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

дения тока будет наиболее интенсивным на линиях то­ ка в области узких мостиков — контактов между ост­ ровками. В результате такого нагрева произойдет уси­ ление автокоалесценции, миграции островков и жидко­ подобной коалесценции, что приведет, в конечном итоге, к резкому увеличению сопротивления.

Было предложено несколько гипотез для объяснения необратимого уменьшения сопротивления и энергии ак­ тивации проводимости при наложении поля на сформи­ ровавшуюся планку, а также уменьшения критической толщины в поле при конденсации. Чопра и др. [203, 204, 352] эти эффекты объясняют воздействием поля на перераспределение электростатических зарядов на ост­ ровках, приводящее к увеличению площади поверхности раздела и, соответственно, сплошности, интенсификации сил изображения, следствием чего является ускорение миграции островков и коагуляции их между собой. Од­ нако конкретного механизма воздействия поля не пред­ ложено ни в одной из работ.

Перераспределения (материала в них. При этом диффу­ зионный поток направлен в области островка, прилега­ ющие к наиболее узким зазорам, где поле имеет макси­ мальную величину. В итоге между островками образу­

ных наиболее вероятной причиной необратимого умень­ шения электросопротивления и эффективной энергии ак­ тивации проводимости в поле является наведенная миг­ рация островков, приводящая к ускоренной коагуляции. Существенную роль ів этом процессе играет взаимодей­ ствие диполей, наведенных макрополем ів коагулирую­ щих островках.

На рис. 91 схематически изображено направление сил взаимодействия диполей, различно ориентирован­ ных относительно внешнего поля. В случае расположе­ ния островков поперек линии поля между диполями действуют отталкивающие силы (рис. 91,а). Если же Островки размещены вдоль или под некоторым углом к линии поля, то, вследствие близости разноименно заря­ женных полюсов будет преобладать притяжение (рис.

281

91,6). При взаимном смещении островков относительно линии поля появляется вращающий момент (рис. 91, в). Все эти взаимодействия приводят к миграционной коа­ гуляции (рис. 91, б и в). Следовательно, при наложении поля структура меняется таким образом, что образуются как бы «самонаводящиеся» мостики, в результате чего

F

Рис. 91. Схема взаимодействия островков в поле

увеличивается непрерывность пленки и уменьшается ее сопротивление. Усиление поля может привести к проти­ воположному эффекту за счет разогрева наиболее «сла­ бых» участков джоулевым теплом, увеличения подвиж­ ности атомов в островках и разрыва мостиков вследст­ вие автоікоалееценци'и.

4. Изменение электросопротивления во времени при температуре конденсации (старение)

Обычно старение представляет собой сильно растя­ нутое во времени изменение сопротивления, скорость которого постепенно убывает со временем. Нифонтов и ІОни [242, 243] получили зависимость такого характера при старении пленок серебра, золота, меди и германия при комнатной температуре (рис. 89), причем во всех случаях 'сопротивление увеличивалось. При конденсации в один прием пленок золота и серебраих сопротивле­ ние очень быстро увеличивалось до бесконечности (кри­ вая а на рис. 89). Если же основную пленку осаждать на предварительно сконденсированную очень тонкую пленку (менее монослоя) того же или другого металла, то при одинаковой общей толщине в последнем случае

282

темя старения значительно уменьшается и сопротивле­ ние в пределе стремятся к некоторому постоянному

значению, а не возрастает неограниченно (кривая б на рис. 89).

Наибольшую нестабильность проявляют пленки зо­ лота и серебра. Медь и особенно германий значительно более стабильны, что вполне объяснимо, если принять во внимание химическую активность этих элементов и ее корреляцию е миграционной способностью по поверх­ ности подложки.

Скофроник и Филлипс [354; 12, с. 591] осаждали пленки золота при температурах 90, 195 и 297°К. Со­ противление (в исходном состоянии — порядка ІО7 ом) при всех температурах увеличивается в процессе старе­ ния, причем в координатах lg/?—тсоблюдается прямоли­ нейная зависимость. Исключение составляет начальный криволинейный участок (~100лш н), обращенный вы­ пуклостью вверх. Скорость возрастания сопротивления увеличивается с температурой.

