Влияние постоянного электрического поля на процесс осаждения тонких пленок платины методом ионно-плазменного распыления Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.793.184

В. П. Афанасьев, Д. А. Чигирев

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ" Н. С. Пщелко, Н. П. Сидорова

Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет) им. Г. В. Плеханова

I Влияние постоянного электрического поля на процесс осаждения тонких пленок платины методом ионно-плазменного распыления*

Рассмотрено влияние постоянного электрического поля на процесс осаждения тонких пленок платины методом ионно-плазменного распыления и на свойства осажденных пленок. Наличие разности потенциалов между кремниевой подложкой и растущей пленкой платины приводит к значительному изменению ее структуры и увеличению скорости роста. Проведена расчетная оценка втягивающих градиентных электростатических сил, возникающих вследствие неоднородного распределения заряда по плоскости; обсуждено их влияние на скорость роста платиновой пленки.

Пленки платины, морфология поверхности, адгезия

В последнее годы широкое применение в различных изделиях электроники находят тонкие пленки платины [1]-[3], например в качестве электродов тонкопленочных сегнето-электрических конденсаторов для элементов памяти и СВЧ-устройств. К таким электродам предъявляются требования высокой стабильности и химической инертности при температурах формирования перовскитовой фазы оксидных сегнетоэлектриков около 600 °С, хорошей адгезии, слаборазвитого микрорельефа поверхности и др. Традиционный для улучшения адгезии метод использования адгезионных подслоев в этом случае имеет ряд недостатков, таких, как выход на поверхность платиновой пленки адгезионного материала в результате диффузии по межкристаллитным границам, а также увеличение электрического сопротивления пленки [1], [3].

Известно [4]-[6], что повышение адгезии также может быть достигнуто за счет электростатических (пондеромоторных) сил электрического поля, возникающих между телами, имеющими различные электрические потенциалы. Эти силы можно использовать не только при создании электроадгезионного контакта между двумя отдельными материалами, но и при осаждении металлических пленок на диэлектрические подложки. Кроме того, можно ожидать, что наличие потенциала на растущей платиновой пленке отразится на ее свойствах, поскольку приведет к изменению условий формирования.

Методика эксперимента. Схематическое изображение трехэлектродной распылительной системы и конструкция подложкодержателя с цепью подачи смещающего напряжения на пленку приведены на рис. 1. Платиновые пленки осаждались методом ионно-

* Работа выполнена при поддержке АВЦП Минобрнауки "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)", проект 2.1.1/2711.

© Афанасьев В. П., Чигирев Д. А., Пщелко Н. С., Сидорова Н. П., 2010 59

плазменного распыления на установке трех-электродного типа (анод 1, накальный катод 2, электрод мишени 3) с подачей электрического смещения исм на пленку в процессе нанесения. Осаждение платиновых пленок из платиновой мишени 4 проводилось с учетом ранее выполненных исследований [1], [2]. Параметры процесса осаждения и полученных платиновых пленок представлены в таблице. В качестве подложек использовались термически окисленные пла-

Параметр Образец

1 (контрольный) 2 3

Давление рабочего газа (98%Ат + 2%02 ), мм. рт. ст. 5 -10"3

Температура подложки, °С 300

Потенциал мишени, кВ 1.5

Ток анода, А 1

Напряжение смещения Псм, В 0 5

Время осаждения, мин 27 27 13.5

Толщина пленок платины, нм 50 100 50

Скорость осаждения, нм/мин 2.5 5 5

Удельное сопротивление, мкОм • м 0.146 0.258 0.262

стины кремния (100) (рис. 1, 5). Толщина слоя диоксида кремния (рис. 1, 6) составляла

140 нм. В разрабатываемом способе положительный потенциал подавался непосредственно на поверхность подложки приложением напряжения между кремниевой подложкой 5 и заранее нанесенным на оксид кремния контактным пятном 7 диаметром 2 мм, с которым контактировала осаждаемая пленка [4], [5]. Пленка платины осаждалась через свободную маску 8, изолированную изоляторами 9 от подложки и подложкодержателя 10. Температура процесса задавалась резистивным нагревателем 11 и контролировалась термопарой "хромель-алюмель" 12.

Толщина пленок платины определялась на растровом электронном микроскопе FIE Quanta Inspect серии 200 по поперечному срезу, полученному с помощью ионного профилирования поверхности. Электрическое сопротивление измерялось четырехзондовым методом. Рентгенофазовый анализ проведен на установке Shimadzu XRD-6000. Микроструктура и морфология поверхности пленок исследовались методом атомно-силовой микроскопии на микроскопе "Интегра Термо" с диаметром зонда 10 нм.

