silicium monocristallin(100)
III- 3-3 Echantillon recuit à 400 °C :
Tout en augmentant la température de recuit jusqu’ à 400°C, la morphologie extérieure de l’échantillon n’est plus uniforme et présente une formation rapide de cristallites claires sur un fond gris. Ces cristallites se présentent sous la forme carrée (25 x 13 µm ) et rectangulaire (15 x 15 µm) [ fig.III.8 ] et sont composées d’une couche Au-Cu de composition 56.4% at Cu et 20.83 % at Au interdiffusée au silicium. Tous les cristallites sont orientés le long de la même direction et nous concluons, ainsi, qu’ils croissent épitaxialement sur Si(100) . Cette croissance épitaxiale des cristallites, mais assignée à la phase Cu3Si sur du Si(100) est observée également par N. Benouattas [59] après un traitement thermique de
Fig. III.7 : Spectres RBS expérimentaux et simulés Cu/Au/Si(100) : (a) non recuit et (b) recuit à 200°C 30 m.
Déposées, on ne peut pas utiliser la RBS en mode canalisée pour confirmer la croissance épitaxiale de ces cristallites. Les dendrites claire et sous forme arborescente sont composées de 32.09 % at Cu et 14.61 % at Au interdiffusé au silicium. Le fond gris correspond au silicium du substrat (96.27%at) et faiblement interdiffusé par Cu (1.8%at) et Au (1.93 %at)
Le diagramme diffraction de rayons X, fig.III.2 (c), prouve que seulement la correspondance maximale de réflexion au siliciure de Cu4Si persiste. La disparition de la phase de Cu3Si indique que, à températures élevées, Cu4Si est une phase stable.
Fig. III.8 : Morphologie MEB de Cu/Au/Si(100) (a) échantillon non recuit et (b) échantillon recuit à 400 °C pendant 30 min.
III-4 Discussion :
La diffraction des rayons X montre que dans le système Cu/Au/Si(100) avant traitement thermique , que les grains des couches de cuivre et d’or évaporées sont déposés suivant plusieurs plans de directions différentes, et sont donc caractéristiques d’une structure polycristalline.
Le recuit thermique de ces échantillons Cu/Au/Si(100) a pour conséquence la formation et la croissance des siliciures riches en cuivre Cu3Si et Cu4Si. Ainsi, on peut avancer que la barrière de diffusion constituée par la couche d’or de 1000 A° n’a pu prévenir l’interdiffusion des atomes de cuivre et du silicium.
D’après le tracé des profils RBS, il est très difficile de dire lequel des trois éléments diffuse en premier et qu’elles sont les mécanismes de diffusion qui ont conduit à la formation de ces phases Cu-Si. Tout ce qu'on peut affirmer, par RBS, est que cette interdiffusion a conduit à la formation d'un mélange Cu-Au-Si sur des épaisseurs équivalentes à celles de la somme des couches métalliques évaporées.
Il est rapporté que les atomes de cuivre constituent le diffusant dominant lors de la formation et la croissance des siliciures de cuivre [60]. Ceci est en accord avec la règle qui stipule que lors de la formation des composés (siliciures riches en cuivre), l'atome majoritaire (Cu) diffuse plus rapidement.
D’autre part, il est bien connu que l’or ne peut réagir avec le silicium pour former des composés Au-Si stables, et ce à cause de la faible solubilité limite de Au dans Si. Ainsi lors de l’interdiffusion, les atomes d’or migrent à travers la couche de silicium et forment de faibles précipités. Comme conséquence, les atomes d'or ne peuvent réagir avec le silicium excluant toute formation de siliciure d'or.
Le décalage systématique des pics de diffraction, vers les faibles angles, attribués aux phases siliciures est dû au fait que lors de la réaction, les atomes d'or se sont incrustés dans les couches des composés Cu-Si formées. Ceci a conduit à une dilatation des mailles induisant une augmentation du paramètre cristallin.
Dans le même ordre d'idée, l'or et le cuivre sont connus aussi pour leur grande interdiffusion même à travers des barrières de diffusion constituées de couches de nickel et de palladium, même si aucun composé Au-Cu n’a été rapporté. De ce fait, nous postulons que lors de la réaction, les atomes de cuivre diffusent dans la couche intermédiaire d'or au moment où les liaisons de surface Si-Si du substrat se brisent pour alimenter, par les atomes de silicium, la réaction interfaciale.
Il est rapporté dans de nombreux travaux [61, 59] sur les contacts Cu/Si avec et sans barrière de diffusion que la première phase croissante à l'interface est le siliciure Cu3Si à partir de la température seuil de 170°C et sur le substrat Si(100), en particulier, la réaction peut prendre place même à 125°C [62]. Cependant combien a été notre surprise de voir qu'à 200°C la réaction était totale avec la formation des deux siliciures en même temps.
L'augmentation de la température de recuit à 400°C, montre une plus grande stabilité de la phase Cu4Si par rapport à la phase Cu3Si à haute température. Chin-An-Chang a montré que la réaction d’une couche mince de cuivre avec du silicium a lieu plus rapidement sur Si(100) .Ce résultat a été expliqué en termes de différence de liaisons Si-Si à la surface du substrat. En effet pour Si(100), chaque atome Si en surface est lié à deux atomes de Si de la deuxième couche juste au dessous et de deux liaisons en surface.
L’aspect contrasté des micrographies MEB et la formation de cristallites, parsemés sur un fond constitué de silicium, laissent suggérer que lors de la réaction, le cuivre et l'or ont coalescé. Ces cristallites de Au-Cu formés sont hautement interdiffusés au silicium. Si vers les basses températures, la morphologie en surface est pratiquement homogène et uniforme, à 400°C par contre on enregistre la croissance de cristallites sous forme carré et rectangulaire sur Si(100)). Ces cristallites bien épitaxiés se caractérisent par de dimensions importantes, et sont attribués à Cu4Si sur Si(100) .
III-5 Conclusion :
Dans ce premier sous chapitre, on peut conclure que le traitement thermique de la structure multicouches de Cu/Au/Si(100) , à 200°C, a pour conséquence la formation d’une structure à composition mélangée avec la croissance de riche-siliciures de cuivre de Cu3Si et de Cu4Si. L’augmentation de la température à 400°C mène seulement à la formation de siliciure de Cu4Si avec la croissance de cristallites de formes carrées et rectangulaires bien orientés sur Si(100).