В работе [355] проведено исследование старения ультратонких пленок, полученных конденсацией паров иридия и тантала на полированные пластинки из аморфного кварца. Пленки различных толщин осажда­ ли на подложки при комнатной температуре, 250 и 450°С. Старение при температуре конденсации проводи­ ли в вакууме ІО-6 мм рт. ст. На рис. 92 показана харак­

случаях скорость изменения сопротивления со временем уменьшается, а само сопротивление стремится к некото­ рому, характерному для данной пленки постоянному значению R

Сопротивление всех пленок тантала, полученных осаждением, увеличивается; наибольшей нестабиль­ ностью пленки обладают при температуре 250°С. Для конденсатов иридия поведение сопротивления качествен­ но отличается от поведения сопротивления для конден­ сатов тантала и направление изменения их сопротив­ ления зависит от весовой толщины h и температуры

283

■старения. Наиример при температуре 250°С сопротив­ ление сравнительно толстых пленок (£)о<2-104 ом) не изменяется заметным образом. Для более тонких пленок при этой температуре сопротивление существенно умень­

иридия, так и для тантала значение К достигает макси­ мальной величины при 250°С.

Пересечение продолжения прямолинейной части кривой с осью ординат дает значение lg ( R 0 — R ß :, причем сопротивление Ro соответствует не эксперимен­ тальному значению, а расчетному коэффициенту в фор­ муле (359). Для оценки степени отклонения началр-

284

ного участка экспериментальной кривой от прямолиней'ной зіависи'мости использована эмпирическая ко.ч-

стаита

где Ro — экспериментальная величина сопротивления в начале старения.

Отклонение экспериментальной зависимости от рас­ четной прямой на начальном участке для иридия значи­ тельно больше, чем для тантала (Міг=0,16—0,3; Мта= =0,02 4-0,14). Период первоначального отклонения экспериментальной кривой от расчетной для тантала (80—160 сек) несколько больше, чем для иридия (60— ТО сек).

Кинетика старения зависит от температуры не толь­ ко количественно, но и качественно, о чем свидетельст­ вуют экспериментальные данные. За изменение сопро­ тивления пленок иридия при температурах выше ком­ натной ответственны процессы миграционной коагуля­

происходит постепенное поглощение массой пленки остаточных газов за счет диффузии через капиллярные

висимости от химической активности материала плен­ ки) и происходит необратимое возрастание сопротивле­ ния. Увеличение сопротивления при старении пленок, полученных конденсацией тантала (рис. 92), объясняет­

этих условиях не претерпевает заметных изменений.

285

Возрастание сопротивления островковых пленок от­ части можно объяснить постепенным увеличением ра­ боты выхода ер вследствие уменьшения «заостренности» островков в процессе естественного отпуска. Поверх­ ность островков становится более гладкой за счет по­ верхностной диффузии, исчезают микровыступы, кото­ рые могут уменьшать величину ф.

Роумэін и Сэчтлеір [357] установили, что работа выхода даже сплошных свежеосажденных пленок золо­ та, платины и іродия, сконденсированных при температу­ рах Гп»'0,1 Тт, (Гп— температура подложки; Тт— тем­ пература плавления), меньше значения работы выхода Ф для массивного материала на 0,5 эв. В процессе отжи­

Постепенное возрастание работы выхода в процессе старения было также определено экспериментально по измерению порогового напряжения кривой задержки тока электронной эмиссии при исследовании островко­ вых пленок золота [356]. Увеличение работы выхода при старении приводит к уменьшению тока электронной эмиссии.

5. Зависимость параметров электрической проводимости несплошных пленок от морфологических изменений

Необратимое изменение электрофизических свойств несплошных пленок определяется эволюцией их морфо­ логии. Как показано в гл. II, наиболее важными взаи­ мосвязанными, но имеющими самостоятельную физи­ ческую природу процессами такого рода являются миг­ рационная коагуляция (МКГ) и автокоалесценция (АКС). При достаточно высоких температурах, когда высока диффузионная подвижность атомов в остров­ ках, миграция последних сопровождается жидкоподоб­ ной коалееценцией. Существенно, что процессы мигра­ ционной коагуляции и автокоалесценции могут приво­ дить к противоположному по своему характеру измене­ нию проводимости.