Экспериментальные результаты. Приложение напряжения 5 В во время осаждения приводило к увеличению скорости роста пленок платины и ее удельного электрического сопротивления. Причем скорость роста увеличивалась примерно в два раза при прочих равных условиях (см. таблицу).

На рис. 2 представлены изображения поверхности пленок платины (рис. 2, а-в) и

профили их шероховатости, полученные методом атомно-силовой микроскопии (рис. 2, г-е) 60

m

Рис. 1

У,

мкм

1.5 1

0.5

1.5 1

0.5

0.5

1.5 ^

мкм

1.5 1

0.5

0.5

1

б

1.5 ^

мкм

0.5

1.5 ^

мкм

К,

мкм 17

12

7

0.5

1

д

Рис. 2

1.5

0.5

1.5 ^

мкм

(размер скана 2*2 мкм, трассы сканирований показаны сплошными линиями на рис. 2, а-в соответственно) для контрольного образца 1 (рис. 2, а, г) и образцов 2 (рис. 2, б, д) и 3 (рис. 2, в, е) (см. таблицу). Пленки, полученные при подаче электрического смещения (образцы 2 и 3), имеют более гладкую поверхность с однородной мелкозернистой структурой по сравнению с контрольным образцом (рис. 2, а). Средний размер зерна у пленок одинаковой толщины составлял 50.. .200 и 50.. .80 нм, средний размер шероховатости поверхности - 16 и 8 нм для контрольного образца и для пленок, полученных с электрическим смещением, соответственно. Морфология пленок толщиной 50 и 100 нм, полученных при приложении электрического поля смещения, почти не различалась.

Рентгенограммы пленок платины толщиной 50 нм (рис. 3: а - образец 1, б - обра- 1 ш зец 3) имеют четыре основных рефлекса, характерных для поликристаллических пленок платины (цифрами на рис. 3, а обозначены группы кристаллографических плоскостей, сформировавших рефлексы). Полученные пленки обладают преимущественной текстурой роста в направлении (111). Однако интенсивность рефлексов пленок платины, полученных со смещением, значительно меньше, чем у контрольного образца.

1000

220 ±

311

30

45

60 а

75

I

500 0

60 б

Рис. 3

0

0

1

г

е

Обсуждение полученных результатов. Известно [5], [6], что воздействие электрического поля на образование адгезионной связи "пленка-подложка" определяется появлением большого механического давления на границе раздела, возникающего вследствие действия электростатических сил. Эти силы могут оказаться значительными из-за некоторых особенностей диэлектрика, в частности его миграционной поляризации. Количественные расчеты показывают, что данное давление может составлять 100.. .200 Па.

Исходя из изложенного, полученный результат можно связать с действием пондеро-моторных сил на начальной стадии осаждения пленок платины, которое сводится к интенсификации процесса зародышеобразования, что, в свою очередь, приводит к формированию пленки с более мелкозернистой структурой, уменьшению влияния толщины пленки на размер кристаллитов и на микрошероховатость поверхности.

Так как образование пленок платины при отсутствии стороннего воздействия приводит к формированию текстуры в направлении (111) [3], можно сделать вывод о наличии в процессе осаждения достаточно мощного силового поля. Данное поле локализовано вблизи поверхности пленки и заставляет атомы садиться на низлежащие слои не в соответствии с естественной преимущественной ориентацией кристаллитов, а более плотно и хаотично. Роль этого поля заключается в обеспечении лучшей когезии адсорбированных атомов и в удержании десорбирущихся атомов, что проявляется в увеличении скорости роста пленки. Соответствующие пондеромоторные силы будут оказывать решающее воздействие на приближающийся атом и заставят его сесть на место с наименьшей энергией, т. е. ближе к средней линии пленки, независимо от ориентации. Изложенное поясняет рис. 4, где изображена схема распределения напряженностей электростатических полей в зазоре между атомами платины и пленкой SiO2 а также в самой диэлектрической пленке. Обозначения на рис. 4 соответствуют рис. 1.

