Свойства тонких пленок

Свойства тонких проводящих пленок

Цель работы: определение зависимости удельного сопротивления пленки от ее толщины, определение зависимости ТКС пленок от толщины, ознакомление с методами определения толщины пленки.

Тонкие пленки играют очень важную роль в микроэлектронике. Здесь используется диэлектрические, проводящие, магнитные, сверхпроводниковые и другие тонкие пленки, несущие различные функции. Особое значение имеют проводящие пленки.

В гибридных интегральных схемах (ГИС) на основе тонких пленок выполняются резисторы, конденсаторы малой емкости, катушки индуктивности. В полупроводниковых схемах (ПС) и в ГИС используются тонкопленочные контактные площадки и токоведущие дорожки. Основным методом получения тонких пленок является термическое испарение и ионноплазменное распыление

Тонкими пленками называют слой вещества толщиной до 1 мкм нанесенный на подложку. Проводящие пленки имеют, как правило, полукристаллическую или аморфную структуру. Свойства пленок существенно отличаются от свойств объемных тел. Основной причиной этого является большая роль поверхностей пленки, как верхней, так и нижней. Для тонкой пленки справедливо соотношение

, (2.149)

где S_n, S_o – площадь поверхности пленки объемного тела;

V_n, V_o – объем пленки и тела.

Необходимо помнить, что поверхность пленки является двумерным дефектом структуры и вследствие этого сильно влияет на электрические, механические и другие свойства.

В тонких проводящих пленках существует зависимость удельного сопротивления от толщины d, при толщине пленки менее 100 нм. Пленка толщиной около 1 нм, независимо от природы метала, имеет очень большое удельное сопротивление, экспоненциально уменьшающееся с ее утолщением (рис. 2.52).

Рис. 2.52. Зависимость удельного сопротивления от толщины пленки: 1 – теоретическая зависимость; 2 – экспериментальная кривая; d ₁ – первая критическая толщина; d ₂ – вторая критическая толщина

Дж. Томсон первый указал на такого рода зависимость. Он пришел к выводу, что средняя длина пробега электронов λ ₀ должна уменьшаться, если d ≤ λ ₀. Это явление получило название классического размерного эффекта. Вследствие рассеивания электрона на поверхностях пленки удельное сопротивление возрастает.

Томсон постулировал выражения

при , (2. 150)

при , (2.151)

Вспомним зависимость удельного сопротивления от длины свободного пробега

, (2.153)

где е – заряд электрона;

n – концентрация носителей;

m ^* – эффективная масса электрона;

– средняя скорость носителей.

Однако, зависимость ρ (d) с учетом соотношений Томсона все же не согласуется с экспериментом (рис. 2.52). Во-первых, удельное сопротивление не стремится асимптотически к бесконечности, когда толщина приближается к нулю, но обращается в бесконечность при значительно больших толщинах. Во-вторых, при больших толщинах слоя удельное сопротивление, хотя и становиться постоянным все же оказывается больше удельного сопротивления объемного образца ρ ₀. Очевидно в теории Томсона не учтено состояние реальной структуры материала пленки, а она, как мы уже говорили, не является монокристаллической. Электронномикроскопические исследования показали, что структура пленок является поликристаллической и обладает гораздо большей концентрацией дефектов – усиливая рассеяние носителей более, чем объемный проводник.

Кроме того, сверхтонкие пленки (d < d ₁) не является сплошными и состоят из гранул, разделенных зазорами шириной до 10 нм. В этом случае можно предполагать наличие по крайней мере трех механизмов переноса заряда через эти зазоры:

1. туннелирование электронов;

2. тероэлектронная эмиссия;

3. эмиссия Шоттки.

Последний механизм требует сильных полей, т.е. в обычных условиях работают два первых механизма. В этом случае удельная электропроводимость описывается выражением

, (2.154)

где D – коэффициент прозрачности барьера;

l – ширина зазора;

r – радиус гранулы.

Как видно из последнего выражения ток имеет термоактивационный характер, т.е. ТКС в этом случае отрицателен.

При увеличении толщины пленки (в диапазоне d ₁ < d < d ₂ количество проводящих мостиков между гранулами растет. Растет и вклад механизма проводимости свободными электронами. При d ≥ d ₂ пленку можно считать сплошной.

Помимо рассмотренных классических размерных эффектов в тонких пленках могут наблюдаться и квантовые размерные эффекты, если толщина пленки сравнима с эффективной длиной волны носителей заряда. Если энергетический спектр свободного электрона в объемном теле сплошной

, (2.155)

то в тонкой пленке значение волнового вектора перпендикулярного поверхности становится дискретным

, (2.156)

где n – квантовое число.

Спектр энергии электронов становится дискретным.

Одним из возможных проявлений квантовых размерных эффектов является резонансное туннелирование электронов в структуре МДМ или ПДП. Эти эффекты могут быть использованы при построении пленочных активных элементов.

Дата добавления: 2017-02-01