266

Помимо этого, для пленок, осажденных при низких температурах, а также для пленок тугоплавких метал­ лов важное значение имеет «залечивание» дефектов структуры, уплотнение непосредственно самих остров­ ков и соединяющих их мостиков. Эти процессы, особен­ но важные для пленок с сетчатой или рыхлой порис­ той структурой, могут быть осложнены адсорбцией и различными превращениями в сплавах. Зачастую одно­ временно протекают различные виды преобразования структуры, интенсивность которых неодинаково зависит от температуры и других внешних факторов. В резуль­ тате на кривых температурной и временной зависимос­ ти свойств могут появиться экстремумы.

Электрическая проводимость островковых пленок определяется двумя основными электрофизическими параметрами — энергией активации проводимости (Q) и коэффициентом прозрачности потенциального барье­ ра между островками DT. Эти величины заівисят глав­ ным образом от морфологических параметров: средне­

вательно, эволюция морфологии пленки в процессе рос­ та, старения, отжита или под воздействием какого-либо внешнего фактора, например, электрического поля, ад­ сорбирующего вещества и т. д., должна привести к из­ менениям параметров проводимости.

Если морфологические параметры а и 6 однозначно

плотности островков описывают морфологическую эво­ люцию пленки, вследствие которой изменяются условия переноса зарядов между островками, что формально учитывается функциями dQ/da, dQfdb, дОтІОтдЬ.

Рассмотрим зависимость коэффициента прозрачнос­ ти и энергии активации проводимости от параметров

287

а и b. Уточним понятия среднего размера островков и среднего расстояния между ними, поскольку в общем случае островки имеют форму, в большей или меньшей степени отклоняющуюся от равновесной (например, шарового сегмента). В свете изложенного в предыду­ щей главе параметр а правильнее рассматривать как радиус сферы, эквивалентной по массе (иля объему) островку среднего размера, поскольку он определяет величину работы выхода из островка, которая сильнее зависит от его объема, чем от формы.

Параметр b должен учитывать истинную форму островков, отклонение от изометричности, т. е. эксцент­ риситет, поскольку он соответствует расстоянию, на которое удаляется электрон из эмиттирующего остров­ ка при перемещении на соседний островок.

Энергия активации Q определяется формулой (307), согласно которой Q зависит как от размера островков, так и от расстояния между ними. Коэффициент проз­ рачности является функцией только величины зазора и возрастает с уменьшением Ь, что обусловлено перекры­ тием сил изображения (гл. Ill, и. 2).

Поскольку коэффициент прозрачности барьера Пт обратно про­ порционален предэкспоненте С, то, в соответствии с общим экспо­ ненциальным выражением электросопротивления

относительное изменение сопротивления во времени имеет вид:

Выразим каждое слагаемое в выражении (361) через выбран­ ные ранее переменные а, Ь, п, х.

Согласно Симмонсу [205, с. 2655],

(362)

где Li — константа,

288

следовательно,

Следовательно,

Качественный анализ временной зависимости пара­ метров проводимости можно провести из рассмотрения частных случаев в формулах (366) и (372), соответст­ вующих конкретным схемам морфологических измене­ ний.

Поскольку при миграционной коагуляции число

d n

островков уменьшается во времени, величина — в

этом случае отрицательна.

Знаменатель дроби в выражения (372), а также ко­ эффициенты при производных всегда положительны. Следовательно, знак dQ/dx зависит от знаков

которые специфичны для каждой схемы морфологичес­ ких изменений. При определенном количестве конденса­ та на подложке средний размер островков (весовой ра­ диус) зависит от их плотности:

Коэффициент а определяется формой островков и общим объемом конденсата на единицу площади под­ ложки (V).

290