Electronic transport phenomena in ultrascaled aluminum layers

Abstract

Ultradünne Aluminiumschichten im Nanometer-Dickenbereich sind für nanoskalige Leiterbahnen und supraleitende Nanoelektronik besonders interessant, ihre Herstellung ist jedoch durch diskontinuierliches Wachstum und schnelle Oxidation begrenzt. Diese Arbeit entwickelt eine CMOS-kompatible Plattform für kontinuierliche, elektrisch stabile Aluminiumschichten auf Silizium-auf-Isolator-Wafern, basierend auf einer thermisch induzierten Silizium-Aluminium-Austauschreaktion und kontrollierter thermischer Oxidation. Lithographie und reaktives Ionenätzen definieren die Geometrie, oxidationsbasiertes Dünnen die Zieldicke. Ein kurzer Annealing-Schritt wandelt verbleibendes Silizium lokal in Aluminium um. Die intrinsische Oxidkapselung ermöglicht Selbstpassivierung und Langzeitstabilität. Für das ultradünne Regime werden zwei Prozessrouten (subtraktiv vs. additiv) umgesetzt, die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung sowie das Sputtern temporärer Siliziumschichten zum Schutz der Kontaktpads während der Oxidation nutzen. Beide Ansätze werden hinsichtlich Ausbeute und Oberflächenqualität verglichen, wodurch eine robuste Prozessroute mit hoher Ausbeute identifiziert wird. Die Arbeit etabliert eine quantitative Prozess-Struktur-Eigenschafts-Kette durch die Kombination komplementärer Metrologie: Ellipsometrie zur Dickenbestimmung, Rasterkraftmikroskopie zur Quantifizierung der Oberflächenrauheit sowie (Raster-)Transmissionselektronenmikroskopie im Querschnitt zur Verifikation von Kontinuität, Mikrostruktur und lokaler Dicke bis in den Bereich weniger Nanometer. Die elektrische Charakterisierung verknüpft diese Strukturgrößen mit elektrischen Transporteigenschaften, Messungen der Stromtragfähigkeit, Niederfrequenz-Rauschspektroskopie (quantifiziert über die standardisierte 1/f-Rauschleistungsdichtespektraldichte) sowie Tieftemperaturmessungen zur Untersuchung der supraleitenden Eigenschaften der hergestellten ultradünnen Aluminiumschichten. Die Ergebnisse zeigen kontinuierliche Aluminiumschichten bis hin zu Dicken von etwa 1 nm und eine Eigenschaftskombination, die sich von konventionell abgeschiedenen ultradünnen Aluminiumfilmen unterscheidet: (i) unterhalb von 10 nm nimmt die spezifische Resistivität mit abnehmender Dicke ab und nähert sich Werten von hochreinem, einkristallinem Aluminium; (ii) die Stromtragfähigkeit steigt im ultradünnen Grenzfall deutlich an und erreicht kritische Stromdichten in der Größenordnung von 10^10 A/cm2; (iii) dünnere Schichten weisen ein unterdrücktes normiertes 1/f-Rauschen auf; und (iv) die supraleitende Übergangstemperatur Tc steigt systematisch mit abnehmender Dicke und erreicht etwa 2.8 K bei einer effektiven Dicke von etwa 1.4 nm. Diese Befunde liefern eine experimentelle Grundlage zur Einordnung von Größeneffekt-Modellen (Fuchs-Sondheimer-Oberflächenstreuung und Mayadas-Shatzkes-Korngrenzenstreuung) und zur Quantifizierung, in welchem Ausmaß Grenzflächenqualität, Kapselung und geometrische Einengung klassische Erwartungen verändern. Insgesamt stellt die Arbeit eine reproduzierbare Prozess-Struktur-Eigenschafts-Plattform für selbstpassivierte Aluminiumschichten auf einer SOI-Plattform bereit und motiviert eine verfeinerte Transportmodellierung im extremen Dickenregime.

Ultrathin aluminum films in the nanometer-thickness regime are of particular interest for nanoscale interconnects and superconducting nanoelectronics, yet their fabrication is limited by discontinuous growth and rapid oxidation. This thesis establishes a CMOS-compatible platform for continuous and electrically stable aluminum films fabricated from silicon-on-insulator wafers using a thermally induced silicon-aluminum exchange reaction combined with controlled thermal oxidation. By means of lithography, the structures are first defined via reactive ion etching in the SOI device layer, and the target thickness is set by oxidation-based thinning. The remaining silicon is then locally converted into aluminum during a short annealing step. A key advantage of this approach is the intrinsic oxide encapsulation of the ultrathin aluminum, enabling self-passivation and long-term stability even close to the few-monolayer limit. Two strategies (subtractive vs. additive processing) for the ultrathin regime are implemented, relying on plasma-enhanced chemical vapor deposition and sputtering of sacrificial protective layers. Both approaches are benchmarked in terms of yield and surface quality, identifying a robust, high-yield processing route. The work establishes a quantitative chain from geometry definition to electrical response by combining complementary metrology: ellipsometry; atomic force microscopy to quantify surface roughness; and cross-sectional transmission electron microscopy and scanning transmission electron microscopy to verify continuity, microstructure, and local thickness down to the few-nanometer range. Electrical characterization links these structural metrics to transport properties, current-carrying capacity measurements, low-frequency noise spectroscopy quantified via the standardized 1/f noise power spectral density, and low-temperature measurements to investigate the superconducting properties of the fabricated ultrathin aluminum films. The results demonstrate continuous aluminum films down to thicknesses of approximately 1 nm and reveal a combination of properties that differs from those of conventionally deposited metallic ultrathin aluminum films: (i) below a thickness of 10 nm, the resistivity decreases with decreasing thickness and approaches values of ultrapure, single-crystalline aluminum; (ii) the current-carrying capability increases strongly in the ultrathin limit, reaching critical current densities on the order of 10^10 A/cm2; (iii) thinner films exhibit suppressed normalized 1/f noise; and (iv) the superconducting transition temperature Tc increases systematically with decreasing thickness, reaching approximately 2.8 K at an effective thickness of about 1.4 nm. These findings provide an experimental basis for discussing size-effect frameworks (Fuchs-Sondheimer surface scattering and Mayadas-Shatzkes grain-boundary scattering) and for quantifying to what extent interface quality, encapsulation, and nanoscale confinement alter classical expectations. Overall, the thesis delivers a reproducible process-structure-property platform for self-passivated aluminum thin films on an SOI platform and motivates refined transport modeling in the extreme thickness regime.