Файл: Комов, А. Н. Физические основы микроэлектроники учеб. пособие.pdf

Г л а в а X. ТО НКИЕ П Л ЕН КИ

§ 1. Структура тонких пленок

Тонкими пленками называют обычно вещества толщиной от ты­ сячных долей микрона до десятков микрон, то есть порядка 10~7—

10~г см. В настоящее время можно .изготавливать пленки из самых разнообразных материалов с весьма разнообразными свойствами.

нии в вакууме или при катодном распылении, в большинстве слу­ чаев существенно отличается от строения обычных металлических структур, то есть массивных металлов, а это определяет существен­ ное отличие физических свойств тонких пленок от свойств массив­ ных металлов. Необходимо иметь в виду, что в зависимости от ус­

некоторые свойства испаряемых металлов. Изучение структуры тон­ ких пленок в настоящее время успешно проводится при помощи электронной микроскопии и электронной дифракции. Эффективные результаты могут быть получены только при комбинации этих двух методов.

Исследования показали, что структура тонких пленок в первую очередь определяется температурой плавления испаряемого метал­ ла и в соответствии с этой температурой все металлы могут быть разбиты на три группы.

КI группе в основном относятся металлы с температурой плав­ ления выше 1900° С, например: вольфрам, тантал, родий. Кроме то­ го, к этой группе в виде исключения относятся германий и кремний.

Во II группу включены металлы с температурой плавления от 600 до 1900° С. Такими металлами являются золото, серебро, медь, никель, железо, титан, платина. Как исключение, к этой же группе относятся свинец и олово.

КIII группе относятся металлы с температурой плавления ниже 650°С, а именно сурьма, висмут, теллур, кадмий, цинк, индий,

магний, талий.

Пленки этих металл’ов образуются из крупных монокристаллов. Влияние скорости испарения на характер образующегося слоя раз­ лично для разных групп металлов. Это объясняется различной сте­ пенью подвижности атомов металла на подложке при нанесении слоя. Исследования показали, что пленки медленно испаряемой сурьмы характеризуются различной дифракционной картиной, что вместе с приведенной микрофотографией свидетельствуют об обра-

146

зовании аморфной структуры. Микрофотографии и дифракционные картины пленок сурьмы, испаренных быстро, говорят о кристалли­ ческой структуре этих пленок.

Механизм влияния скорости осаждения сурьмянистой пленки на ее структуру моЯкет быть представлен следующим образом. В ре­ зультате того, что разница между температурой плавления сурьмы и температурой подложки мала, небольшие частицы вещества, об­ разованного на подложке, могут оставаться в жидком состоянии в течение длительного времени. При больших скоростях испарения имеется достаточная вероятность того, что группы близко располо­ женных частиц, приближаясь друг к другу, находятся еще é жид­ ком .состоянии и соединяются вместе с образованием крупных кри­ сталлов. При медленном испарении затвердевание имеет место за­ долго до того, как образованные группы частиц соединяются друг с другом.

Экспериментальные исследования показали, что осаждение пле­ нок на подложки из разных материалов происходит неодинаково. Существенное влияние на характер образующегося слоя оказыва­ ют также чистота подложки и ее обработка. Всякие загрязнения подложки изменяют условия конденсации наносимого материала, в «частности, изменяется степень подвижности атомов на поверхно­

Рис. 65. Зависимость сопротивления пленки от времени ее осаждения для разных подложек.

подложки и обработки ее поверхности на степень осаждения испа­ ряемого металла. Структура пленки в значительной степени зави­ сит от температуры приемной поверхности.

10* 147

Так, при напылении пленки на подложку, при комнатной тем­ пературе, получается в большинстве случаев мелкокристалличе­ ская структура, а при напылении на подогретую до некоторой тем­ пературы подложку образуются крупные кристаллы.

§ 2. Физические свойства тонких пленок

Как уже говорилось, параметры, тонких металлических и полу­ проводниковых пленок, полученных испарением в вакууме или ка­ тодным распылением, существенно отличаются of аналогичных па­ раметров массивных металлов. Кроме того, свойства пленок зави­ сят от их толщины. Чем тоньше пленка, тем сильнее отличаются ее параметры от параметров массивных металлов. Наконец, свойства пленок одной и той же толщины могут быть совершенно различны­ ми в зависимости от условий получения этих пленок.

Электропроводность тонких металлических пленок

Ранее уже упоминалось о зависимости электропроводности от ко­ лебаний решетки и рассеяния на примесях. В случае металлов при­ месные центры являются главными дефектами кристалла (точеч­ ные дефекты, дислокации и границы зерен). Для тонких пленок толщина слоя сравнима с длиной свободного пути электронов, дли­ на свободного пути электронов меняется с изменением толщины и поэтому удельное сопротивление становится зависимым от толщи­ ны пленки.

