Контрольны вопросы

1. С чем связано изменение обратных токов -германиевых и кремниевых при­ боров с изменением напряжения при постоянной температуре?

2. Почему величина поверхностной составляющей обратного тока, как пра­ вило, больше величины объемной составляющей?

225

Глава 11 свойства тонких пленок

§ 11.1. Особенности структуры пленок

Структура пленок значительно отличается от структуры объем­ного материала того же состава. Иногда пленки имеют иное крис­таллическое строение по сравнению с массивным материалом. Структура пленок может меняться при изменении их толщины. В толстых пленках, осаждаемых на инородную подложку, возрас­тает плотность дефектов, что приводит к разупоридочению струк­туры.

Процессы получения пленок связаны с взаимодействием осаждающихся атомов с поверхностью твердого тела. На границах фаз протекают сложные процессы, заметно влияющие на механизм осаждения пленок, их сцепление с подложкой, характер зарожде­ния и роста пленки.

Под зарождением понимают возникновение зародышей твердой фазы из паровой или жидкой фазы. Рост пленки происходит после возникновения зародышей за счет их увеличения и слияния. Последующий рост связан с образованием сплошного слоя осаждаемого вещества и его утолщением. Структура образующейся пленки зависит от количества и размеров зародышей. При большой часто­те расположения и малых размерах зародышей структура получа­ется мелкозернистой, а при малой частоте и крупных размерах зародышей пленки приобретают крупнозернистую структуру. Структура пленок определяет их свойства.

226

3Как связаны между собой обратный ток и скорость поверхностной ре­ комбинации?

4Чем обусловлены токи поверхностной утечки?

Всегда ли наличие каналов па поверхности полупроводника приводит к увеличению обратных токов?

3. Почему ширина р-n-иерехода у поверхности кристалла значительно мень­ ше, чем в объеме?

4. Почему с ростом температуры напряжение поверхностного пробоя растет?

5. Почему во влажной среде шум типа l/f резко возрастает?

6. Почему у МДП-транзисторов шумовые характеристики хуже, чем у планарных?

10. Как влияет состояние поверхности на коэффициент передачи по току транзистора?

11. Что лучше, с точки зрения стабильности параметров полупроводниковых приборов большая или малая скорость рекомбинации?

12. Что такое «старение» полупроводниковых приборов?

10. К чему приводит дрейф обратного тока?

10. Как влияет состояние поверхности на величину порогового напряжения МДП-транзисторов?

11. Чем в основном обусловлено образование подвижного заряда в оксиде?

12. Почему для стабилизации поверхностного заряда используют диэлектри­ ческие пленки?

§ 11.2. Металлические пленки

Металлические пленки применяют для изготовления тонкопленочных резисторов и обкладок тонкопленочных конденсаторов, а также для создания токопроводящих дорожек и контактных пло­щадок в интегральных микросхемах.

Основными методами получения металлических пленок являют­ся термовакуумное напыление и ионно-плазмеиное распыле­ние.

С помощью первого метода можно получать пленки металлов любой толщины. Пленки получаются чистыми, так как процесс проводится в высоком вакууме.

Методом ионно-плазменного распыления получают пленки любых, в том числе тугоплавких, металлов. Они имеют более высокую адгезию и лучшую стабильность характеристик.

Па структуру тонких пленок независимо от способа их получе­ния существенное влияние оказывают температура подложки при испарении, степень вакуума, свойства испаряемых металлов и свойства материала подложки.

Структура тонких пленок, полученных путем термовакуумного напыления, зависит от температуры испаряемого материала. С точ­ки зрения влияния этого фактора, все металлы распределяются на три группы. К первой группе относятся металлы с температурой плавления выше 1900^е С (вольфрам, тантал, молибден и др.); ко второй— металлы с температурой плавления от 600 до 1900° С (золото, серебро, медь, никель, железо, хром, титан, платина), к третьей — металлы с температурой плавления ниже 650° С (сурь­ма, висмут, теллур, кадмий, цинк, индий, магний).

Для первой группы металлов характерно образование сплош­ных неориентированных слоев с малой величиной зерна, менее 15 нм, для второй группы типично образование крупнокристалли­ческой структуры. Металлы третьей группы образуют пленки, состоящие из крупных монокристаллов, ориентированных по отношению к подложке.

Скорость испарения по-разному влияет на структуру пленки для различных групп металлов, что связано с различием в подвижности атомов на подложке в процессе осаждения пленки. Время подвижного состояния на подложке у металлов третьей группы наи­большее, поэтому наибольшее влияние скорость испарения оказыва­ет на структуру пленок металлов этой группы. У этих металлов различие в значениях температуры плавления и испарения 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 малой скорости испарения кристаллизация происходит с самого начала процесса осаждения. У металлов первой и второй групп затвердевание конденсата происходит быстрее, чем у металлов третьей группы, и наблюдается зависимость структуры от скорости испарении. При малых скоростях на подложке осаж-

227

дается большое количество атомов остаточного газа, что влияет на структуру пленки и величину ее сопротивления.

Влияние остаточных газов на свойства пленок тем больше, чем меньше толщина пленки. Остаточные газы осаждаются не только в процессе роста пленки, но и после прекращения осаждения, по­скольку продолжается процесс адсорбции остаточного газа поверх­ностью пленки.

