Исследование пористых пленок диоксида кремния

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: suv@ms.tusur.ru

Троян Павел Ефимович

Д-р техн. наук, профессор, зав. каф. физической электроники ТУСУРа Тел.: 8-913-110-22-11 Эл. почта: tpe@ms.tusur.ru

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.