Литература / (тоже супер) физосновы для экз

160 Р А З Д Е Л 2

ния. Это объясняется тем, что увеличение концентрации носителей заряда до некоторого критического значения вызывает значительное возрастание их времен жизни. В результате концентрация носителей заряда в диэлектрической или полупроводниковой пленке возрастает, что приводит к уменьшению удельного сопротивления и увеличению тока.

Для объяснения причины возникновения области отрицательного сопротивления предположим, что в диэлектрической пленке имеются глубокие ловушки захвата, которые лежат ниже уровня Ферми EF и заняты электронами. Очевидно, такие уровни не могут захватывать новые электроны, но в то же время они могут являться ловушками для дырок. Если концентрацию ловушек захвата обозначить Nл, сечение захвата дырок — σp, сечение захвата электронов — σn, среднюю скорость дырки — vp

где Nл0 — концентрация свободных рекомбинационных центров.

Так как предполагается, что глубокие ловушки захвата лежат ниже уровня Ферми, то должно выполняться условие Nл0 Nл. Если, кроме того, σp σn, то время жизни дырок будет намного меньше времени жизни электронов. Поэтому электрон, попавший в диэлектрическую пленку, может пройти от отрицательного заряженного электрода до положительно заряженного и тем самым внести вклад в электрический ток. В то же время дырка сразу же будет захвачена ловушкой и никакого вклада в ток не даст. Такие явления происходят при малых уровнях инжекции дырок. С ростом уровня инжекции все большее количество дырок захватывается ловушками.

Следовательно, концентрация ловушек захвата дырок уменьшается и время их жизни

где Nлp — концентрация центров, занятых дырками. Концентрация Nлp меньше концентрации Nл, поэто-

му по мере захвата дырок ловушками время их жизни возрастает до некоторого максимального значения τp max, которое соответствует выполнению условия Nлp ≈ Nл.

При больших временах жизни дырок τp ≈ τn. Следовательно, время жизни электронов при высоком уровне инжекции определяется отношением

Вследствие увеличения времени жизни дырок их концентрация возрастает и наблюдается увеличение проводимости диэлектрической пленки (участок 3 на рисунке 2.14). Падение сопротивления продолжается до момента, пока возрастание концентраций электронов и дырок не вызовет существенного увеличения концентрации рекомбинирующих пар носителей заряда, которую можно выразить так

При высоком уровне инжекции выполняется условие n ≈ p и ток ограничивается рекомбинацией, а не объемным зарядом. Напряжение U′ (рис. 2.14), при котором начинается отклонение от закона Ома, можно найти из условия, что время прохождения дыркой расстояние от положительного электрода до отрицательного равно времени ее жизни, т. е.

Если напряжение становится меньше U′, то дырки за время жизни не успевают дойти до отрицательного элек-

162 Р А З Д Е Л 2

трода. Расстояние, проходимое дыркой за время жизни

τp max,

Так как при выполнении условий U = U′ дырки успевают дойти до отрицательного электрода за время жизни τp max, то, полагая в соотношении (2.76) l = Lp (где Lp — диффузионная длина дырок), получаем

L2

U′ = μ τ p , (2.77)

p p max

так как E = U′/Lp.

Следовательно, при дальнейшем уменьшении напряжения дырки не успевают дойти до отрицательного электрода и сопротивление диэлектрической пленки начинает увеличиваться. Это означает, что по мере роста напряжения участок с отрицательным сопротивлением исчезает и возникает область положительного сопротивления (участок 4 на рисунке 2.14). Ток на этом участке ограничен только рекомбинацией и его плотность

(см. рис. 2.14) сказывается влияние объемного заряда электронов и дырок, инжектируемых в диэлектрическую пленку. Поэтому плотность тока изменяется по закону

Появление области отрицательного сопротивления на вольт-амперной характеристике в ряде случаев позволяет значительно упростить схемные решения при использовании тонкопленочной структуры типа «металл — диэлектрик — металл».

2.5.МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ КАК КОНСТРУКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

В микроэлектронике на основе тонких металлических пленок выполняют следующие конструктивные элементы:

1)электроды и токопроводы (электроды пленочных конденсаторов, токопроводы спиральных индуктивностей, монтажные проводники, контактные площадки, затворы МДП-транзисторов);

2)пленочные резисторы;

3)вспомогательные элементы (подслои электропроводящих пленок, масок и др.).

