ГЛАВА 9

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ВТОНКИХ ПЛЕНКАХ

ИТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУРАХ

Тонкой пленкой называют слой вещества толщиной не более 1 мкм, нанесенный на подложку. Тонкие пленки бывают проводниковыми, диэлектрическими, полупроводниковыми, магнитными и т.д. Структура их может быть монокристаллической, поликристаллической или аморфной.

Наиболее распространенными методами получения тонких пленок и тонкопленочных структур являются вакуумное испарение, ионно-

плазменное распыление и эпитаксиальное наращивание. Роль тонких пленок для традиционной микроэлектроники трудно переоценить.

В полупроводниковых ИС используют тонкопленочные проводящие дорожки и контактные площадки, изолирующие и защитные диэлектрические пленки.

Гибридные ИС содержат, кроме того, тонкопленочные резисторы и конденсаторные структуры.

Пленочные ИС содержат пленочные структуры – активные элементы: транзисторы, диоды и т.д.

Функциональная микроэлектроника использует структуры металлдиэлектрик – металл, полупроводник-металл – полупроводник и др. В таких структурах некоторые или все компоненты являются тонкопленочными. Акустоэлектроника использует пьезоэлектрические, криоэлектроника – сверхпроводниковые, магнитоэлектроника – ферромагнитные тонкие пленки. В этой главе мы рассмотрим некоторые свойства тонких пленок, а также работу отдельных пленочных структур. Подробнее о способах получения и свойствах тонких пленок можно узнать в *19, 20+.

9.1. Структура и свойства тонких пленок

227

Свойства тонких пленок существенно отличаются от аналогичных параметров объемных образцов, что объясняется различием в структуре тонкопленочных и объемных материалов.

Для структуры поликристаллических тонких пленок характерна большая концентрация дефектов. Если в исходных материалах присутствуют загрязняющие компоненты, то в пленке возможно образование диэлектрических или полупроводниковых слоев, покрывающих проводниковые зерна. В таком случае, кроме проводимости свободных электронов, в пленке работают и термоактивационные механизмы. К ним относятся туннелирование через тонкий потенциальный барьер, тер-

моэлектронная эмиссия, прыжковая проводимость и др. С другой стороны, тонкая пленка обладает большей удельной поверхностью Sпл/Vпл, чем удельная поверхность объемных тел Sоб/Vоб.

Если вспомнить, что сама поверхность является протяженным дефектом, то выражение (9.1) говорит о различии свойств тонкой пленки и объемного тела. Так, например, удельное сопротивление пленочного проводника больше, чем удельное сопротивление объемного.

При уменьшении толщины пленки ее удельное сопротивление рас-

тет (рис. 9.1).

ρ/ρ0

4

3

2

1

Рис. 9.1. Зависимость сопротивления тонкой пленки от толщины, ρ0 – объемное сопротивление

Такой эффект можно объяснить ростом отношения (9.1), то есть увеличением вклада поверхностей (верхней и нижней) пленки в меха-

228

низм электропроводности. Данный эффект носит пороговый характер и называется классическим размерным эффектом. Он возникает, если длина свободного пробега электрона λ соизмерима с толщиной пленки d ≤ λ. В этом случае основным типом рассеяния электронов становится рассеяние на поверхностях. Знакомое нам правило Матиссена (5.64) приобретает третье слагаемое ρ(d) и может быть записано в виде

ρ = ρо+ ρт+ ρ(d).

Слагаемое ρ(d) зависит от геометрии проводника.

В тонких металлических и полупроводниковых пленках работают также квантовые размерные эффекты. Условие возникновения таких эффектов заключается в соизмеримости толщины пленки и эффективной длины волны носителей заряда. Тогда формируются дискретные энергетические уровни в пленке, в направлении ее толщины. Для простейшей модели пленки без учета рассеяния в объеме и взаимодействия электронов проводимости, спектр энергии электрона выражается формулой

где n – натуральный ряд чисел.

Одним из возможных проявлений квантовых размерных эффектов является резонансное прохождение электронов сквозь два узких потенциальных барьера, разделенных потенциальной ямой, образованной диэлектрической пленкой в структуре МДМ или ПДП (п. 9.7).

Диэлектрические тонкие пленки обладают существенной проводимостью. Она обусловлена различными механизмами, которые характерны для различных толщин пленки (табл. 9.1).

В таблице Е – напряженность электрического поля, a – параметр решетки, b = Eg/k.

229

Большинство механизмов электропроводности тонких диэлектрических пленок обусловлено наличием сильных полей (п. 6.4).

