Si (100) taşıyıcılı Ni-Si ve Ag-Ni-Si silisid filmlerin elde edilmesi, elektriksel ve yapısal özelliklerinin incelenmesi
Formation of the Ni-Si and Ag-Ni-Si silicide films on Si(100) substrates and investigation of their structural and electrical properties
Yazar: GÖKHAN UTLU
Danışman: PROF. DR. AHMET ÖZTARHAN ; PROF. DR. NURCAN ARTUNÇ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Atomik kuvvet mikroskobu = Atomic force microscope ; Silisid = Silicide ; X ışını kırınımı = X ray diffraction ; Yansıtma katsayısı = Reflectivity coefficient

Özet:
Bu çalışmada n-tipi Si(100) taşıyıcılar üzerine termal buharlaştırma yöntemiyle kaplanmış Ni ve iki katlı Ag/ Ni filmlerin 500°C ve 850°C'de RTA yöntemiyle 60s tavlanmasıyla, kalınlıkları sırasıyla 18-200 nm ve 35-400 nm olan 500°C ve 850°C'lik Ni-Si silisid filmler ile 28-260 nm ve 66-343 nm kalınlıklı 500°C ve 850°C'lik Ag-Ni-Si silisid filmler elde edilmiştir. Silisid filmlerin yapısal karakterizasyonu RBS, XRD, X-SEM ve AFM teknikleri ile gerçekleştirilmiştir.RBS ve XRD sonuçları, 500°C'lik Ni-Si filmlerde Ni'ce zengin NiSi; 850°C'lik Ni-Si filmlerde NiSi ve NiSi2; 500°C'lik Ag-Ni-Si filmlerde Ni ve Ag ile birlikte NiSi, ve 850°C'lik Ag-Ni-Si filmlerde NiSi2, Ag3Si, Ag2Si silisid fazlarının oluştuğunu göstermiştir. Film kalınlığının azalması ve tavlama sıcaklığının artmasıyla yapıların Si'ca zenginleşerek daha kusurlu ve pürüzlü bir silisid yapıya dönüştüğü bulunmuştur.Tüm silisid filmlerin özdirencinin sıcaklıkla değişimi ölçümleri 100-900K sıcaklık aralığında, film kalınlığı ve sıcaklığın fonksiyonu olarak çalışılmıştır. Silisid filmlerin özdirençleri sıcaklıkla lineer olarak artarak Tm (500-800K) sıcaklığında bir maksimuma ulaşmakta, daha sonra Si taşıyıcının iletken hale gelmesi ile çok hızlı bir şekilde azalarak sıfıra yaklaşmaktadır. Tm sıcaklığı azalan film kalınlığı ve artan tavlama sıcaklığı veya artan Si konsantrasyonu ile azalmaktadır.850°C'lik Ag-Ni-Si ve Ni-Si filmlerin özdirençlerinin 500°C'lik Ag-Ni-Si ve Ni-Si filmlerin özdirencinden oldukça büyük olduğu, bu özdirenç artışının azalan film kalınlığı ile arttığı bulunmuştur. Gözlenen özdirenç artışından örgü kusur yoğunluğu ve tanecik-sınır saçılmasının sorumlu olduğu, ayrıca tüm silisid filmlerimizin toplam özdirençlerinin sıcaklıkla artışından ise elektron-fonon ve tanecik-sınır saçılmalarının sorumlu olduğu bulunmuştur.Analiz sonuçlarımızdan, teta Debye sıcaklığının tüm Ni-Si silisid filmlerde sıcaklık ve kalınlıktan bağımsız olduğu, Ag-Ni-Si filmlerde ise sıcaklıkla ve azalan film kalınlığı ile arttığı, ayrıca saturasyon özdirencinin çok büyük olması nedeniyle paralel-rezistör bağıntısının Mathiessen Kuralı'na indirgendiği bulunmuştur.500°C ve 850°C'lik Ni-Si ve Ag-Ni-Si filmlerin özdirenç verileri M-S modeli ile analizlenerek teorik R yansıtma katsayıları hesaplanmış, ayrıca ro.d=f(d) grafiklerinden deneysel R değerleri belirlenmiş, birbiriyle uyumlu olduğu bulunmuştur. Analiz sonuçlarımız, belli bir sıcaklıkta teorik ve deneysel R katsayısının azalan film kalınlığı ile arttığını, fakat aynı faza sahip belli bir kalınlık bölgesi üzerinde hemen hemen sabit olduğunu göstermiştir. Ayrıca 500°C'lik Ni-Si filmlerde R katsayısının sıcaklıkla azaldığı, fakat 850°C'lik Ni-Si ve tüm Ag-Ni-Si filmlerde sıcaklıkla arttığı bulunmuştur. 500°C'lik Ag-Ni-Si filmlerin R yansıtma katsayıları ve özdirençleri, 500°C'lik Ni-Si ile 850°C'lik Ni-Si ve Ag-Ni-Si filmlerinkinden oldukça küçük olup, bu sonuç Ag filmin NiSi fazının yapısal ve elektriksel özelliklerini iyileştirdiğini göstermektedir.Sheet dirençleri 6,5 - 1,5 ohm/ ? ve 2,57 - 0,91 ohm/ ? , kalınlıkları 31-73 nm ve 28-71 nm olan, 500°C'lik Ni-Si ve Ag-Ni-Si filmlerin mikroelektronik uygulamalarda istenen özellikleri sağladığı bulunmuştur.Anahtar Kelimeler: RTA, NiSi, NiSi2, Ag-NiSi, Ag-NiSi2, elektriksel özdirenç, tanecik-sınır saçılması, R yansıtma katsayısı, Debye sıcaklığı, XRD, RBS, SEM, X-SEM, AFM