Наиболее важными в микроэлектронике являются первый и второй типы металлических пленочных элементов. К металлическим пленкам, используемым

вкачестве электродов и токопроводов, предъявляются следующие основные требования. Они должны обладать

высокой удельной проводимостью, высокой адгезией с поверхностью подложки или с нижележащей пленкой, малым коэффициентом теплового расширения. Толщина металлических пленок, применяемых для этих целей, обычно изменяется в пределах 2000–10 000 Å. Минимальная ширина проводников ограничивается разрешающей способностью процессов фотолитографии и в современных интегральных микросхемах составляет 4–20 мкм. Во многих случаях для улучшения адгезии металлических пленок с диэлектрической подложкой на нее наносят подслой хрома, титана или марганца толщиной 100–300 Å. В качестве материалов для изготовления рассматриваемых металлических пленочных элементов применяют золото, никель, медь вакуумной плавки, алюминий, молибден, палладий, тантал, осмий и др. Параметры некоторых материалов приведены в таблице 2.1.

Тонкие металлические пленки, полученные путем нанесения на подложку материалов с высоким удельным сопротивлением, используют для изготовления резисторов. Для получения резистора такую пленку наносят на диэлектрическую подложку, а ее концы замыкают на контактные площадки, изготовленные из материала с вы-

сокой удельной проводимостью. Для нанесения тонких резистивных пленок применяют металлы (хром, тантал, палладий), а также металлические сплавы (нихром). Важнейшие параметры наиболее распространенных металлических резистивных пленок приведены в таблице 2.2.

Тонкие металлические резистивные пленки получают главным образом методами термовакуумного напыления и ионно-плазменного распыления. Первым из этих методов получают пленки металлов с толщиной, изменяющейся в достаточно широких пределах. Такие пленки,

Таблица 2.1

Электрофизические параметры пленок некоторых элементов

как правило, не содержат инородных вкраплений, так как процесс проводится в высоком вакууме. Метод ионноплазменного распыления пригоден для получения пленок любых, в том числе из тугоплавких металлов. Полученные таким методом пленки отличаются повышенной адгезионной способностью и высокой стабильностью параметров.

Структура тонких пленок независимо от способа их получения существенно зависит от температуры подложки при испарении, степени вакуума, а также от свойств испаряемых материалов и материала подложки. Тонкие металлические пленки, конденсированные на неметаллические поверхности, обычно обладают очень высоким удельным сопротивлением, которое значительно превышает удельное сопротивление массивного материала. Электропроводность при напылении тонких пленок возникает не сразу, а только при определенной для данного материала толщине в зависимости от условий напыления. Атомы наносимого металла ударяются о подложку и затем в процессе конденсации в течение некоторого времени сохраняют подвижность вдоль поверхности этой подложки. В результате атомы собираются в небольшие островки, число и размеры которых зависят от температуры подложки, химического сродства конденсирующихся атомов к атомам подложки, степени вакуума, температуры напыления и др. Электропроводность тонкого металлургического слоя может возникнуть только в том случае, если размеры образующихся островков становятся достаточными для их соприкосновения друг с другом. Толщину тонкой пленки, при которой она становится проводящей, называют критической.

Структура тонких металлических пленок, получаемых методом термовакуумного напыления, проявляет сильную зависимость от температуры напыляемого материала. В зависимости от степени влияния этого фактора все металлы можно подразделить на три группы:

1)металлы с температурой плавления выше 1900°C (вольфрам, молибден, тантал и др.);

2)металлы с температурой плавления — 600–1900°C (золото, железо, никель, платина, серебро, титан, хром);

3) металлы с температурой плавления ниже 650°C (висмут, индий, кадмий, магний, сурьма, теллур, цинк).

Для первой группы металлов характерно образование неориентированных слоев с малыми размерами гранул, обычно не превышающими 15 нм, для второй — крупнокристаллической структуры, для третьей — пленок, состоящих из крупных монокристаллов, ориентированных относительно подложки.

Скорость испарения оказывает различное влияние на структуру металлической пленки для различных групп металлов. Это обусловлено различием подвижности конденсируемых атомов на подложке в процессе роста пленки. Длительность подвижного состояния на подложке у металлов третьей группы является наибольшей, поэтому наиболее сильное влияние скорость испарения оказывает на структуру пленок металлов этой группы. Различие в температурах плавления и испарения у этих металлов невелико, поэтому на подогреваемой подложке могут создаваться островки металла в жидком состоянии. При больших скоростях испарения эти островки соединяются между собой, образуя крупные кристаллиты. При малых скоростях испарения кристаллизация происходит с самого начала процесса осаждения. Для металлов первой и второй групп затвердевание конденсата происходит быстрее, чем для металлов третьей группы, и наблюдается зависимость структуры от скорости испарения. При малых скоростях на подложке осаждается большое количество атомов остаточного газа, что оказывает влияние как на структуру пленки, так и на значение ее удельной проводимости. Влияние остаточных газов на свойства пленок тем больше, чем меньше их толщина. Остаточные газы осаждаются не только в процессе роста пленки, но и после прекращения процесса осаждения, поскольку продолжается процесс адсорбции остаточного газа поверхностью пленки. Однако наиболее сильное влияние на структуру осаждаемой пленки оказывает температура подложки. На холодной подложке пленки имеют мелкокристаллическую структуру, а на подогретой — крупнокристаллическую. При прогреве мелкокристаллической структуры она превращается в крупнокристаллическую.

