CC BY
108
УДК 62-181.48:539.216.2:546.28-31 П.Е. Троян, Ю.В. Сахаров, С.П. Усов
Исследование свойств пленок пористого диоксида кремния нанометровой толщины
Рассмотрены вопросы синтеза и исследованы свойства пористых нанослоев диоксида кремния, модифицированных углеродом, полученных методом магнетронного распыления.
Ключевые слова: углерод, пористые пленки, диоксид кремния, пробой, диэлектрическая проницаемость.
Введение
Пористые диэлектрические пленки являются перспективным материалом микро-, нано- и оптоэлектроники. Эти материалы используются в светодиодах, фотодетекторах, катодах вакуумной микроэлектроники, биологических имплантатах, в датчиках газов, мембранах. Одним из таких материалов является пористый диоксид кремния. Он имеет большие перспективы для создания датчиков влажности, газовых, химических и биологических сенсоров, а также для других применений. В данной статье рассматриваются вопросы синтеза пористых нанослоев диоксида кремния, модифицированных углеродом, методом магнетронного распыления. Полученные результаты по технологии и свойствам пористых слоев обладают новизной, поскольку получение пористых слоев магнетронным распылением составной мишени ранее не проводилось.
Методика эксперимента
Пористый SiO2 получался методом магнетронного распыления составной мишени (рис. 1) кремний-углерод ^+С) в смеси газов аргон-кислород (АГ+О2) в соотношении 1/10 при давлении в вакуумной камере (6^4)х10-3 мм рт. ст., разрядном напряжении 400 В и значении разрядного тока 200 мА. Количество углерода, вводимого в пленку SiO2, варьировалось путем изменения площади, занимаемой графитовыми дисками на кремниевой мишени, - Sc. Шаг изменения соответствовал одному графитовому диску, что составляло около 6% от зоны распыления кремниевой мишени. Толщина пленки диоксида кремния, модифицированного углеродом ^Ю2+С), составляла 100 нм. Подобная толщина пленки выбрана из соображения «сплошности» и для предотвращения закороток МДМ-структур.
Пористая пленка наносилась на торец молибденового стержня (рис. 2), а в качестве второго (верхнего) электрода напылялась алюминиевая пленка толщиной 100 нм, соединяющаяся гальванически с контактным ободом.
Для количественной характеристики распыляемой составной мишени вводится параметр Sc, равный отношению площади, занимаемой графитовыми дисками, к площади кремниевой мишени.
' 7
6 5
1
С
о- 1 1
+ 1 N $ 1 1 N N
1
I
а б
Рис. 1. Схема магнетронной системы распыления (а) и составной мишени (б): 1 - кремниевая мишень; 2 - магнитная система; 3 - зона распыления; 4 - магнитные силовые линии; 5 - поток распыляемого вещества; 6 - подложка; 7 - подложкодержатель; 8 - графитовые диски
Для исследования ВАХ использовался электрометр В73-42. Емкость и тангенс угла диэлектрических потерь tg5 измерялись с помощью мостового LCR-метрa Е7-20. Исследование электрической прочности осуществлялось при линейно нарастающем напряжении
2
.3
2
с помощью прибора, позволяющего проводить многократный пробой, с фиксацией количества пробоев и напряжения пробоя. Процесс пробоя контролировался визуально с помощью микроскопа ММУ-3У4.2. Схема прибора обеспечивала генерацию линейно нарастающего напряжения от 1 до 250 В с коэффициентом нелинейности ниже 1% и скоростью 0,1-100 В/с. При достижении заданной величины порогового сквозного тока Iо через образец срабатывало реле, отключающее внешнее напряжение и закорачивающее диэлектрик для устранения внутренних остаточных полей. Через фиксированное время от 10-2 до 10 с цикл повторяется вновь. На приборе установлен счетчик, регистрирующий число пробоев МДМ-структуры.
Рис. 2. Схематическое изображение подложки типа «керн»: 1 - молибденовый стержень, 2 - металлический обод, 3 - стекло
Результаты эксперимента
На рис. 3 представлены фотографии поверхности пленок диоксида кремния (а) и диоксида кремния, модифицированного углеродом (б, в) для образцов, полученных распылением составной мишени с различным содержанием графитовых дисков. Видно что по сравнению с пленками SiO2 поверхность пленок SiO2+С имеет очень развитую поверхность (рис. 3, б, в). Причем степень пористости и рельеф поверхности зависят от количества углерода. Наиболее вероятная причина формирования пор и развитой поверхности может быть связана с протеканием химических реакций углерода с кислородом на подложке на стадии формирования диэлектрической пленки:
С+02=С02Т 2С+02=2С0Т.
Возможно также протекание реакции:
SЮ2+C=Si+CO2t,
поскольку углерод обладает большей восстановительной способностью.
Вследствие протекания указанных реакций газовая компонента покидает пленку SiO2, разрыхляя ее и формируя в ней сквозные поры и поры с газовыми включениями и приводя к появлению несвязанного кремния. Причем количество и размер газосодержащих пор зависят от площади, занимаемой графитовыми дисками на кремниевой мишени (8С).