Abstract:
In this study, both Ni-Si silicide films of 500°C and 850°C, withthicknesses of 18-200 nm and 35- 400 nm, and Ag-Ni-Si silicide films of500°C and 850°C, with thicknesses of 28-260 nm and 66-343 nm,respectively are formed by rapid thermal annealing (RTA) at 500°C and850°C for 60s of Ni and Ag / Ni films, thermally evaporated on n-typeSi(100) substrates. Structural characterization all of the silicide films isinvestigated using XRD, RBS, SEM, X-SEM and AFM.XRD and RBS analysis reveals that NiSi and Ni3Si, coexisting withNi; NiSi and NiSi2 silicide phases are displayed respectively in Ni-Sifilms of 500°C and 850°C; and that NiSi with Ni and Ag; and NiSi2,Ag3Si, Ag2Si silicide phases are formed respectively in Ag-Ni-Sisilicides films of 500°C and 850°C. The structure of the silicide films isfound to transform Si-rich silicide-structure with more imperfections,with decreasing film thickness. The temperature-dependent resistivitymeasurements of all silicide films are studied as a function of filmthickness and temperature, in the range of 100-900K. Our measurementsshow that the total resistivity both Ni-Si and Ag-Ni-Si silicide filmsincreases linearly with temperature, up to Tm temperature at whichresistivity reaches a maximum, above Tm decreases rapidly and ?f ? 0 at~800K. Tm temperature is found to decrease with decreasing filmthickness and increasing annealing temperature.It is found that resistivities of Ag-Ni-Si and Ni-Si films of 850°Care considerably greater than those of the Ag-Ni-Si and Ni-Si films of500°C, and this excess resistivity increases with decreasing filmthickness due to both increased lattice defect and grain boundaryscattering. Furthermore, grain boundary and electron-phonon scatteringare responsible for the temperature-dependent resistivity increase in allsilicide films. Our analysis shows that ?D Debye temperature isindependent of thickness and temperature in Ni-Si films, but increaseswith temperature and decreasing film thickness in Ag-Ni-Si films.Furthermore, paralel- resistor formula is reduced to Matthiessen?s rulebecause of very high values of saturation resistivity of all silicide films.Theoretical and experimental reflection coefficient R is calculatedby analyzing resistivity data of all silicide films using Mayadas-Shatzkesmodel, and ?f.d=f(d) plots, respectively. There is a good aggreementbetween theoretical and experimental R. According to our analysis Rincreases with decreasing film thickness but is almost constant for agiven thickness range with the same silicide phase. It is also found that Rdecreases with temperature in Ni-Si films of 500°C, but increases inNi-Si films of 850°C, and in all Ag-Ni-Si films. Furthermore, Rparameters and resistivities of Ag-Ni-Si films of 500°C are considerablysmaller than those of the Ni-Si films of 500°C and 850°C and Ag-Ni-Sifilms of 850°C. This result indicates that deposition of Ag film improvesstructural and electrical properties of NiSi phase of 500°C. In this study,both Ag-Ni-Si and Ni-Si films of 500°C, with thicknesses of 28-71nmand 31-73 nm; with sheet resistance of 2,57-0,97 ? / ? and 6,5-1,5 ? / ?respectively, are found to meet strict material requirements formicroelectronic applications.Keywords: RTA, NiSi, NiSi2, Ag-NiSi, Ag-NiSi2, electrical resistivity,grain-boundary scattering, R reflection coefficient, ?D temperature, XRD,RBS, SEM, X-SEM, AFM.