Магнитные, сверхпроводниковые, пьезоэлектрические тонкие пленки обладают интересными свойствами, которые лежат в основе работы микроэлектронных устройств. Данные вопросы здесь не рассматриваются, и мы отсылаем читателя к дополнительной литературе, например [10, 20].

9.2. Контакт металл-диэлектрик. M-Д-M–структура

Ранее мы изучали свойства контактов металл-металл, металлполупроводник, полупроводник-полупроводник (пп. 7.2–7.4). Теперь рассмотрим свойства контакта металл-диэлектрик, причем подход к анализу процессов в контакте останется прежним. Диэлектрик – это материал, концентрация носителей в котором крайне низка, и во многих материалах составляет менее 1 см-3, вследствие чего он фактически не обладает проводимостью.

Прохождение тока через тонкопленочные материалы, которые мы будем рассматривать, не определяется собственными параметрами диэлектриков. Зачастую эти токи определяются другими причинами, такими как процессы в контакте металл-диэлектрик. В зависимости от характера зонных структур, контакт металл-диэлектрик относится к одному из трех типов: омический, нейтральный или блокирующий контакт. На рис. 9.2 показаны исходные зонные диаграммы металла и диэлектрика, а также зонные диаграммы контактов этих материалов.

Омический контакт. Для формирования такого контакта необходимо условие χм < χд (рис. 9.2). Здесь, в отличие от контакта металлполупроводник, термин «омический контакт» говорит о том, что электрод может легко поставлять электроны в диэлектрик. В условиях термодинамического равновесия электроны инжектируются в диэлектрик, создавая в его зоне проводимости область пространственного заряда (ОПЗ). ОПЗ в этом случае называется областью обогащения. При слабом обогащении толщина ОПЗ равняется дебаевской длине экранирования LД

230

Общий заряд ОПЗ диэлектрика может быть определен из выражения

где NС – эффективная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника.

Нейтральный контакт (рис. 9.2, б). Если в области контакта ОПЗ отсутствует, контакт такого типа называют нейтральным. В этом случае зоны проводимости являются плоскими.

При включении разности потенциалов катод способен снабжать диэлектрик электронами в количестве, достаточном для компенсации уходящих оттуда электронов. Ток, который может поступать из катода (ме-

талла) ограничен величиной тока насыщения электронной эмиссии

(Ричардсона) через барьер. Как только этот предел достигается, процесс проводимости перестает быть омическим. Напряженность поля в диэлектрике, которая приводит к насыщению тока, можно получить, приравняв ток сквозь диэлектрик к току насыщения термоэлектронной эмиссии.

где – тепловая скорость носителей.

Выражение (9.5) является характерным для нейтрального контакта. Блокирующий контакт (рис. 9.2, в). При χм > χд в диэлектрике образу-

ется обедненная ОПЗ. Поскольку концентрация носителей в диэлектрике крайне мала, заряд формируется только в случае достаточной толщины диэлектрика и степень искривления зон в ОПЗ незначительна. Толщина обедненного слоя может быть определена по известной формуле

Если диэлектрик легирован донорной примесью концентрации Nд, то блокирующий контакт ведет себя аналогично барьеру Шоттки (п. 7.2).

Решая уравнение Пуассона, можно определить толщину обедненной области

232

Втабл. 9.3 приведен ряд значений d, рассчитанных при χм-χд = 3 эВ,

ε= 5. Очевидно, что для создания достаточно тонкой зоны обеднения плотность доноров должна быть более 1022 м-3.

Если к такому контакту приложить разность потенциалов, то тол-

С учетом (9.8) можно определить напряженность электрического поля на границе раздела контакта

Свойства структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ) будут зависеть от свойств контактов металл-диэлектрик.

1.Два омических контакта. На рис. 9.3, а изображены зонные диаграммы в случае двух одинаковых контактов и в отсутствие внешней разности потенциалов. Обогащенные области простираются вглубь диэлектрика. В результате этого дно зоны проводимости диэлектрика искривлено по всей его толщине. Максимальное значение ЕС больше χд-Ад

–равновесного значения. Причиной низкого качества контактов может быть либо малая толщина диэлектрика, либо большие потенциальные барьеры. Заряд, содержащийся в плохом контакте, недостаточен для эффективного экранирования внутренней области диэлектрика от его границ.

Рис. 9.3, б иллюстрирует случай хороших и плохих омических контактов. Дно зоны проводимости диэлектрика тонкое и ограничено экранирующими ОПЗ.

2.Два блокирующих контакта. На рис. 9.3, в, г изображены случаи блокирующих контактов к диэлектрику. В плохих контактах (рис. 9.3, в) обедненные области простираются в диэлектрик глубоко, так что электрическое поле существует по всей толщине диэлектрика. Внутренняя область его недостаточно экранирована приконтактными зарядами.

233