Исследование пористых пленок диоксида кремния Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.216.2

Ю.В. Сахаров, П.Е. Троян

Исследование пористых пленок диоксида кремния

Исследованы электрофизические свойства пористых пленок диоксида кремния, полученных магнетронным распылением составной мишени.

Ключевые слова: диоксид кремния; углерод; модифицированный углеродом диоксид кремния; магнетрон.

Твёрдые материалы с низкими значениями диэлектрической проницаемости перспективны для применения в наноэлектронике [1]. Использование этих материалов в качестве изоляционных прослоек в наносхемах позволяет заметно повышать скорость распространения электрических сигналов и снижать диэлектрические потери. Низкие значения диэлектрической проницаемости обычно получаются внедрением в твёрдые диэлектрические материалы воздуха в виде пор. Механическая прочность материала чаще всего достигается путём пространственного упорядочения таких пор.

Целью настоящей работы является сообщение об открытии принципиально новой технологии получения пористых пленок диоксида кремния и электрофизических свойствах получаемых пленок (патент РФ на изобретение №2439743 «Способ получения пористого диоксида кремния» кл. МПК Н01Ь 21/316 от 11.05.2010 г.). Отличительной особенностью новой технологии является применение нового подхода к формированию пористых пленочных диэлектриков - модификация их путем введения углерода. В качестве основы разрабатываемой технологии предлагаются вакуумные методы получения диэлектрических пленок диоксида кремния путем распыления составной кремниевой-углеродной мишени сформулированным ионным пучком или в плазме магнетронного разреза в среде рабочего газа.

Разработанный и запатентованный нами способ получения пористого БЮ2 заключается в использовании магнетронного распыления составной мишени (рис. 1) кремний-углерод (Бі+С) с соотношением площадей, занимаемых на мишени кремнием и графитом от 80/20 до 20/80 в смеси газов аргон-кислород (Лг+02) в соотношении 1/10 при давлении в вакуумной камере (6^4)х10-3 мм рт. ст., при разрядном напряжении 400 В, значении разрядного тока 200 мА. Толщина пленки диоксида кремния, модифицированного углеродом (Бі02М), составляла 100 нм. Подобная толщина пленки выбрана из соображения «сплошности» и для предотвращения закороток МДМ-структур. Для исследования электрических параметров получаемых пленок использовалась структура металл-диэлектрик-металл (МДМ) нанесенная на стеклянные подложки. В качестве нижнего и верхнего электродов использовались пленки алюминия толщиной 100 нм. Для количественной характеристики распыляемой составной мишени вводится параметр 5С, равный отношению площади, занимаемой графитовыми дисками к площади кремниевой мишени.

Рис. 1. Схема магнетронной системы распыления составной мишени: 1 - кремниевая мишень;

2 - магнитная система; 3 - зона распыления; 4 - магнитные силовые линии; 5 - поток распыляемого вещества; 6 - подложка; 7 - подложкодержатель; 8 - графитовые диски

8

3

В рассматриваемой работе представлено описание проведенных исследований и полученные результаты:

- по зависимости относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь пленки БЮ2М от 5с;

- по влиянию £с на электропроводность, вольт-амперные характеристики (ВАХ) и электрическую прочность структур А1-БЮ2м-А1;

- по влиянию Sc на пористость диэлектрической пленки БЮ2м

Зависимость относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь пленки 8Ю2м с различным Sc. Исследования емкости МДМ-структур А1-БЮ2м-А1

показало уменьшение относительной диэлектрической проницаемости пленки БЮ2м и увеличение тангенса угла диэлектрических потерь с ростом 8с (рис. 2).

25 tg5x10-3 20

15

10

Рис. 2. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь пленки 8Ю2+С с различным Бс

Уменьшение диэлектрической проницаемости может быть связано с появлением в диэлектрике сквозных пор и газовых включений, а увеличение тангенса угла диэлектрических потерь может быть обусловлено увеличением электропроводности диэлектрических пленок за счет появления несвязанного кремния в пленке.

0 4 8 12 и В 16

1,Е-04 1,Е-06 1,Е-08 1,Е-10 I, А 1,Е-12

-&=0%

-&:=36%

Бс=12%>

8с=48%

-Бс=18%о

-Бс=60%

■Бх=24%о

-&=84%о

Вольт-амперные характеристики и электропроводность структур А1-8і02м-А1 с различным З1,, Исследование ВАХ структур Мо-Бі02М-А1 показало значительное увеличение проводимости при увеличении количества углерода, введенного в пленку рабочего диэлектрика £с>24% (рис. 3, 4).

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики структур А1-Бі02м-А1 с различным $с

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Рис. 4. Зависимость проводимости структур А1-8Ю2м-А1 от Бс при постоянном напряжении на структуре 10 В

к

5

0

ВАХ структур А1-БЮ2М-А1 в координатах 1п I - Е1'- достаточно хорошо укладываются в прямую линию, что свидетельствует о возможности проводимости диэлектрика за счет механизма Пула-Френкеля или Шоттки. Более детальное определение тангенса угла наклона ВАХ в координатах 1п I - Е1/2 позволил выявить, что при 24% < БС < 48% происходит смена механизма электропроводности с шоттковского на механизм Пула-Френкеля.

