книги из ГПНТБ / Трусов Л.И. Островковые металлические пленки

пасть эмиссии. Было установлено, что если к электроду на обратной стороне подложки приложен положитель­ ный потенциал, то возрастает не только ток проводи­ мости (эффект Хилла [234, 249—251]), но и ток эмис­ сии. Зависимости эмиссионноготока от приложенного к образцу напряжения оказались линейными при пост­

Нортгейма.

Диттмер считает, что причиной холодной эмиссии яв­ ляется неоднородность морфологии в прикатодной поло­

ки сравнительно высока. Полоса поверхности подложки между мелкими и крупными островками -освобождает­ ся от металлических ионов за счет наведенной полем диффузии к малым островкам, в результате чего сопро­ тивление этого участка велико. Последний процесс обусловлен резким усилением поля вблизи островков малого -радиуса. В результате падение напряжения, приложенного к пленке, распределяется неравномерно: большая часть приходится на узкую полосу между мел­ кими и крупными островками (рис. 79 б, в) .

В сильном электрическом поле понижается потен­ циальный барьер и происходит холодная эмиссия. При эмиссии электронов в подложку имеет место люмине­ сценция ів видимой области спектра.

Предполагается, что проводимость, имеющая акти­ вированный характер, происходит через приповерхност­ ные области подложки по механизму, предложенному Хиллом [234, 250, 261] и Нейгебауэром [246], причем поверхностные уровни играют активную роль -и при

высокой концентрации могут образовывать непрерыв­ ную зону.

Из сравнения исследований [260; 317; 318; 153, с. 265; 356] и работы Диттмѳра следует, что в нервом случае очаги эмиссии расположены по всей поверхности пленки равномерно, тогда как в работе [323] показано, что эмиттирующие источники сконцентрированы -в ирика-

261

Глава IV

НЕОБРАТИМЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК

Электрические и другие свойства островковых пленок существенно зависят от взаимодействия различных внеш­ них факторов. Знание закономерностей необратимого изменения параметров этих пленок обеспечивает воз­ можность эффективного контроля и направленного ре­ гулирования свойств получаемых объектов и позволяет предотвратить нежелательные изменения свойств в про­ цессе эксплуатации.

В этой главе рассмотрено необратимое изменение электрической проводимости островковых металличес­ ких пленок. Кроме того-, сюда же включен обзор неко­ торых структурных исследований, основным методом которых является изучение поведения электросопротив­ ления.

Проводимость островковых пленок складывается из двух различных по своей природе физических процессов: металлической проводимости через островки и мостики, их соединяющие, и активированной проводимости, обусловленной зазорами между островками. Необрати­ мые изменения электросопротивления могут быть выз­ ваны изменениями каждого из двух процессов. Посколь­ ку относительное изменение составляющей активиро­ ванной проводимости в большинстве случаев значи­ тельно больше изменения металлической проводимос­ ти, характеристики последней целесообразно проследить на сплошных пленках, полученных в аналогичных усло­ виях. При этом обнаруживается неразрывная взаимоза­ висимость кристаллической структуры и электрофизи­ ческих свойств.

Конденсация пленок в неравновесных условиях обуславливает высокую насыщенность ее дефектами, причем их концентрация тем выше, чем ниже темпера­ тура конденсации. Необратимое изменение конденса­ ции и энергетического спектра структурных дефектов приводит к изменению электросопротивления.

Обзору исследований этого направления посвящен

263

первый параграф, в котором также рассмотрены изме­ нения сопротивления при некоторых низкотемператур­

ных фазовых переходах.

Параметры электрической проводимости островко­ вых пленок в основном определяются размерами остров­ ков и зазоров между ними, а также образованием или рассасыванием мостиков между островками. Влияние таких факторов, как адсорбция и электрическое поле, на проводимость рассматривается во втором и третьем

параграфе.

Наиболее общей причиной изменения морфологии, а следовательно, и проводимости является отжиг пленок. Последующие параграфы относятся к теоретическим и экспериментальным исследованиям самопроизвольного изменения морфологии и проводимости ВО’ времени при температуре осаждения, а также изменений, искусст­ венно вызванных термообработкой при 'более высоких температурах.

