Siliciuri: preparazione

I siliciuri sono composti binari intermetallici costituiti da silicio legato a un metallo o un semimetallo. Questi sono composti non stechiometrici con grandi densità di carrier liberi, che conferiscono loro elevata conducibilità.

Gli studi relativi ai siliciuri si sono concentrati sull’indagine di proprietà fondamentali come resistività elettrica, stabilità alle alte temperature e resistenza alla corrosione, nonché sulla chimica dei cristalli di siliciuro e sui diagrammi di fase metallo-silicio. La possibilità di utilizzare i siliciuri come conduttori  nei circuiti integrati di silicio ha motivato la ricerca sui siliciuri a film sottile. Film sottili di siliciuro metallico sono infatti parti integranti di tutti i dispositivi microelettronici.

I siliciuri metallici sono utilizzati in microelettronica per ridurre la resistenza di contatto tra il silicio drogato e le linee di contatto metalliche.

Preparazione  dei siliciuri

Sono ottenuti mediante diffusione reattiva tra un film sottile di metallo o lega metallica e il substrato di silicio. Le reazioni interfacciali dei film sottili di metallo con il silicio coinvolgono il film di metallo policristallino che reagisce con il silicio monocristallino. Il substrato è legato in modo covalente e il film sottile è metallico. Di conseguenza, la microstruttura del film di siliciuro e l’orientamento del substrato possono svolgere un ruolo importante nell’influenzare la reazione.

Metalli alcalini

I siliciuri di metalli alcalini sono materiali che forniscono vantaggi termici e chimici. Sono sostanze chimiche ad alta densità di energia che generano calore, idrogeno e un silicato alcalino dopo la reazione con l’acqua. Ad esempio il siliciuro di sodio reagisce con l’acqua per produrre idrogeno secondo la reazione esotermica:
2 NaSi + 5 H ₂ O → 5 H ₂ + Na ₂ Si ₂ O ₅

Metalli alcalino-terrosi

I siliciuri di metalli alcalino-terrosi sono semiconduttori di tipo n e hanno potenziali applicazioni nei generatori termoelettrici. Il siliciuro di magnesio reagisce con gli acidi come acido cloridrico e acido solforico per dare silano.

Metalli di transizione

I siliciuri di metalli di transizione sono tipicamente composti intermetallici. Sono importanti nella microelettronica e nella ceramica a causa della loro buona conduttività elettrica, elevata inerzia chimica e stabilità termica. Sono costituenti di sistemi catalitici per una varietà di applicazioni a causa delle loro specifiche strutture cristalline ed elettroniche diverse da quelle dei loro metalli componenti.

Il siliciuro di titanio è uno dei primi siliciuri considerati per l’applicazione nei circuiti integrati su larga scala. Esso presenta alta conduttività, alta selettività, buona stabilità termica, buon assorbimento al silicio, buona adattabilità al processo e bassa interferenza con i parametri di connessione del silicio. Pertanto, nei dispositivi a circuito integrato, il siliciuro di titanio è ampiamente utilizzato nei semiconduttori a ossido di metallo (MOS), nei transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET)

Film sottili di siliciuro nella microelettronica

In generale, i siliciuri dei metalli di transizione, sono buoni conduttori elettrici con resistività paragonabili a quelle dei metalli e delle leghe metalliche. Pertanto, possono essere utilizzati come film sottili conduttori nei circuiti integrati di silicio

Questi siliciuri trovano applicazioni come nelle barriere Schottky dal nome del fisico tedesco Walter Schottky, barriera di potenziale formate da una giunzione metallo-semiconduttore che possiede caratteristiche rettificanti, adatta ad essere usata come diodo, contatti ohmici e conduttori epitassiali in eterostrutture . In generale, dopo la deposizione di una pellicola metallica su un substrato di silicio, viene utilizzato un trattamento termico per formare il siliciuro all’interfaccia metallo-silicio.

La lavorazione dei circuiti integrati prevede un gran numero di fasi che espongono i materiali a sostanze chimiche umide e secche, a pellicole sottostanti, sovrastanti e circostanti e a temperature di processo elevate pertanto questi siliciuri devono essere stabili durante queste fasi del processo e successivamente durante l’uso effettivo del dispositivo quando vengono imposte grandi polarizzazioni e correnti elettriche.