Тянущее действие электростатического поля, создаваемого между пленкой и диэлектрическим слоем, на который она наносится, вполне объясняет полученные экспериментальные результаты. Наблюдавшееся повышение скорости роста пленки при использовании электрического поля приблизительно вдвое объяснить действием этого поля нельзя: поле создается в слое между платиновой пленкой и полупроводником. Даже если допустить, что небольшое поле между распыляемой мишенью и подложкой все же существует, оно, на первый взгляд, не может повлиять на скорость поступления атомов платины на

о

5

6

7

Рис. 4

подложку, так как атомы электронейтральны. Однако эти рассуждения справедливы, только если поле однородно. В действительности, создаваемое поле из-за неоднородного распределения заряда по плоскости также будет неоднородным и на малых расстояниях от заряженной таким образом плоскости оно будет обладать втягивающим действием даже на электронейтральные объекты за счет градиентных сил.

Поясним влияние дискретности распределения электрического заряда на силовое действие электрического поля численными оценками. При расчете силы взаимодействия, обусловленной притяжением зарядов противоположных знаков, распределенных по плоскостям двойного электрического слоя, используется формула плоского конденсатора:

p = а2/( 2£08), (1)

где p - пондеромоторное давление; а - поверхностная плотность зарядов двойного электрического слоя; 8о - электрическая постоянная; в - относительная диэлектрическая проницаемость материала между взаимодействующими слоями. При этом подразумевается, что заряды по плоскостям распределены непрерывно и равномерно. При более строгом подходе очевидно, что такая модель не соответствует действительности, поскольку электрический заряд дискретен (элементарный электрический заряд ql = в = 1.6-Ш"19 Кл) и,

следовательно, электрическое поле системы точечных зарядов, вообще говоря, неоднородно. Модель для расчета пондеромоторного действия электрического поля на основе (1) вполне приемлема в случае, когда расстояние между плоскостями двойного электрического слоя значительно больше расстояний между дискретно расположенными элементарными зарядами. В случае же когда указанные расстояния соизмеримы, должна учитываться неоднородность электрического поля, а полученные по (1) результаты будут неточны.

Учет дискретности распределения заряда позволяет объяснить увеличение скорости роста пленки: атомы платины втягиваются в область более сильного неоднородного поля. В некотором смысле ситуация анологична плоскому конденсатору конечных размеров: большая часть его электрического поля сосредоточена между обкладками и не действует на внешние объекты, однако краевые поля это воздействие оказать могут.

Чтобы количественно оценить влияние указанных и некоторых других эффектов, рассмотрим более подробно движение атома в неоднородном электрическом поле. Воздействие внешнего электрического поля на атом поляризует его, поэтому в качестве достаточного приближения будем считать атом платины в электрическом поле упругим диполем. Электрический диполь с электрическим моментом p во внешнем электростатическом поле напряженностью E испытывает действие силы F ( x, у, z) = p ( x, у, z) grad E ( x, у, z ) или при учете только нормального компонента вектора напряженности

Ж ( г ) = р ( г ) вгаё Е ( г ). (2)

С учетом, что

р2 (г) = 8оа£2 (г) (3)

(а = Ь"а3 - электронная поляризуемость атома платины, причем к «1; га « 1.38 А - поляризационный радиус атома платины), напряженность поля в случае дискретного распределения заряда может быть описана выражением (см. [6])

Ег « [а/(в0лв)] {аг^ (г/а) + [ли/(2г)]}, (4)

где а - среднее расстояние между точечными зарядами, равномерно распределенными по заряженной поверхности.

Из [6] можно оценить погрешность классической формулы для расчета напряженности электрического поля плоского конденсатора. При реальных поверхностных плотностях заряда а на расстоянии г от заряженной плоскости порядка сотен нанометров и менее погрешность классической формулы составляет более 10%, поэтому необходимо учитывать дискретность распределения заряда и пользоваться выражением (4).

Тогда на основе (2)-(4) и принципа суперпозиции получим, что втягивающая сила, действующая на диполь со стороны неоднородного электростатического поля вне пленки диэлектрика толщиной dпл со смещением, определяется выражением

F (г) = 80а [Ег (г) - Ег (г + ^л )]

дЕг (г)

дг

дЕг (г+dпл)

дг

г=г+

(5)

В (5) учтено, что напряженность электрического поля вне диэлектрической пленки определяется разностью напряженностей электрических полей, создаваемых обкладками плоского конденсатора, роль которых играют наносимая платиновая пленка и полупроводник. При равномерном распределении заряда по обкладкам напряженность электрического поля вне конденсатора равна нулю, и поэтому воздействие на наносимые атомы оказываться не будет. С учетом же дискретности распределения заряда и выражения (5) на наносимые атомы действует градиентная сила

F = в0£та3 [а/(ле0е)]2 (агС£ (г/а) + [ла/(2г)]- arctg [(г + йпл)/а]-{ла/[2(г+йпл)]})х х ([а!(г2 + а2 )] - [ла/(2г2 )] - [а/[(г + йпл )2 + а2 ]} + {ла/[2(г+йпл )]}).