1. Непрерывные пленки

Как показано в гл. Ill, основными параметрами, оп­ ределяющими электрические свойства дискретных пле­ нок, являются средний размер островков (а) и среднее расстояние между ними (b). При этом предполагается, что сопротивление собственно островков значительно меньше сопротивления зазоров. Однако, когда размер островков сравнительно велик и зазоры между ними узки, а также когда пленки имеют сетчатую структуру, вследствие связности за счет мостиков, соединяющих островки, проводимость в значительной степени опреде­ ляется перемещением носителей заряда в материале самой пленки. Поэтому остановимся подробнее на рас­ смотрении проводимости в непрерывных пленках. ; При этом не будем касаться классического, размерного эффекта, возникающего вследствие ограничения длины свободного пробега электронов в результате малой толщины пленок, а также квантового, размерного, эф­ фекта [11; 107, с. Ш5]. Имеются исчерпывающие обзо­ ры, в которых анализируются проблемы, связанные с размерным эффектом [11,325]. _

Вклад в электросопротивление рассеяния на шеро­ ховатой поверхности, а также структурных дефектах и

264

границах зерен в сплошных пленках рассмотрен в ра­ боте Т. Д. Шѳрмаргара [326], и в работе [367].

Рассмотрим зависимость электросопротивления от структурных параметров пленок. Здесь можно выделить три аспекта: влияние пористости на сопротивление, за­ висимость сопротивления от фазового состава и зави­ симость сопротивления от концентрации дефектов.

Известно, что пленки многих металлов, полученные конденсацией на подложки при низких температурах, имеют отличные от объемных кристаллические модифи­ кации [327, 328, 368—370]. Металлы с гомеополярной свзью при достаточно низкой температуре конденсации образуют аморфные пленки [328, 371]. При определен­ ных критических температурах происходит фазовое пре­

ниже этой температуры пленка железа находится в осо­ бой модификации. Для бериллиевых пленок при иссле­ довании зависимости R (Т) обнаружено существование двух низкотемпературных модификаций, способных пе­ реходить в сверхпроводящее состояние.

Однако при температурах выше комнатной метал­ лические пленки имеют обычную кристаллическую мо­

265

дификацию. Для многих металлов, например для меди, не известны и низкотемпературные полиморфные пре­ вращения. Но даже если пленка, осажденная в области низких температур, и не претерпевает температурных превращений, ее сопротивление существенно отличается от значения, присущего массивному образцу, поскольку она может обладать пористой структурой и очень вы­ сока насыщенность ее дефектами. Общая концентрация дефектов пленки определяется соотношением скорости роста слоя и скорости выведения дефектов наружу т. е. в конечном итоге диффузионной подвижностью атомов металла. При низкой температуре подложки диффузи­ онная подвижность атомов металла на поверхности ма­ ла. В результате дефекты и пустоты замуровываются при последующем осаждении и структура получается крайне неравновесной.

При повышении температуры протекают процессы, в результате которых структура приближается к струк­ туре равновесного состояния (возврат, рекристаллиза­ ция и т. д.), однако повышенная, по сравнению с термо­ динамически равновесной, концентрация дефектов сох­

дит эффективная стабилизация неравновесной структу­ ры за счет адсорбции поверхностью кислорода и дру­ гих инородных примесей из окружающего простран­ ства. Нестабильность во времени электросопротивления и других свойств непрерывных и островковых пленок отчасти и объясняется постепенным устранением струк­ турных дефектов.

Исследованию необратимого изменения электросоп­ ротивления при отжиге, связанному с удалением струк­ турных дефектов, посвящено много работ [227, 335— 338; 102, с. 2653; 339—341]. На рис. 82 показано изме­ нение сопротивления пленки золота, осажденной на

подложку при температуре жидкого азота (Т ==77,4°К)"

Толщина пленки около 300 А. Первоначальное удельное поверхностное сопротивление слон выше 1012 ом. Падение сопротивления по кривой характерной формы происходит при каждом скачке температуры.

266

Рис. 82. Необратимое изменение сопро-

Рис. 83. Кривые падения сопротивления при изохронном отжиге (ско­ рость а = з “/10 мин) для двух пленок золота (а) и их температурная производная (б) (по данным работы [335])

267

Сопротивление стабилизируется постепенно и через час наклон кривой практически становится пренебре­ жимо малым. Конечное значение сопротивления при 100°С составляет 20 ом, т. е. общее изменение превы­ шает 10 порядков.

