Електрофізичні властивості та кристалічна структура плівок алюмінію

Сумський державний університет

Електрофізичні властивості та кристалічна структура плівок алюмінію

А.Г. Басов, здобувач;

А.О. Степаненко, асп.;

А.М. Чорноус, канд. фіз.-мат. наук

Проведено дослідження структурних характеристик і електрофізичних властивостей плівок алюмінію в інтервалі товщин 20-150 нм, отриманих при температурі підкладки 300 К та пройшовши термообробку до 870К. Показано, що при температурі 82010 К спостерігається різке збільшення питомого електричного опору, ступінь якого залежить від товщини плівок. Здійснено розрахунок параметрів електроперенесення за лінеарізованою та ізотропною моделями Ательє, Тоссе і Пішар.

Вступ

Плівки алюмінію знайшли достатньо широке використання у мікроелектронних технологіях. Зокрема, при виготовленні тонкоплівкових провідників, контактних площадок, обкладок конденсаторів та ін. [1 - 3]. Необхідно відмітити, що останнім часом ведуться дослідження ряду властивостей тонких плівок алюмінію, оскільки відкриваються нові перспективи у використанні цього матеріалу в різних галузях мікро-, опто- і наноелектроніки. Це обумовлено рядом переваг алюмінію над іншими матеріалами: він створює низькоомні контакти з кремнієм, не вступає у хімічну взаємодію з більшістю матеріалів мікроелектроніки, радіаційно стійкий. Поряд з цим алюміній має ряд недоліків, що зумовлює постійний пошук альтернативних йому матеріалів [2 - 4]. У такій ролі можуть бути використані багатокомпонентні плівкові системи, наприклад, на основі алюмінію та титану і нікелю [2, 5 - 7]. Названі матеріали можуть являти самостійну цінність, оскільки за певних умов термообробки в них можливе утворення нанокристалічних інтерметалідів [8] з унікальними властивостями. Поряд з цим для коректного аналізу результатів дослідження електрофізичних властивостей багатошарових плівок та сплавів на основі Al та Ti і Ni необхідно мати інформацію про ряд характеристик одношарових плівок алюмінію, що і визначило мету роботи. Вона полягає у встановленні загальних закономірностей температурно-розмірних залежностей для структури і електрофізичних властивостей тонких плівок алюмінію.

Плівки алюмінію були отримані методом термовакуумного осадження з вольфрамового випарника у робочих об'ємах вакуумних установок ВУП-5М і ВУП-4 (тиск залишкових газів ~ 10^-3 Па). Конденсація відбувалася зі швидкістю щ=1 нм/с. Температура підкладки становила Т_П=300 К. Як підкладик для дослідження електрофізичних властивостей використовувалися пластинки ситалу розміром 10?15 мм. Для дослідження структурних характеристик - NaCl і плівки вуглецю. У першому випадку на підкладці попередньо було виготовлено контактні площадки зі структурою: Al(200 нм)/Al(50 нм)/Cr(15 нм)/П (П - підкладка). Підшар хрому забезпечував добру адгезію до підкладки, а шари алюмінію - низький опір контакту. Верхній шар алюмінію товщиною 200 нм мав ширину меншу, ніж два попередні, та використовувався для приєднання зовнішніх виводів. Конденсація плівок здійснювалася через маску (розмір вікна 10?1,5 мм) з нержавіючої немагнітної сталі, що була ізольованою від підкладки за допомогою кераміки. Електричний опір вимірювали за двоточковою схемою з застосуванням срібних прижимних зондів. Точність вимірювання опору цифровим вольтметром В7-38 складала ±0,01 Ом. Товщину зразків визначали за допомогою інтерферометра МІІ-4. З метою термостабілізації електрофізичних властивостей плівок і одержання їх температурної залежності проводилась термообробка протягом трьох циклів "нагрівання-охолодження". Точність вимірювання температури хромель-алюмелевою термопарою забезпечували цифровим мультиметром АРРА-109 у межах ±0,1 К. На першому і другому циклах плівки відпалювали до температури 700 К. Третій цикл - відпалювання здійснювали до температури 870 К, оскільки при більших температурах можливе плавлення алюмінієвої плівки. Дослідження фазового складу і кристалічної структури плівок проводили методом електронографії і просвічувальної електронної мікроскопії (прилад ПЕМ-125К).

Фазовий склад та кристалічна структура

Рисунок 1 ілюструє типові електронографічні картини від плівок алюмінію і відповідну їм кристалічну структуру. Аналіз результатів цих досліджень показав наступне. Плівки алюмінію у свіжосконденсованому стані є однофазними. Після відпалювання при температурі Т_в= 700 К відбувається лише рекристалізація зразків. На електронограмі від плівок, що пройшли термообробку до Т_в= 870 К, поряд з лініями від ГЦК-Al фіксуємо точкові рефлекси від кристалічних площин оксиду Al₂O₃, утворення якого відбувається в наслідок взаємодії з залишковою атмосферою.

