pt, Mo i W.Krzemek palladu Pd 2Si w stosunku do krzemków innychmetali charakteryzuje się niską temperaturą tworzenia układuPd-Si (tabela 1). Poza tym jego znaczenie w ostatnich latachwzrasta z powodu wielu możliwości zastosowań zwłaszczaw elektronice. Pd 2Si jest wykorzystywany do produkcji np.elektrod półprzezroczystych, do tworzenia omowych kontaktów,bramek elektrodowych, połączeń lokalnych lub elementówsensorowych i pomiarowych w urządzeniach elektronicznych.Różnorodność zastosowań krzemku palladu determinuje sposóbjego wytwarzania.Nasze zainteresowanie tym materiałem wynika z możliwościwykorzystania krzemku palladu w postaci nanoigieł, jako np.ostrzy pomiarowych w mikroskopii AFM (Atomic Force Microscope),czy też do wewnętrznych połączeń i kontaktów między elementamiw urządzeniach nanoelektronicznych.Metody wytwarzania krzemku palladuW przypadku krzemku palladu Pd 2Si istnieje wiele sposobów jegowytwarzania w postaci warstw lub wysp. Powszechnie stosowanajest metoda osadzania cienkiej warstwy palladu na powierzchnipodłoża Si o różnej orientacji krystalograficznej np. [100], [111]lub na krzemie amorficznym a-Si [3-7], a następnie zainicjowaniereakcji w układzie Pd-Si pod wpływem temperatury. Powstawaniekrzemku palladu prowadzone jest w warunkach wysokiej próżnilub w obecności gazu obojętnego, np. argonu. W pierwszymetapie syntezy Pd 2Si, atomy Pd dyfundują w luki sieci Si i jakopierwsza powstaje faza bogata w metal Pd/Pd 2Si. Następnie powstajefaza bogata w krzem Pd 2Si/Si. Częściowe dopasowaniesieci kubicznej Si do sieci krystalicznej Pd 2Si powoduje dobrą adhezjękrzemku do podłoża Si. W przypadku podłoża Si o orientacji[100] uzyskuje się Pd 2Si o strukturze pseudoheksagonalnej, zaśdla podłoża o orientacji [111] wytworzony krzemek ma strukturęheksagonalną z niedopasowaniem sieci tylko ~1,8% [7]. Dopasowaniesieci powoduje, że struktura atomowa w obszarze wzajemnegooddziaływania jest podobna, zatem naprężenia w warstwiePd-Si są małe. Dzięki takim właściwościom pallad może rosnąćna powierzchni krzemu w postaci jednolitej warstwy, chociaż równieżznane są przypadki wzrostu tego pierwiastka w postaci wysp[8, 9]. Te wyspy mogą wykazywać różne kształty i morfologiew zależności od orientacji podłoża, temperatury procesu, ilościpalladu i innych warunków wzrostu. W przypadku depozycji palladuna podłożu Si o orientacji [111] przy pokryciu powierzchni powyżej2 ML (monowarstwy atomowe) i przy wzroście temperaturydo ~400°C, warstwa palladu ulegała przekształceniu w krzemekpalladu, który rósł epitaksjalnie w postaci wysp.Zaobserwowano, że krzemek palladu powstaje podczas katalitycznegorozkładu silanu Si 3H 4w temperaturze 150…200°C,stosując jako podłoże pallad [10]. Rejestrowano również epitaksjalnywzrost Pd 2Si na podłożu z węglika krzemu SiC, w trakciedepozycji metalu na powierzchnię bogatą w krzem (6H-SiC(0001)[11]. Reakcję pomiędzy Pd a powierzchnią Si 6H-SiC(0001) obserwowanojuż w temperaturze pokojowej, gdy grubość warstwymetalu osiągała minimalną wartość ~0,25 nm. Zwiększenie grubościtej warstwy nawet do 10 nm, pomimo niedopasowania sieciPd i SiC (>10%) umożliwiało dalszy epitaksjalny wzrost palladuna powierzchni podłoża. Wygrzewanie depozytu Pd 2Si w zakresietemperatur 600…800°C powodowało jednak przerwanie ciągłościwarstwy krzemku i wydzielenie się fazy Pd 2Si w postaci wysp,które zgodnie z badaniami AFM i XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy)otoczone były przez grafit.Zmodyfikowaną metodą Czochralskiego udało się wyhodowaćmonokryształ krzemku Pd 2Si o strukturze heksagonalnej [12]. Procesprowadzono w czystym argonie poprzez stopienie ze sobą odpowiedniejilości palladu (drutu o czystości 99,999%) z grudkami krzemu.Krzemek palladu można również wytworzyć w postaci nanoprętówczy nanodrutów. Nanodruty ze względu na wysoki stosunek ichpowierzchni do objętości mogą być wykorzystane jako wrażliwe elementypomiarowe w urządzeniach elektronicznych typu sensory.W pracy [13] opisano technologię wytwarzania samoorganizującychsię nanodrutów Pd 2Si na powierzchni Si wykorzystującmetodę MPE CVD (Microwave Plasma Enhanced Chemical VaporElektronika 8/2012