В приведенных формулах неизвестной остается минимальное расстояние между соседними зарядами на плоскости а. Определим его. Средняя поверхностная плотность заряда

а = а2 = в/а2. Значение а может быть получено из соотношения и/йпл = а/(б0в), вытекающего из различных способов определения напряженности поля внутри пленочного диэлектрика толщиной йпл. Тогда

4е! >/а йпле/(808и ). (6)

а =

-8

Расчет по (6) для йпл = 140 нм при и = 5 В и в = 3.9 дает а = 1.07-10 м «10 нм, а

значение средней поверхностной плотности заряда составляет

F, Н

исм = 50 В

о = 1.6-10

-19

/(1.0740-8 )2 = 1.4-10-3 Кл/м2.

0.1

1 10 Рис. 5

г, нм

На рис. 5 показана рассчитанная зависимость втягивающей силы F, действующей на атом платины, от расстояния г до плоскости с дискретно распределенным зарядом; для пленки SiO2 толщиной йпл =

г=г

= 140 нм при диэлектрической проницаемости s = 3.9. Как показали результаты расчетов (рис. 5), рассматриваемые силы действуют в очень тонком слое у поверхности формируемой пленки. Представляется, что они создают дополнительный градиент концентрации наносимых атомов, что усиливает их поток к пленке. Эти силы особенно велики у самой поверхности диэлектрической пленки, что уменьшает десорбцию наносимых атомов платины и как следствие увеличивает скорость роста самой платиновой пленки.

В статье описан процесс получения пленок платины методом ионно-плазменного распыления на установке трехэлектродного типа с подачей электрического смещения на пленку при ее нанесении. Показано, что наличие разности потенциалов между кремниевой подложкой и растущей пленкой платины приводит к образованию у последней более мелкозернистой разу-порядоченной структуры и к росту скорости осаждения самой пленки. Полученные результаты связаны с действием градиентных электрических полей на адатомы платины в процессе осаждения пленки платины. Существование градиентных полей является следствием неоднородного распределения заряда по плоскости диэлектрической пленки диоксида кремния.

Список литературы

1. Афанасьев П. В., Коровкина Н. М. Технология формирования платиновых электродов для субмикронных конденсаторных структур с сегнетоэлектрическими пленками ЦТС // Вакуумная техника и технология. 2006. Т. 16. Вып. 3. С. 215-219.

2. Структура и морфология поверхности платиновых пленок на диэлектрических подложках при различных условиях формирования / В. П Афанасьев, С. В. Богачев, А. З. Казак-Казакевич и др. // Письма в ЖТФ. 1995. Т. 21. Вып. 6. С. 1-7.

3. Технология, свойства и применение сегнетоэлектрических пленок и структур на их основе / А. Г. Ал-тынников, В. П. Афанасьев, П. В. Афанасьев и др. СПб.: Изд-во "Элмор". 2007. 248 с.

4. Пщелко Н. С. Чигирев Д. А. Особенности свойств пленок платины при осаждении со смещением // Тр. 65-й науч.-техн. конф., посвященной Дню радио. Санкт-Петербург, 20-27 апреля 2010 г. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2010. С. 283-284.

5. Пщелко Н. С. Использование электрического поля для повышения адгезии электропроводящих пленок к диэлектрическим подложкам при вакуумном нанесении // Вакуумная техника и технология. 2010. Т. 20. Вып. 1. С. 31-36.

6. Пщелко Н. С. Поляризация приповерхностных слоев ионных диэлектриков на границе электроадгезионного контакта с проводником // Цветные металлы. 2005. № 9. С. 44-50.

V. P. Afanasiev, D. A. Chigirev

Saint-Petersburg state electrotechnical university "LETI" N. S. Pshchelko, N. P. Sidorova

Saint-Petersburg state mining institute (technical university) n. a. G. V. Plekhanov

Influencing of a DC electrical field on a precipitation process of thin platinum films by ionic-plasma sputtering method

An influencing of an additional DC electrical field on a precipitation process of thin platinum films obtained by ionic-plasma sputtering method is investigated. It is shown that the application of electric voltage to a film leads to considerable change of a received covering structure and to increase a film growth rate. Gradient involving electrostatic forces resulting from non-uniform charge distribution a plane are quantitatively analyzed, their influence on growth rate of a platinum film is discussed.

Platinum films, surface morphology, adhesion

Статья поступила в редакцию 25 июля 2010 г.