Про величину середнього розміру зерен (L), отриману при обробці результатів електронно-мікроскопічних досліджень плівок, можна судити з даних, що наведені на рисунку 2. Як випливає з цих результатів, значення L для плівок алюмінію залежить від їх товщини в інтервалі 20 - 150 нм.

Поряд з цим збільшення температури відпалювання від 700 до 870 К призводить до подальшої рекристалізації з укрупненням зерен.

Рисунок 1 - Електронограми від плівки Al товщиною d=33 нм та відповідна їм кристалічна структура. Т_в, К: 300 (а, б); 700 (б, г); 870 (д, е)

Рисунок 2 - Залежність середнього розміру кристалітів від товщини плівок Al. Температура відпалювання (К): 300 (?), 700 (?), 870 (^)

Температурна залежність електрофізичних властивостей

На рисунку 3 наведено типові температурні залежності питомого опору (с) протягом трьох циклів термообробки. При нагріванні першого циклу залежність має три характерні ділянки. В інтервалі температур 300 - 360 К спостерігається збільшенням питомого опору із зростанням температури. Від 360 до 450 К має місце зменшення опору, що свідчить про залікування дефектів кристалічної будови у свіжосконденсованих плівках [9, 10]. На ділянці 450 - 700 К залежність має металевий характер. Залежність с(Т), яка відповідає другому циклу, має характер, близький до лінійного. Потрібно відмітити, що значення опору плівок при нагріванні та охолодженні збігається в межах похибки експерименту. Це свідчить про стабілізацію електрофізичних властивостей вже після другого циклу термообробки.

Рисунок 3 - Температурна залежність питомого опору плівки Al товщиною d=43 нм; ?, _ - І цикл; ¦, ? - ІІ цикл; ^, Д - ІІІ цикл (темні - нагрівання, світлі - охолодження)

На залежності с(Т) третього циклу термообробки при температурах, більших за Т=820 К, відбувається різке зростання опору, що пояснюється активізацією процесів окислення плівки при взаємодії із газами залишкової атмосфери у робочому об`ємі вакуумної установки. Температура початку окислення фактично не залежить від товщини плівки. У той час як відносна зміна питомого опору (Дс/с) за рахунок твердофазних реакцій є розмірозалежною (рис. 4). При товщинах плівок алюмінію, більших за 100 нм, Дс/с?0, що пов'язано з меншим ступенем окислення таких зразків. Шунтуюча дія алюмінію по відношенню до незначної концентрації діелектричного оксиду проявляється сильніше. При охолодженні температурна залежність питомого опору має близький до лінійного металевий характер (рис. 3), що свідчить про домінантний вплив металу та низьку концентрацію оксиду.

Рисунок 4 - Розмірна залежність відносного збільшення питомого опору за рахунок окислення плівок Al

Розрахунок параметрів електроперенесення

Розмірну залежність ТКО, розраховану з використанням кривої охолодження другого циклу, ілюструє рисунок 5а. Ці дані були використані при розрахунку таких параметрів електроперенесення, як середня довжина вільного пробігу носіїв струму в об'ємі зразка (СДВП), ефективний параметр дзеркальності зовнішніх поверхонь (р), коефіцієнти розсіювання (R) та проходження (r) межі зерна. Для цього використовували співвідношення лінеаризованої та ізотропної моделей Тельє, Тоссе і Пішара [11, 12].

У рамках лінеаризованої моделі вираз для ТКО має такий вигляд:

, (1)

де ; - СДВП; H(б) - функція, що пов'язана з зерномежовим розсіюванням електронів; б = R/(L(1-R)) - параметр розсіювання електронів на межі зерна.

Основні співвідношення ізотропної моделі є такими:

, (2)

, (3)

, (4)

де в₀ - ТКО масивного зразка.

Методика визначення параметрів електроперенесення за зазначеними моделями детально розглянута в роботі [13]. При розрахунках залежність в(d) (рис. 6а) перебудовувалась у координатах вd(d) (рис. 6б) та в^-1d(d) (рис. 6в) відповідно до співвідношень (1) і (2).

