Диссертация (Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба), страница 12

На первомэтапе (рисунок 31. синий цвет) измерялось начальное сопротивление R0нанопровода-заготовкиприпомощиизмеренияеговольтампернойхарактеристики при малых напряжениях (от 0 до 50 мВ). При характерномначальном сопротивлении заготовок 500 Ом протекающий через них ток наэтом этапе не превышал 1 мкА. Учитывая сечение нанопровода (750 нм2),плотность тока в нем при измерении ВАХ не превышала 10 5 А/см2.

Такаяплотность тока не приводит к электромиграции атомов в тонкой золотойпленке (согласно теоретическому описанию, приведенному в начале главы) иявляется "безопасной" для нанопровода-заготовки.75Рис. 31. Схема алгоритма проведения электромиграции в нанопроводахзаготовках с целью получения в них зазоров нанометрового масштаба (накартинке изображены чередующиеся этапы проведения электромиграции(зеленый цвет) и измерения ВАХ (синий цвет)).Затем управляющая программавычисляла значение пороговогосопротивления R1, которое определялось как R1=1.01*R0. Значение R1использовалось в программе в качестве порога срабатывания обратной связив процессе электромиграции: если текущее сопротивление нанопроводаоказывалось больше порога, напряжение на нанопроводе сразу (менее чем за6 мкс) сбрасывалось к нулю.

Полное время реакции (измерение новогозначения,вычислениесопротивления,снятиевнешнеговоздействия)составляло менее 20 мкс.На следующем этапе (рисунок 31. зеленый цвет) на образец с помощьюЦАП подавалось возрастающее со скоростью 120 мВ/с от 0 до 4 - 5 Внапряжение и с помощью АЦП с периодом 10 мкс измерялось сопротивлениетонкопленочного золотого нанопровода.

При таких значениях подаваемогонапряжения через нанопровод протекал ток до 3 - 4 мА. Поперечное сечениесозданных нанопроводов (750 нм2) позволяет оценить максимальную76плотность протекающего тока, как 108 А/см2. Такое высокое значениедостигнутойплотноститокаспособствуетпроявлениюэффектаэлектромиграции атомов. Если значение измеренного сопротивления вкакой-то момент превышало заданный порог R1, внешнее напряжение собразца снималось, и все этапы проводились вновь до тех пор, пока значениепорога R1 не достигало 2 - 3 КОм. После этого проведение электромиграциипрекращалась.Из литературы [83] известно, что такие тонкопленочные нанопровода ссопротивлениями около 2 – 3 КОм находятся в метастабильном состояниииз-за созданных в них механических напряжений в процессе проведенияэлектромиграции. В процессерелаксациив нанопроводах можетпроисходить саморазрыв (self-break) напряженных участков пленки иобразовыватьсянанозазор.Нашиэкспериментыподтверждаюттакоеразвитие событий: через 30 – 40 минут после проведения электромиграции наобразцах при просмотре в РЭМ наблюдаются нанозазоры (подробнее процесссаморазрыва рассмотрен в следующей части главы).

Сопротивление утечкитаких зазоров превышает 10 ГОм (глава 5).Процесс электромиграции можно проводить и до полной потерипроводимости пленки (образования зазора). Однако наши экспериментыпоказали, что зазоры, образующиеся в таком режиме, имеют больший размер(5 - 10 нм).

Именно поэтому предпочтительнее для создания малых (менее 5нм)нанозазоровиспользоватькомбинациюэлектромиграцииипоследующего саморазрыва нанопровода.Разработанныйалгоритмпроведенияпроцессаэлектромиграциисовместно с созданной установкой, обладающей малым временем обратнойсвязи (~20 мкс), позволили точно контролировать процесс реструктуризациизолотой пленки и прекращать проведение электромиграции практически налюбом этапе. Это дало возможность с высокой точностью следить заизменением сопротивления тонкопленочного нанопровода и, как следствие,изменением его формы. Изображение тонкопленочного нанопровода на77промежуточном этапе электромиграции приведено на рисунке 32.

Видно, чтопленка сильно изменилась по сравнению со своим первоначальнымсостоянием (полоской одинаковой ширины) из-за передвиженияатомовзолота в ходе электромиграции. Как результат, наблюдается образованиелокальных сужений, которые и приводят к постепенному увеличениюсопротивления нанопровода-заготовки на каждом цикле проведения процессаэлектромиграции.Рис. 32. Изменение геометрии тонкопленочного нанопровода в процессепроведенияэлектромиграцииатомов(изначальнонанопроводимелодинаковую ширину по всей длине).Предложенный алгоритм управляемого проведения электромиграции,реализованный на установке с малым временем обратной связи (20 мкс),позволил очень аккуратно проводить реструктуризацию пленки (50 - 100итераций до достижения нанопроводом сопротивления 2 - 3 КОм).