Неравновесное состояние структуры пленки опреде­ ляется широким спектром дефектов, обладающих раз­ личной энергией активации, необходимой для их дви­ жения. Причем по мере повышения температуры отжига сначала релаксируют дефекты, имеющие наименьшую энергию активации. Этим объясняется понижение со­ противления на каждой изотермической ступени отжи­ га. Энергетический спектр, а также концентрация де­ фектов каждого вида, характеризующихся некоторой энергией активации, определяют закономерности паде­ ния сопротивления.

По характеристикам временной зависимости сопро­ тивления R (т) можно, экспериментально исследовать энергетический спектр структурных дефектов. При этом применяют в основном два метода: изохронный и изо­ термический отжиг [341]. (В первом случае производит­ ся ступенчатый нагрев пленки через небольшой интер­ вал температур АТ (1—5°) с постоянной выдержкой на каждой ступени Дт. Определяется зависимость сопро­ тивления от температуры отжита и производная сопро--

фектов с определенной энергией активации. При изме­

268

іриода времени. Энергию активации определяют из нак­ лонов изотермических кривых временной зависимости сопротивления ßi и ß2 при двух температурах Ті и Т2:

гий [335], установлено, что до 200°С падение сопротив­ ления является в основном результатом подвижности и

цией границ между кристаллитами, обусловленной их ростом. Размытость пиков (рис., 83) объясняется боль­ шой концентрацией точечных дефектов (до нескольких атомных процентов), взаимодействующих в процессе перемещения,. В пленках, осажденных при более высо­ кой температуре, имеются только те дефекты, которым соответствует энергия активации больше некоторой критической величины, поскольку дефекты с меньшей энергией активации устраняются уже в процессе кон­ денсации. Для пленок золота, осажденных при комнат­ ной температуре и отожженных при температуре до 200°С, энергия активации дефектов находится в преде­ лах 0,25—,1,0 эв [339].

Другой важной характеристикой пленок является их пористость. В частности, некоторые особенности по­ ведения сопротивления непрерывных пленок (например, при адсорбции) трудно объяснить без учета открытой пористости по всей массе пленки.

При определенных условиях конденсации, когда диффузионная подвижность атомов металла затруд­ нена, пористость пленки развита настолько сильно, что ее поверхность, включая поверхность, образованную порами, может быть на 2—4 порядка выше ее геомет­ рической поверхности. Это установлено эксперимен­ тально в работах по измерению поверхности методом адсорбции (метод ВЕТ) [342—349; 13, с 46, 263]. Ме­ тод ВЕТ основан на измерении объема адсорбирован-

269

ното металлической пленкой газа, причем предпола­ гается, что на поверхности металла образуется сплош­ ной мономолѳкулярный адсорбированный слой и атом газа занимает определенную площадь. Следовательно, этим методом измеряется только1поверхность, доступ­ ная проникновению извне атомов адсорбирующегося вещества. Истинная пористость, включающая замкну­ тые поры, будет, безусловно, еще выше.

При измерении удельной (Поверхности методом ВЕТ

дия, (молибдена, тантала, сконденсированных при 293°К, установлено, что величина удельной поверхности про­ порциональна массе пленки. Оказалось, что для пленок

уменьшается втрое.

Количество атомов, расположенных на поверхности, увеличивается с температурой плавления и составляет для: тантала 10,6%; никеля 1,0% от общего количества атомов при комнатной температуре подложки. Это оз­ начает, что -каждый атом тантала отделяется от поверх­

угла, происходит катастрофическое увеличение поверх­ ности по мере конденсации.

Эти данные свидетельствуют о том, что при конден­ сации на подложку при низких температурах пленки имеют равномерно пористую структуру по всей массе. Атомы находятся в крайне неравновесных положе­ ниях, причем агломерация вследствие отжига умень­ шает эту неравновесность.

Пористость существенно увеличивает общее сопро­ тивление вследствие уменьшения сечения проводника, а также изменяет температурный коэффициент сопро­ тивления, поскольку параллельно включается активи­ рованный механизм проводимости (гл. III). Кроме того, открытая пористость способствует увеличению неста­ бильности свойств во времени.

270