Рисунок 5 - Розмірні залежності в (а), вd (б) і в^-1d (в) для плівок Al

Використання лінеаризованої моделі дало можливість визначити в_? = 2,7110^-3 К^-1 (в₀ = 4,2610^-3 К^-1 [14]) та л(1-р) = 80 нм. У рамках ізотропної моделі було отримано: р=0,14, R=(0,09 - 0,30) і r=(0,90 - 0,65). Інтервал значень для R та r обумовлений розмірною залежністю L. Порівнюючи отримані нами результати про величину параметрів електроперенесення та літературні дані (див., наприклад, [15]) для металевих плівок з різним ступенем дисперсності, можна відмітити якісне та кількісне узгодження за порядком величини. Наприклад, для моноблочних крупнодисперсних плівок міді л(1-р) = 83 нм, R=0,05, r=0,93 і р=0,14 [15].

Висновки

Висновки до даної роботи можна сформулювати таким чином:

- у процесі термообробки окислення плівок алюмінію починається при температурі 820±10 К, що призводить до різкого збільшення електричного опору, ступінь якого залежить від товщини;

- після термообробки до Т_в= 700 та 870 К плівки алюмінію, що отримані при Т_П=300 К, моноблочні з розмірозалежним середнім розміром кристалітів;

- обробка результатів з розмірної залежності ТКО в рамках моделі ТТП дала можливість визначити СДВП, параметри дзеркальності поверхні, коефіцієнти розсіювання і проходження меж зерен, що складають: л(1-р) = 80 нм, p=0,14, r=(0,90 - 0,65), R=(0,09 - 0,30).

Summary

The structural and physical properties of thin aluminum films in interval of the thicknesses 20 - 150 nm, prepared at the temperature of the substrate 300 K and passed to 870 K are investigated. It is shown that at the temperature 820±10 К sharp increase of the electrical resistance exists, which degree depends on films thickness. The calculation of the electron transport parameters was done by the models of Tellier, Тosse and Pichard.

Список літератури

1. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. - Москва: Радио и связь. - 1992. - 320 с.

2. Бессонов В.А. Тонкопленочные проводники на основе алюминиевых сплавов для интегральных микросхем // ВАНТ. Серия Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. - 1998. - Вып. 2(3), 3(4). - С.99-101.

3. Новосядлий С.П. Розроблення матеріалів і нових методів формування бездефектної і корозійностійкої металізації ВІС // Металлоф. и новейшие технол. - 2000. - Т.2, №1. - С.5159.

4. Скот Мюллер. Модернизация и ремонт ПК: Пер. с англ. - Москва: Издательский дом "Вильямс". - 2003. - 1184 с.

5. Васильев М.А., Прокопенко Г.И., Ткачук А.А. Определение параметров диффузии Ti в Al: тонкопленочная система Ti/Al // Металлоф. и новейшие технол. - 2002. - Т.24, №1. - С.53-60.

6. Kim H.C., Theodore N.D., Cadre K.S. Investigation of thermal stability, phase formation, and microstructural properties of sputter-deposited titanium aluminide thin films // Thin Solid Films. - 2004. - V.460. - P.232 - 240.

7. Ivkov J., Radic N., Tonejc A. Structural relaxation of Al-W amorphous thin films // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2003. - V.319. - P.232-240.

8. Лякишев М.П., Банных О.А., Рохлин Л.Л. Диаграмма состояний двойных металлических систем. - Москва: Машиностроение. - 1996. - Т.1. - 992 с.

9. Однодворец Л.В., Овчаренко Ю.М., Опанасюк Н.Н. и др. Электрофизические свойства одно- и многослойных пленок металлов. I Удельное сопротивление и тензочувствительность однослойных пленок // Вісник СумДУ. - 1996. - №1(5). - С. 9 - 17.

10. Лобода В.Б., Проценко И.Е., Сердюк С.В. Расчет спектра деформации тонких пленок хрома, полученных в вакууме 10^-8 Тор // Ред. жур. Изв. ВУЗСССР. Физика. - Томск. - 1980. - 8 с.

11. Tellier C.R., Тosser A.J. Approximate expression for the electrical resistivity of thin polycrystalline metallic films // Thin Solid Films. - 1976. - V.33, №1. - P. L19-L26.

12. Тosser A.J., Tellier C.R., Pichard C.R. Thin polycrystalline metallic films conductivity under the assumption of isotropic grain-boundary scattering // J.Mater.Sci. - 1981.- V.16, №7. - Р. 944948.

13. Проценко И.Е. Расчет параметров электропереноса тонких поликристаллических пленок металлов // Изв. ВУЗ. Физика. - 1988. - №6. - С.42-47.

14. Физико-химические свойства элементов; Справочник / Под. ред. Самсонова В.Г. - Киев: Наукова думка. - 1965. - 870 с.

15. Білоус О.А., Проценко І.Ю., Чорноус А.М. Вплив ступеня дисперсності кристалітів на параметри електропереносу металевих матеріалів // ФХТТ. - 2003. - Т.4, №1. - С.48 -57.