0,5 мкм
Рис. 3. Микрофотографии поверхностей пленок SЮ2+C при различных значениях а - SiO2; б - при = 48 %; в - при = 80%
1
На рис. 4 изображены ВАХ образцов Мо^Ю2+С-А1 с различным количеством углерода, введенного в пленку диэлектрика, в координатах 1п I - К1!2.
Анализируя полученные зависимости, можно сказать, что ВАХ образцов Мо^Ю2+С-А1 в координатах 1п I - Е1/2 достаточно хорошо укладываются в прямую линию, что свидетельствует о возможности проводимости диэлектрика за счет механизма Пула - Френкеля или Шоттки. Причем, как видно из рис. 4, угол наклона прямых меняется с увеличением количества углерода, введенного в пленку диэлектрика. Угол наклона меняется от значения 1,3х10-5, у образцов без примеси углерода ($с=0%) до 3,2х10-5 у образцов с $с=84%. Теоретически рассчитанная величина постоянной Пула-Френкеля, с использованием в расчетах низкочастотной величины диэлектрической проницаемости, составила Р=3,5х10-5. Заметное изменение угла наклона прямых произошло при =48%,
от значения 1,39х10-5 до 2,6х10-5, и затем постепенно менялось до значения 3,2х10-5. Подобный факт можно интерпретировать как возможную смену механизма проводимости структур мо^ю2+с-а1 с шоттковского на механизм Пула-Френкеля. Однако для подтверждения этого были
проведены исследования зависимости проводимости от полярности приложенного напряжения.
Рис. 4. ВАХ структур мо-8ю2+с-а1 в координатах 1п! - Е1/2 с различным количеством углерода в пленке диэлектрика
Исследования влияния полярности приложенного напряжения показали, что сильная зависимость от полярности приложенного напряжения наблюдается у образцов мо^ю2+с-а1 с малым количеством углерода, введенного в пленку диэлектрика (5С<24%), при этом разница в сквозных токах (при различных полярностях) достигала величины более порядка. Как правило, большие сквозные токи наблюдались при отрицательном потенциале на верхнем электроде. По мере увеличения Sc разница в сквозных токах уменьшалась, совсем исчезая при Sc>60%. Подобное поведение структур Мо-SiO2+C-Al еще раз доказывает смену механизма проводимости с увеличением количества углерода, введенного в пленку диэлектрика. Таким образом, в структурах Мо^Ю2+С-А1 с Sc<48% преобладает проводимость по механизму Шоттки, а при больших количествах углерода, введенного в пленку диэлектрика ^с>48Уо), наблюдается проводимость по механизму Пула-Френкеля.
Исследование ВАХ структур Мо^Ю2+С-А1 показало значительное увеличение проводимости при увеличении количества углерода, введенного в пленку диэлектрика, во всем диапазоне напряжений.
Из рис. 5 следует, что значительное влияние на проводимость оказывает введение углерода в пленку, когда Sc меняется от 24 до 60%, далее прирост снижается.
Рис. 5. Зависимость проводимости структур мо-8ю2+с-а! от при напряжении 10 В
Увеличение проводимости образцов Мо^Ю2+С-А1 при увеличении количества углерода в пленке диэлектрика, свидетельствует о присутствии проводящей компоненты в диэлектрике. Это может быть как сам углерод, так и свободный кремний.
Оценка диэлектрической проницаемости е по измерению емкости конденсаторной структуры показала уменьшение диэлектрической проницаемости пленки SiO2+C и увеличение тангенса диэлектрических потерь с ростом Sc (рис. 6).
Рост тангенса угла диэлектрических потерь вполне очевиден, поскольку с ростом Sc увеличивается проводимость структур мо^Ю2+с-а1. Возможно, что снижение е может быть вызвано увеличением в диэлектрической пленке SiO2+C компонент, у которых е значительно ниже, чем у SiO2. Подобной величиной е обладают только органические материалы и газы. Присутствие в диэлектрической пленке SiO2+C органических материалов невозможно, поэтому единственным разумным предположением остается присутствие в диэлектрической пленке газовых пор и включений, что хорошо согласуется с увеличением пористости пленок с ростом Sc.
В подавляющем большинстве случаев пробой диэлектрической пленки SiO2 на воздухе начинается в дефектных местах или областях с повышенной напряженностью электрического поля. При этом происходит точечное свечение в локальных участках. Усреднен-
ное по 10 образцам значение электрической прочности диэлектрической пленки составляет 1,7х106 В/см по величине первого пробоя. С ростом числа пробоев электрическая прочность увеличивается, возникает упрочнение диэлектрической пленки посредством «самозалечивающего» пробоя в дефектных участках. После 100 последовательных пробоев электрическая прочность увеличилась до 2,9х106 В/см.
При пробое в масле наблюдается образование мелких пузырьков, медленно всплывающих на поверхность.