Электрофизические свойства тонких металлических пленок в наибольшей степени зависят от их толщины независимо от способа получения. Как отмечалось, удельная проводимость таких пленок уменьшается с уменьшением их толщины. Это объясняется тем, что длина свободного пробега электронов в пленке оказывается меньше, чем в массивном материале, так как электроны в пленке испытывают дополнительные столкновения с границами поверхностей. Электропроводность металлов обусловлена тем, что свободные электроны совершают внутри металлов неупорядоченное движение между атомами кристаллической решетки. Согласно теории электронной электропроводности, удельная проводимость металлов

σ = q2nλ , (2.80) 2mnv

где n — концентрация электронов; λ — средняя длина свободного пробега электронов в массивном материале; mn — масса электрона; v — средняя скорость теплового движения электронов.

Удельная проводимость массивного металла зависит от длины свободного пробега электронов, перемещающихся между атомами кристаллической решетки. Поскольку в массивном металле длина свободного пробега электронов является постоянной величиной, его удельную проводимость можно считать постоянной для данного материала. В таблице 2.3 приведены значения средней длины свободного пробега электронов для некоторых материалов.

Таблица 2.3

Средняя длина свободного пробега электронов в массивных металлах

168 Р А З Д Е Л 2

В тонкой пленке, когда один из размеров проводника становится сравнимым с длиной свободного пробега электронов, начинает сказываться влияние электронов, отраженных от границы раздела «металл — среда», у которых длина свободного пробега не является постоянной и изменяется с изменением толщины пленки. Следовательно, для тонких пленок удельная проводимость становится зависимой от толщины пленки.

Удельную проводимость для тонких пленок можно найти, если в соотношении (2.80) среднюю длину свободного пробега электронов λ в массивном металле заменить средней длиной свободного пробега λ′, которую определяют с учетом отражения электронов от границы раздела «металл — среда», считая, что тонкие пленки имеют такую же кристаллическую структуру, что и массивный металл. При этом для различных соотношений между толщиной пленки и длиной свободного пробега электро-

где d — толщина пленки.

Следует отметить, что длина свободного пробега электронов в пленке ограничивается не только под влиянием рассеяния на поверхностях, но также структурными дефектами. На структуру пленки влияет температура подложки в момент осаждения, поэтому удельное сопротивление зависит от температуры подложки, уменьшаясь с возрастанием температуры. Уменьшение удельного сопротивления наблюдается у пленок, полученных на холодной подложке после прогрева в вакууме. Температура

структурных превращений пленок близка к температуре рекристаллизации металла и существенно зависит от толщины пленок. Степень изменения удельного сопротивления пленок после прогрева увеличивается по мере уменьшения их толщины.

Удельное сопротивление тонких металлических пленок после их прогрева необратимо уменьшается на 25–50%. У пленок, полученных термовакуумным напылением, удельное сопротивление уменьшается примерно от 2ρм до 1,3ρм (где ρм — удельное сопротивление массивного материала); у пленок, полученных ионноплазменным распылением, это значение изменяется примерно от (4–10)ρм до (1,5–1,8)ρм. Для каждого металла существует своя характерная температура, при которой происходит структурное превращение пленки, сопровождающееся резким уменьшением ее удельного сопротивления.

Изменение поверхностного сопротивления тонкой пленки в результате нагрева можно объяснить следующим образом. В пленках, осажденных на холодную подложку, возникают значительные механические напряжения. Прогрев снимает их и одновременно с этим удаляет примеси, адсорбированные пленкой в процессе ее осаждения. Все это приводит к улучшению структуры пленки и уменьшению поверхностного сопротивления. Пленки металлов, термически обработанные в вакууме сразу же после напыления, являются стабильными по своим электрофизическим свойствам и обладают высокой механической прочностью.

Рисунки 2.15–2.17 иллюстрируют характер и величину изменения поверхностного сопротивления металлических пленок после их прогрева. В частности, из рисунка 2.15 видно, что при прогреве пленок золота, полученных путем ионно-плазменного распыления (сплошные линии), поверхностное сопротивление уменьшается в большей степени, чем для пленок, полученных термовакуумным напылением (пунктирные линии).

Для очень тонких напыленных пленок алюминия (см. рис. 2.16) не происходит сколько-нибудь заметного