Полное удельное сопротивление можно записать в следующем виде

где рт—-удельное сопротивление за счет колебаний решетки, р„ — удельное сопротивление за счет примесей; р5— поверхностное удельное сопротивление.

Уравнение (10—1) может быть также записано как

где р — соответствующие подвижности.

Применение этих формул к тонким пленкам предполагает так­ же, что образовался сплошной слой.

На самых ранних стадиях нанесения пленки существуют изо­ лированные островки напыляемого вещества, и поэтому существен­ ная проводимость еще не наблюдается.

На рис. 6 6 показан вид типичной зависимости удельного сопро­ тивления от толщины пленки.

По мере того, как слой становится сплошным, удельное сопро­ тивление быстро падает согласно выражению такого типа •

148

где Хт— средняя длина свободного пробега электрона, р— объемное удельное сопротивление,

t — толщина пленки.

противления пленки от ее толщины.

По мере увеличения толщины пленки кривая удельного сопро­ тивления становится более пологой и она лучше описывается дру­ гим выражением

менее) некоторых металлов (таких как Ag, Au, Cu, In) обнаружи­

зации. Это приводит к резкому увеличению удельного сопротивле­ ния. На эти факторы еще налагается эффект химической реакции с окружающей средой.

§ 3. Основные механизмы переноса носителей заряда в пленочных системах

Туннельное прохождение электронов через тонкие диэлектричес­ кие слои.

149

Очень малые толщины пленок (1 X 10-6—1X ІО" 4 см), высокие электрические поля обычңо имеющие место, большое количество де­ фектов обуславливают в зависимости от конкретных условий раз­ личные механизмы переноса носителей заряда.

Туннельный эффект состоит, как известно, в том, что частица с заданной полной энергией имеет конечную вероятность просачива­ ния из одной области пространства в другую, если они разделены областью классически недоступной для частиц с данной энергией.

Одним из проявлений этого эффекта является туннельное прохож­ дение электронов из одного электрода в другой сквозь тонкую плен­ ку диэлектрика или вакуумный зазор.

Исходным пунктом всех имеющихся в литературе расчетов тун­ нельного тока является выражение для прозрачности (см. гл. 1 ,

§ 7 ) .

D (Ех ) = е х р ----^ У 2m [V (х) — Ех ] dx),

ѵ(хи 2) =£*.

Вэтой формуле коэффициент, стоящий перед ехр принят рав­ ным 1 . Рассмотрим систему металл-диэлектрик-металл, энергети­ ческая схема которой при внешней разности потенциалов Ѵо пока-

•заіна на рис. 67. Как видно из рисунка, уровни Ферми щ и р2 сме­ щены друг относительно друга на расстоянии еѴо. Вследствие это­ го поток электронов, просачивающихся из металла I в металл II резко увеличивается, в сравнении с обратным переходом. Возник­ шие туннельные токи ц и іц будут различными, вследствие чего в диэлектрическом слое создается отличный от нуля ток.

Исходя из выражения для прозрачности и используя в качестве функции распределения электронов по энергиям в металле распре­ деление Ферми при Г= 0, можно получить (без учета сил изобра­ жения) вольтамперную характеристику туннельного тока при очень малых напряжениях

зоре.

А — высота потенциального барьера на границе мёталл I — диэлектрик.

На рис. 6 8 дается график теоретической В. А; X. туннельного тока;

1 — без учета пространственного заряда,

150

туннельного тока от температуры вследствие температурной зави­ симости времени жизни электрона на ловушке.

Рис. 67. Прямоугольный потенциальный барьер между двумя металлическими электродами.

151

Различные экспериментальные работы по исследованию про­ хождения тока в тонкопленочных системах металл-диэлектрик- металл убедительно показали, что при малых толщинах (менее 100 А°) диэлектрических пленок, ток в системе обусловлен туннель­ ными эффектами.

Токи через тонкие диэлектрические и полупроводниковые слои, определяемые надбарьерной, (шоттковской) эмиссией электронов

Эффект Шоттки заключается в росте электронного тока насы­ щения из твердого тела под действием внешнего ускоряющего поля вследствие уменьшения работы выхода электрона из твердо­ го тела. Полевая эмиссия Шоттки наряду с туннельной эмиссией является одним из основных механизмов переноса электрических зарядов в системе с двумя металлами, разделенными тонкой ди­ электрической и полупроводниковой пленкой (рис. '69). Оба эти механизма часто имеют место одновременно, а преобладающая

металл-диэлектрик-металл.

d— толщина пленки, и — напряжение смещения.

роль какого-либо из них зависит от высоты потенциального барьера на границе с металлом, толщины диэлектрического слоя и темпера­ туры. Эмиссия Шоттки становится преобладающей при больших температурах и больших толщинах диэлектрических пленок.

В общем случае для указанной нами на рис. 69 модели выраже­ ние для эмиссионного тока I дается формулой

1

I = В Т 2 ехр ехр

где q — заряд электрона;

е — диэлектрическая постоянная;

152