Eindige-grootte-effecten in nanostructuren van de platinagroepmetalen

De geleidbaarheid van metalen nanostructuren verschilt significant van de geleidbaarheid van bulkmetalen. Meer bepaald neemt de resistiviteit van metalen nanostructuren sterk toe wanneer de karakteristieke afmetingen dalen tot in de orde van de vrije weglengte van de elektronen. Dit effect is te wijten aan het toenemend belang van verstrooiing aan de interfases en korrelgrenzen in deze nanostructuren. Alhoewel dit fenomeen reeds decennialang bekend is, is er tot op heden geen consensus omtrent het relatieve belang van de individuele verstrooiingsmechanismes in dunne filmen en nanodraden. De verhoogde resistiviteit van nanostructuren heeft echter belangrijke technologische gevolgen: metalen nanodraden worden gebruikt als geleiders in microelektronische schakelingen, en toenemende resistiviteit van deze geleiders leidt tot problemen zoals vertraagde signalen, toenemend stroomverbruik, verhoogde ruis, en een lagere betrouwbaarheid. Platinagroepmetalen zijn reeds voorgesteld als potentiële vervangers van het courant gebruikte koper, maar er is relatief weinig inzicht omtrent de verstrooiingsmechanismes in kleine structuren gemaakt van deze metalen.

Het doel van dit onderzoek is om het inzicht in verstrooiingsmechanismes in dunne filmen (<30 nm) en nanostructuren (<100 nm2 in dwarsdoorsnede) van de platinagroepmetalen te verbeteren. De verstrooiingsmechanismes in dunne filmen van platinagroepmetalen worden bestudeerd en vergeleken met koper door middel van semiklassieke resistiviteitsmodellering aan de hand van het Mayadas-Shatzkesmodel (MS-model), alsmede een uitgebreide karakterisatie van de microstructuur. Dit onderzoek stelt een aanpassing van het MS-model voor dunne filmen voor, waardoor de resistiviteit van nanodraden beschreven kan worden. MS-modellen voor nanodraden en dunne filmen beschrijven hierbij de waarnemingen aan de hand van een consistente groep van parameters. In dunne filmen is korrelgrensverstrooiing het dominante verstrooiingsmechanisme dat bijdraagt tot de resistiviteit, en het belang van dit mechanisme neemt toe met het smeltpunt van het metaal. Korrelgrensverstrooiing is echter enkel de dominante bijdrage tot resistiviteit wanneer de korrelgrootte vergelijkbaar is met de vrije weglengte van de elektronen, maar verliest aan belang wanneer de korrelgrootte meer dan 4-5 keer de vrije weglengte bedraagt. Oppervlakteverstrooiing van metalen filmen wordt sterk beïnvloed door de keus van bekleding. Dit werk stelt een nieuwe methode voor om nanodraden met een dwarsdoorsnede van minder dan 100 nm2 te produceren. Een studie van de transporverschijnselen in Ru-nanodraden (quasi-eendimensionale metalen structuren) leert ons dat korrelgrensverstrooiing de dominante bijdrage tot resistiviteit levert, met uitzondering van structuren met een zeer kleine dwarsdoorsnede waar oppervlakteverstrooiing significant bijdraagt door een verhoogde oppervlakte-tot-volumeverhouding. De studie leert ons verder dat de resistiviteit van nanodraden voornamelijk bepaald wordt door de dwarsdoorsnede, terwijl variaties in de hoogte-breedteverhouding weinig impact hebben voor een gegeven vaste dwarsdoorsnede. Verder vormt de vrije weglengte de meest belangrijke parameter in het bepalen van de gevoeligheid van een gegeven metaal voor resistiviteitsschaling. Dit laatste fenomeen resulteert in een overgang, waarbij de resistiviteit van de platinagroepmetalen lager wordt dan die van koper voor kleine afmetingen, ondanks de hogere bulkresistiviteit. Ten slotte demonstreert dit werk het potentieel van ruthenium-nanodraden aan de hand van betrouwbaarheidstesten op waferschaal.