Фотографии поверхности, сделанные через оптический микроскоп после 200 пробоев, показали наличие отдельных точек и пятен, которые при большом увеличении представляют собой кратеры с выгоревшим в этих местах электродом (рис. 7).
Рис. 6. Зависимость относительной диэлектрической Рис. 7. Фотографии поверхности
проницаемости и тангенса угла диэлектрических по- структуры Мо-8Ю2-А1 после
терь пленки 8Ю2+С с различным £с 200 пробоев на воздухе
Резюмируя полученные результаты, можно сказать, что в структурах Мо-8Ю2-А1 (без примеси углерода в рабочем диэлектрике) наблюдается классический пробой диэлектрика, характерный для большинства аморфных пленок [1].
Пробой в структурах Мо-БЮ2+С-А1 также происходит преимущественно по точечным дефектам. Развитие пробоя в структуре с большим количеством введенного углерода в пленку диэлектрика (£с=84%) происходило одновременно в нескольких местах и сопровождалось сильным искрением с последующим выгоранием верхнего электрода в местах пробоя. При более детальном рассмотрении процесса пробоя с использованием микроскопа можно увидеть достаточно сильное свечение под пленкой верхнего электрода перед развитием пробоя. Среднее значение электрической прочности для структур Мо-БЮ2+С-А1 с
Бс = 84% составляет порядка
¿с
4х105 В/см, причем с ростом числа пробоев это значение сильно возрастало, достигая значения 1,7х106 В/см после 100 последовательных пробоев (рис. 8).
Рис. 8. Зависимость электрической прочности пленок 8Ю2+С от
О 10 20 30 40 50 60 70 80 % При пробое в масле наблюдается образование довольно крупных воздушных пузырей, быстро всплывающих на поверхность.
Фотографии поверхности, сделанные через оптический микроскоп после 200 пробоев, показали наличие значительного разрушения материала верхнего электрода, которое при большом увеличении представляет собой цепочки кратеров (рис. 9).
Подобный вид пробоя наблюдается в диэлектриках с большой степенью дефектности [1]. Рождение лавины в таких диэлектриках начинается в некоторой точке с повышенной
Таким образом, характер пробоя пленок 8102 и пленок 8102+С существенно различается. Анализируя предыдущие эксперименты, можно предположить, что в диэлектрике 8102+С помимо структурных дефектов, определяющих неоднородности распределения электрического поля, присутствуют области неполного окисления кремния или деформированных связей 81=0, которые, обладая повышенной электропроводностью, стимулируют рождение лавины, являясь одновременно каналами ионизации [1]. Большая плотность дефектов пленок 8102+С способствует образованию большой плотности лавин, и, как следствие, это приводит к многочисленным пробоям и снижению электрической прочности по первому пробою. Однако после определенного числа пробоев электрическая прочность пленок 8102+С становится близкой к прочности пленок 8102.
Учитывая, что при многократном пробое происходит выбивание слабых мест [2], можно говорить о том, что пробой пленок 8102+С происходит по дефектам в виде пор.
Заключение
Анализ полученных результатов позволяет говорить о том, что модификация пленок 8102 путем введения углерода приводит к значительному изменению электрических характеристик пленок 8102. Причем это влияние довольно сильно проявляется при количестве графита в мишени от 24 до 60%.
Литература
1. Корзо В.Ф. Диэлектрические пленки в микроэлектронике / В.Ф. Корзо, В.Н. Черняев. - М.: Энергия, 1977. - 368 с.
2. Воробьев Г.А. Пробой тонких диэлектрических пленок / Г.А. Воробьев, В.А. Му-хачев. - М.: Сов. радио, 1977. - 72 с.
Троян Павел Ефимович
Д-р техн. наук, профессор, зав. каф. физической электроники ТУСУРа
Тел.: 41-39-36
Эл. почта: tpe@ms.tusur.ru
Сахаров Юрий Владимирович
Канд. техн. наук, доцент каф. физической электроники ТУСУРа
Тел.: 8-923-408-06-76
Эл. почта: suv@ms.tusur.ru
Усов Сергей Петрович
Аспирант каф. физической электроники ТУСУРа Тел.: 8-923-215-55-05 Эл. почта: ser-u@mail.ru
Troyan P.E., Sakharov Y.V., Usov S.P.
Investigation of the properties of thin films porous silicon dioxide of nanometer thickness
The problems of synthesis and the properties of porous silicon dioxide nanolayers, modified with the carbon by magnetron sputtering , are investigated.
Keywords: carbon, porous films, silicon dioxide, disruption, permittivity.
локальной напряженностью электрического поля, затем она может переходить в стримерный разряд по границе с анодом, отсюда сильное свечение, наблюдаемое под пленкой верхнего электрода в местах пробоя. Такой стример может состоять из большого числа страз, аналогичных разрядам в газах [1]. Разрастание страз может происходить и при прохождении лавины через газовые поры в диэлектрике.
Рис. 9. Фотографии поверхности структуры Мо-8102+С-А1 с £с=84% после 200 пробоев на воздухе
200 мкм
