Диссертация (Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба), страница 11

В данной работе длянанопроводов-заготовоктолщинанапыляемогометаллавыбранаминимальной, практически на границе сплошности пленки. Золотыенанопровода напылялись термическим способом, и толщина напыляемыхпленок составляла всего 15 нм. Вследствии такой толщины пленка обладает67достаточнобольшимколичествомдефектов(границ)гранул,чтоподтверждают изображения пленок в РЭМ (рисунок 27).Рис.

27. Тонкий (15 нм) и узкий (50 нм) нанопровод-заготовка дляпроведения процесса электромиграции, соединенный с толстыми (60 нм) иширокими (200 нм) подводящими нанопроводами. На снимке отчетливовидно большое количество гранул золотой пленки.На снимке в РЭМ можно отчетливо увидеть достаточно большоеколичество гранул золотой пленки нанопровода. Именно вдоль границгранул наиболее вероятно образование полостей и разрушение структурыпленки при протекании процесса электромиграции.Нанопровода-заготовки соединялись относительно толстыми (60 нм) иширокими (200 нм) подводящими нанопроводами с макроскопическимконтактным площадкам на образце, а последние, в свою очередь, имелинадежное подключение к измерительной установке (способ крепленияобразцов в установке и сама установка обсуждается ниже).

Таким образом,нанопровод-заготовкаоказывался68визготовленнойсистеменанопроводников-электродов местом с минимальным поперечным сечениеми здесь формировалась значительная часть сопротивления всего образца.Именно в нанопроводе-заготовке достигалась максимальная плотностьэлектрического тока (до 108 А/см2).Строение пленки является случайным и хаотическим, поэтому местонаибольшего проявления эффекта электромиграции заранее предсказатьневозможно и поэтому заранее нельзя точно определить место образованиясужения пленки с последующим образованием нанозазора. Однако,уменьшаядлинунанопровода-заготовки,можнолокализоватьместообразования нанозазора с точностью 50 - 100 нм.

Более того, в процессеэлектромиграции важную роль играет локальная температура нанопровода. Ввыбранной нами геометрии наибольший нагрев происходит в серединезаготовки и, как следствие, наибольшая вероятность образования зазораименно здесь, что и подтверждают наши эксперименты.Выбранная нами геометрия подводящих электродов (они в 3 раза толще ив 4 раза шире нанопроводов-заготовок) вместе с выбранным материаломподложки Al2O3 обеспечивают эффективный отвод джоулева тепла отнанопровода-заготовки при проведении электромиграции. Выше отмечалось,насколько важным является этот фактор при проведении электромиграцииатомов металла тонкой пленки.

При перегреве пленки и ее плавлениипроисходит неконтролируемый разрыв (фактически растекание пленки)заготовки, и получающиеся при этом зазоры имеют размер 100 нм и более(пример нанопровода, в котором был достигнут порог плавления пленки,приведен на рисунке 28).69Рис. 28. Разрыв нанопровода-заготовки при достижении золотой пленкойпорога плавления (при отсутствии контроля над процессом электромиграцииатомов металла).В предложенной нами геометрии нанопровода заготовки подобноеповедение золотой пленки исключается за счет эффективного отвода теплана массивные подводящие электроды и использования диэлектрическойподложки с хорошей теплопроводностью (для Al2O3 λ = 30 Вт/м*К).После начала процесса электромиграции (формирование локальнойполости или уплотнения) на одном из дефектов нанопровода-заготовкидальнейшее разрушение структуры золотой пленки начинает происходитьлавинообразно (созданный дефект приводит к еще большему локальномуизменению структуры пленки, увеличению плотности тока и последующемубольшемуразогревупленки).Дляпроведенияэлектромиграциивуправляемом режиме важно знать скорость перестройки.

Наблюдения впросвечивающийэлектронныймикроскопзапроцессомразрыватонкопленочного проводника [83] в реальном времени позволяют оценитьэту скорость. Фиксация геометрии проводника до начала электромиграции, впроцессе изменения структуры пленки и после образования разрыва70показывает, что за времена порядка 50 мс (время получения кадрапросвечивающим электронным микроскопом) происходит перестройка 105атомов золота.Этопозволилоопределитьтребованияковремениреакцииэкспериментальной установки для контролируемого проведения процессаэлектромиграции менее - 1 мс.Такая экспериментальная установка была спроектирована и создана(рисунок 29).Основным управляющим элементом установки являетсяперсональный компьютер (ПК) с операционной системой реального времени(National Instruments Pharlab OS).

Задание внешнего воздействия наисследуемый образец осуществляется с помощью платы ЦАП фирмы NI PCI6229 со следующими характеристиками: выходной диапазон ±10 В, точность16 бит, частота дискретизации 844 КГц, время установления сигнала 6 мкс,максимальный ток на выходе 5 мА. Измерение отклика системы проводилосьс помощью АЦП фирмы NI PCI-6229 со следующими характеристиками:входной диапазон ±10 В, точность 16 бит, частота дискретизации 250 КГц.Блок коммутации, обеспечивающий управляемое переключение между20-ю каналами сбора данных с образца и общим каналом снятия/подачивнешнего воздействия, выполнен на базе шасси Keithley 7001 с двумядесятивходными платами мультиплексирования Keithley 7158. Такой блоккоммутациипозволилобеспечитьбольшуюпроизводительностьиуниверсальность при проведении электромиграции на образцах (одинобразец содержал 16 нанопроводов-заготовок). Платы мультиплексированияимеют следующие характеристики: максимальный ток коммутации 100 мА,максимальное напряжение коммутации 30 В, контактное сопротивлениеменее 1 Ом, сдвиг по току менее 30 фА.71Рис.29.Блоксхемаизмерительнойустановкидляпроведенияэлектромиграции атомов металла.Для подключения образца к измерительной системе был разработанмодульный измерительный блок.