Исследования влияния полярности приложенного напряжения показали, что сильная зависимость от полярности приложенного напряжения наблюдается у образцов А1-БЮ2М-А1 с малым количеством углерода, введенного в пленку рабочего диэлектрика (5С < 24%), при этом разница в сквозных токах (при различных полярностях) достигала величины более порядка. По мере увеличения 8С разница в сквозных токах уменьшалась, совсем исчезая при 8С > 60%.

Таким образом, в структурах А1-БЮ2М-А1 с 8С < 48% преобладает проводимость по механизму Шоттки, а при больших количествах углерода, введенного в пленку рабочего диэлектрика $>48%, наблюдается проводимость по механизму Пула-Френкеля.

Исследование пористости диэлектрической пленки 8і02м. Исследование пористости диэлектрической пленки БЮ2м методом электрохимического высаживания меди показало значительное увеличение количества сквозных пор с увеличением 5С. Причем значительно возрастает число мелких пор, с эффективным диаметром 2-5 мкм, чем крупных, с диаметром 10-15 мкм (этот размер носит лишь качественный характер, поскольку при высаживании меди поры визуально укрупняются) (рис. 5).

Для выявления пористости диэлектрика, а также для оценки размера и распределения пор были проведены микроскопические исследования поверхности пленки Бі02м (рис. 6).

Анализируя полученные микрофотографии (см. рис. 6), можно сказать, что введение углерода в рабочий диэлектрик приводит к увеличению его пористости и появлению газовых включений, в результате чего получается диэлектрик с очень рыхлой пористой структурой. Простейшая оценка доли, занимаемой порами, показывает, что поры могут занимать от 30 до 70% (эти области выделены пунктирным белым прямоугольником).

■7І/2

Рис. 6. Микрофотографии поверхности диэлектрика: а - БЮ2м с $ = 84%; б - БЮ2.

1 - до травления диэлектрика;

2 - после «стравливания» диэлектрика толщиной 20 нм

Рис. 5. Зависимость плотности сквозных пор N в диэлектрической пленке БЮ2м от

2

б

а

Исследование электрической прочности структур Al-SiO2M-Al с различным Sc. Данные, полученные по пробою и электрической прочности структур Mo-SiO2M-Al, показывают, что электрическая прочность структур Al-SiO2M-Al снижается при увеличении Sc (рис. 7). При этом пробой в структурах Mo-SiO2 -Al при низком значении Sc < 36% происходит преимущественно по точечным дефектам. Развитие пробоя в структуре с большим количеством введенного углерода в пленку диэлектрика (Sc = 80%) происходило одновременно в нескольких местах и сопровождалось сильным искрением с последующим выгоранием верхнего электрода в местах пробоя. При более детальном рассмотрении можно увидеть достаточно сильное свечение под пленкой верхнего электрода перед развитием пробоя. Среднее значение электрической прочности порядка 4х105 В/см, причем с ростом числа пробоев это значение сильно возрастало, достигая значения 2х106 В/см после 100 последовательных пробоев.

Анализ полученных данных. Анализируя полученные данные, можно сказать, что введение углерода в пленку диэлектрика SiO2 приводит к формированию рыхлой неупорядоченной структуры диэлектрика, содержащей большое число сквозных пор и газовых включений. При этом увеличивается его электропроводность, а также тангенс угла диэлектрических потерь. Причина этих изменений кроется в протекании химической реакции между кислородом и углеродом, приводящей к образованию

летучего соединения СО или СО2, которое покидает пленку диэлектрика, приводя к образованию сквозных пор и газовых включений, а также областей неполного окисления кремния.

Работа выполнена при финансовой поддержке фонда РФФИ, номер проекта 11-08-98056-р_сибирь_а.

Литература

1. Low dielectric constant materials for microelectronics / К. Маех, M.R. Baklanov, D Shamiryan et al. // J. Appl. Phys. - 2003. - Vol. 93. - P. 8793.

Е

Sc, %

Рис. 7. Зависимость электрической прочности структур Mo-SiO2M-Al от Sc

Сахаров Юрий Владимирович

Канд. техн. наук, доцент каф. физической электроники ТУСУРа

Тел.: 8-923-408-06-76

Эл. почта: [email protected]

Троян Павел Ефимович

Д-р техн. наук, профессор, зав. каф. физической электроники ТУСУРа Тел.: 8-913-110-22-11 Эл. почта: [email protected]

Saharov Y.V., Troyan P.E.

Research of silicon dioxide porous films

We investigate the electrophysical properties of silicon dioxide porous films, received by means of magnetron dispersion of a compound target.

Keywords: silicon dioxide; carbon; dioxide of silicon modified by carbon; magnetron.