Силицид никеля

Силицид никеля (моносилицид никеля, NiSi) — интерметаллическое бинарное соединение никеля и кремния в мольном соотношении 1:1. В системе Ni–Si существует несколько стабильных силицидов — Ni₃Si, Ni₂Si, Ni₃Si₂, NiSi и NiSi₂; моносилицид NiSi выделяется среди них наименьшим удельным электрическим сопротивлением и наибольшей востребованностью в микроэлектронике.

Физические и химические свойства NiSi

При нормальных условиях NiSi представляет собой кристаллическое вещество серого цвета. Основные физические характеристики приведены в таблице.

NiSi плавится конгруэнтно — без разложения и без изменения состава. В воде не растворяется. Соединение химически и термически стабильно в умеренных условиях; разлагается в плавиковой кислоте и царской водке.

Кристаллическая структура

При атмосферном давлении NiSi кристаллизуется в ромбическую (орторомбическую) сингонию — структурный тип MnP, пространственная группа Pbnm. Параметры элементарной ячейки: a = 5,62 Å, b = 5,18 Å, c = 3,34 Å; плотность упаковки соответствует плотности 5,86 г/см³.

С ростом давления структура последовательно меняется: в области ~12,5 ГПа фиксируется тройная точка фаз MnP/ε-FeSi/расплав, выше которой стабилизируется структура типа ε-FeSi (B20). Кубическая модификация типа CsCl (B2) формируется только при давлениях свыше ~30 ГПа. В технических условиях применения NiSi всегда имеет ромбическую структуру.

Электрофизические характеристики

NiSi обладает наименьшим удельным сопротивлением среди всех силицидов никеля: 10,5–18 мкОм·см — уровень, сравнимый с проводимостью чистого никеля. Для сравнения: у Ni₂Si этот показатель составляет 24–30 мкОм·см, у NiSi₂ — 34–50 мкОм·см. Именно сочетание низкого сопротивления с относительно невысокой температурой формирования определяет применение NiSi в микроэлектронике.

Получение силицида никеля

В промышленности NiSi получают твёрдофазной реакцией стехиометрических количеств никеля и кремния при высокой температуре. Реакция может проводиться методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) или спеканием. В микроэлектронике используют вакуумное осаждение плёнки никеля на кремниевую подложку с последующим отжигом. При толщине плёнки Ni свыше 4 нм фазы формируются последовательно: сначала Ni₂Si (250 °C), затем NiSi (350–750 °C), при дальнейшем подъёме температуры выше ~800 °C — NiSi₂. Переход в NiSi₂ сопровождается ростом сопротивления, поэтому термический бюджет операций после силицидирования строго контролируется.

Дополнительная особенность: тонкие плёнки NiSi начинают агломерировать при температурах около 500 °C, что обусловлено низкой по меркам силицидов точкой плавления (992 °C). Легирование Мо, Re, Ta или W существенно улучшает термическую стабильность плёнки.

Применение силицида никеля

Контактные слои в микроэлектронике

Главная область применения моносилицида никеля — омические контакты к истоку, стоку и затвору МОП-транзисторов в КМОП-микросхемах. По сравнению с предшественниками — TiSi₂ и CoSi₂ — NiSi формируется при более низкой температуре, потребляет меньше кремния подложки и сохраняет низкое сопротивление при уменьшении размеров контактных окон. Кроме транзисторных контактов, NiSi применяется в нанопроводниках и межсоединениях устройств наноэлектроники. Тонкие плёнки на его основе исследуются как чувствительный к температуре резистивный материал для микроболометрических матриц тепловизоров.

Покрытия для жаропрочных сплавов

Слои на основе NiSi и силицидов никеля в целом рассматриваются как функциональные покрытия для никелевых жаропрочных сплавов и нержавеющих сталей: такие покрытия повышают стойкость к высокотемпературному окислению, коррозии и износу. Практическое применение ограничено высокой хрупкостью — характерным недостатком интерметаллидных силицидов. Для снижения хрупкости в состав вводят небольшие добавки Ti, B, Co, Mo или V.

Катализ

NiSi исследуется как катализатор гидрирования ненасыщенных углеводородов. Наночастицы NiSi, нанесённые на носитель из диоксида кремния, предложены как альтернатива пирофорному никелю Ренея — без рисков, связанных с самовоспламенением катализатора на воздухе.

Формы поставки

Силицид никеля NiSi поставляется в виде порошка. Фракционный состав, степень чистоты и условия поставки согласовываются по заявке.

В той же товарной группе интерметаллидных силицидов: силицид лантана, силицид кобальта.