Этообеспечило создание в нанопроводах зазоров нанометрового масштаба (от 278до 10 нм). При этом процент выхода зазоров с размером менее 5 нм составилоколо 80 %. Именно зазоры с такими размерами позволяют говорить осозданииэлектродовпланарных"исток-сток"мономолекулярныхнанотранзисторов.Важно отметить, что изначально при создании золотых нанопроводовзаготовок применялся адгезионный слой Cr (или в некоторых экспериментах- Ti). Слой Cr толщиной 2 нм напылялся термическим способом переднапылением тонкого (15 нм) слоязолота.Подробно техника созданиянанопроводов заготовок представлена в главе 2.ОднакоизмерениеэлектромиграцииэлектрическихнанопроводовсхарактеристикподслоемCrврезультатепоказывало,чтополучающиеся зазоры имеют сопротивление 20 - 40 МОм.

Было показано,что такое сопротивление нанозазоров объясняется шунтированием грануламипленки Cr получающихся в пленке Au нанозазоров. Золото и хром имеютсущественно разные температуры плавления (Au - 1337 К, Cr - 2130 К, Ti 1933 К) и другие важные для электромиграции характеристики, поэтомуатомызолотаихромаимеютразнуюмобильностьвэлектромиграции при созданном локальном разогреве пленки.процессеВ данномслучае можно говорить об электромиграции разных слоев пленки,составляющих нанопровод.

В процессе электромиграции такой двухслойнойпленки при образовании нанозазора в слое золота (сильной перестройкеструктуры верхней пленки нанопровода), слой хрома может не достигатьусловийпроведенияэлектромиграции(струкруранижнейпленкинанопровода не изменяется). Это приводит к возможности созданиякороткого замыкания получающихся нанозазоров Au пленкой подслоя Cr.Дляпреодоленияэтойтрудности,вызваннойразнымходомэлектромиграции в пленках из разного материала, была разработана техниканапыления тонких и узких нанопроводов золота на поверхность Al2O3 (илиSiO2) без обычно используемого в стандартных методиках согласующего79металлического подслоя, а с применением тонкого (2 нм) диэлектрическогоподслоя Al2O3 (техника подробно рассмотрена в главе 2).Туннельное сопротивление утечки зазоров, созданных в золотыхнанопроводах-заготовках без подслоя Cr, превышает 10 ГОм (глава 5).

Такиезначения делают эти зазоры пригодными для встраивания в них молекул иизучения их внутренних свойств. Кроме того, эти зазоры могут бытьиспользованы для построения туннельных систем на их основе, в том числесоздания одноэлектронного молекулярного транзистора, работающего прикомнатной температуре.3.3 Саморазрыв нанопроводов в ходе электромиграцииСтруктура пленки нанопровода-заготовки в процессе электромиграцииатомов золота значительно изменяется (Рис. 32.). Возникают локальныепустоты и места уплотнений пленки, и это приводит к возникновениювнутренних механических напряжений пленки. На последних этапахэлектромиграции пленка настолько напряжена, что даже при снятиивнешнего воздействия в местах наибольших сужений может происходитьсаморазрыв.

Саморазрыв происходит в процессе релаксации внутреннихнапряжений пленки, однако релаксация может проходить и в обратнуюсторону (может наблюдаться уширение места предполагаемого разрыва). Ксожалению,процессрелаксациистатистический,изаранееточнопредсказать, разорвется пленка или нет, невозможно. Однако вероятностьразрыва можно повысить, добиваясь возникновения сужений с минимальнойшириной пленки в процессе электромиграции. Поперечное сечениеопределяет проводимость локального участка пленки, и это позволилоопределить оптимальный порог завершения электромиграции (достижениесопротивлениемнанопровода-заготовокизначения2-3КОм),соответствующий созданию сужений пленки шириной 10 - 20 нм.

В работеустановлено, что такие сужения способны релаксировать с образованиемнанозазоров менее 5 нм в более чем 75 % случаев.80Для изучения динамики разрыва тонкого нанопровода после проведенияэлектромиграции использовалась такая же конфигурация измерительнойустановки (Рис. 29), что и в ходе элетромиграции. С помощью ЦАП нананопровод подавалось малое тестовое воздействие постоянной амплитуды 3мВ, с помощью АЦП в режиме реального времени отслеживалось состояниенанопровода и строился график зависимости его проводимости от времени.Тестовое напряжение было выбрано минимально возможным (3 мВ) длявнешнеговоздействиянананопровода(напряжениевпроцессеэлектромиграции на последних этапах составляло 0.5 - 1 В, то есть на двапорядка больше выбранного тестового воздействия).