Блок проектировался для обеспечениявозможности проведения измерений как в нормальных условиях, так и притемпературе жидкого азота и вакуумных измерений. Блок представляетсобой тонкостенную (0.1 мм) трубку из нержавеющей стали диаметром 22мм и длиной 1 м с 20-ю коаксиальными разъемами для подключения кизмерительной системе с одной стороны и держателем образца с другой (рис30.).Рис. 30. Модульный измерительный блок (а). Держатель платыпереходника с образцом, расположенный с торца измерительного блока (б).72Держательобразцарасположеннапротивоположнойсторонеизмерительной штанги. Он выполнен в виде разъема для закреплениямаленькихтекстолитовыхплатсобразцами.Текстолитовыеплатывыполнены из текстолита марки FR4, толщина медных проводников иконтактных площадок 35 мкм. На контактных площадках выполненоиммерсионное золочение (нанесен тонкий слой 0.1 мкм золота поверх слояникеля 5 мкм).

Такое покрытие предотвращает окисление контактныхплощадок и позволяет использовать одинаковые режимы подключенияпроводов к плате-адаптеру и к самому исследуемому образцу. Топологияплат разрабатывалась в специализированном САПР Downstream TechnologiesCAM350. Применение текстолитовых плат-переходников обеспечиваетмодульность подключения образцов к измерительной системе. Созданныйнабор плат переходников позволяет подключать к установке образцыразличных размеров (от 3х3 мм до 11х11 мм) с разным количествомконтактныхплощадокисследуемым(дообразцом20ишт).Электрическийплатой-переходникомконтактмеждуосуществляетсяпривариванием с помощью ультразвуковой сварки тонких (6 мкм)алюминиевых проводов к контактным площадкам. Для ультразвуковойсваркииспользовалсябондерфирмыWestBond7476Е.Процессультразвуковой сварки заключался в подведении иглы с заправленнойалюминиевой ниткой к поверхности металлического электрода (или кповерхности контактной площадки платы-переходника) и прикладываниимощного ультразвукового импульса.

При этом нить расплющивается исваривается с поверхностью электрода или контактной площадки. Длятонких золотых пленок оптимальным временем воздействия импульсаявляется – 30 мс, а прикладываемая мощность должна находиться вдиапазоне от 0.6 до 1.2 Вт.Использованиеультразвуковойсваркиобеспечиваетпостоянноенадежное электрическое соединение образца с измерительной установкой, атакже позволяетмногократно осуществлять монтаж-демонтаж образцов.73Под циклом монтажа понимается процесс закрепления образца на платеадаптере и проведение сварки нужных контактных площадок образца сконтактными площадками платы-адаптера.В отсутствии необходимостипроведения дополнительной сварки и заключается преимущество такогомодульногоподключенияплаты-переходника.Этообеспечиваетвозможность производить все подключения к измерительной системе, атакже исследования структурных характеристик (анализ строения и размеровнаноэлектродов и зазоров) в растровом электронном микроскопе и другихустройствах на разных этапах исследования образцов без повторногоразмещения и подключения образца к плате-переходнику.Ключевойособенностьюсозданнойэкспериментальнойустановкиявляется достигнутое малое время обратной связи при проведении процессаэлектромиграции атомов.

Как отмечалось выше, характерное времяперестройки 105 атомов золотой пленки составляет 50 мс и, как следствие, наустановку для проведения электромиграции накладывается требованиеобеспечения обратной связи не хуже 1 мс. Применение на управляющем ПКоперационной системы реального времени (ОСРВ) вместе с использованиемскоростных плат ЦАП/АЦП позволило достичь относительно малого (20 мкс)времени обратной связи (времени снятия внешнего воздействия прирегистрации изменений в структуре тонкой пленки). Достигнутое времяобратной связи измерительной системы и использование оригинальногоалгоритма проведения электромиграции (описан в следующей части главы)позволилиобеспечитьуправляемоеобразованиенанозазороввнанопроводах-заготовках.Таким образом, факторами, обеспечившими успешное проведениеэлектромиграции золотых пленок, являются:1) использование подложки (Al2O3) с хорошей теплопроводностью (30Вт/м*К);742) эффективный отвод тепла от нанопровода-заготовки на подводящиеэлектроды за счет градиента толщины (15 нм - 60 нм);3) высокая скорость обратной связи (время задержки 20 мкс) установки,способная обеспечивать быструю реакцию на изменение состояния тонкойпленки.3.2 Особенности проведения и алгоритм электромиграцииСоздание экспериментальной установки с малым временем обратнойсвязи (20 мкс) позволило предложить и реализовать алгоритм управляемогопроведения электромиграции тонкого (15 нм) нанопровода-заготовки сцелью получения в нем зазора нанометрового масштаба.

Формированиетакого зазора в нанопроводе, лежащем на изолированном электродеуправления позволяет говорить о создании законченной полной системыэлектродов планарного нанотранзистора (электроды исток-сток и электродуправления).Предложенный и реализованный алгоритм включает в себя несколькоэтапов. Программа контролируемого проведения электромиграции быланаписана на языке Labview и запускалась в операционной системе реальноговремени на управляющем ПК экспериментальной установки.