Свойства и структура пленок зависят от состояния поверхности и свойств подложек. Несовершенства и загрязнения поверхности подложек изменяют условия конденсации атомов металлов, изме­няется подвижность атомов, что сказывается на структуре пленки.

Эксперименты показали, что температура подложки влияет на структуру осаждаемой пленки в большей степени, чем все ос­тальные факторы. На холодной подложке пленки имеют мелко­кристаллическую структуру, на подогретой — крупнокристалличе­скую. При прогреве мелкокристаллической структуры она превра­щается в крупнокристаллическую.

На свойства пленок наибольшее влияние оказывает их толщина независимо от способа получения пленки. Условия получения пле­нок влияют на их свойства в меньшей степени.

В первую очередь толщина пленки влияет на ее удельное сопротивление. Как правило, удельное сопротивление пленок больше, чем у массивных образцов того же химического состава,

Сверхтонкие пленки не являются сплошными, а состоят из островков вещества, разделенных областями, не покрытыми осаждае­мым материалом. Электропроводность в такой пленке появляется только тогда, когда островки соединятся между собой. При рассмотрении электропроводности металлов говорилось о том, что удельное сопротивление металлов зависит от длины свободного пробега электронов. В тонких пленках эта длина ограничена столкновениями электронов с поверхностью пленки. С увеличением толщины пленки длина свободного пробега возрастает и соответствен­но снижается сопротивление пленки.

Длина свободного пробега электрона в пленке ограничивается не только се поверхностью, но и структурными дефектами. На структуру пленки влияет температура подложки в момент осажде­ния, поэтому удельное сопротивление зависит от температуры под­ложки, уменьшаясь с возрастанием температуры. Снижение 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 после прогрева у тонких пленок более велика, чем у толстых.

У пленок, полученных ионно-плазменным распылением, удельное сопротивление при прогреве изменяется сильнее, чем у термически осажденных пленок.

Изменение удельного сопротивления пленки с нагревом можно объяснить следующим образом. В пленках, осажденных на холод-

228

ную подложку, возникают значительные механические напряжения. Прогрев снимает их и удаляет примеси, адсорбированные пленкой в процессе осаждения. Все это улучшает структуру пленки и снижа­ет ее удельное сопротивление.

Пленки металлов, термически обработанные в вакууме сразу после напыления, стабильны по свойствам и обладают хорошей механической прочностью.

Поскольку тонкие металлические пленки применяют для изготовления резисторов, то для них важным параметром является тем­пературный коэффициент сопротивления — ТКС. Этот параметр определяется для стабильных пленок, прошедших термообработку. Экспериментально установлено, что ТКС зависит от толщины плен­ки; для тонких пленок он меньше, чем для толстых, и у пленок он меньше, чем у тех же объемных материалов. У некоторых тонких пленок ТКС становится даже отрицательным. Толщина пленки, при которой ТКС становится отрицательным, может быть различ­ной в зависимости от технологии получения пленок и от условий их получения — давления в установке, природы газа и т. п.

На термоэлектрические свойства пленок большое влияние оказывает технологический режим их получения. Изменяя параметры технологического цикла, можно получить разную величину термо-э. д. с. У топких пленок термо-э. д. с. значительно меньше, чем у массивных образцов, и с уменьшением толщины пленки знак тер­моэ. д. с. может измениться на противоположный.

Пленки, полученные обоими методами, имеют примерно одинаковую плотность, но она меньше плотности объемного материала. На плотность пленок влияет их толщина, с ее увеличением значение плотности пленок приближается к плотности объемного материала. Плотность пленок возрастает с ростом скорости осаждения, так как при этом структура пленок становится более крупнокристалличе­ской.

Адгезионные свойства у ионно-плазменных пленок лучше, чем у термоосажденных. Адгезия зависит от материала пленки, чисто­ты поверхности подложки, скорости осаждения и температуры подложки. Установки для ионно-плазменного распыления позво­ляют перед началом процесса производить ионную очистку подло­жек. Такая очистка активизирует поверхность и способствует об­разованию зародышей.

Механические напряжения в пленках, полученных распылени­ем, значительнее, потому что в процессе осаждения температура подложки не остается постоянной вследствие бомбардировки час­тицами разряда и теплового излучения мишени.

Перспективы развития микроэлектроники связывают с применением пленочных сверхпроводников. В сверхпроводящих пленках наблюдается целый ряд интересных эффектов, таких, как возник­новение сверхпроводимости в материалах, не обладающих сверх­проводимостью, и туннелирование в сверхпроводниках. Созданы сверхпроводящие пленки карбидов и нитридов тантала, сплавов ниобий — цирконий, ниобий — титан, ниобий — олово, ванадий —

229

титан, ванадии — кремний, ванадий — германий, ванадий — гал­лий.

Пленки сплава ниобия и ванадия толщиной около 100 нм способны пропускать большие токи, сравнимые с токами через массивные материалы. В пленках существенную роль играют размер­ные эффекты: толщина пленки и размер зерен.

Сверхпроводимость сохраняется до весьма малых толщин. В пленках свинца сверхпроводимость отсутствует лишь при толщи­нах, меньших 0,7 нм, а в пленках теллура и олова критическая тол­щина равна соответственно 1,1 и 4,0 нм.

Сверхпроводящее состояние характеризуется критической температурой, которая зависит от толщины пленки и в некоторых пленках возрастает с уменьшением толщины. В сверхпроводящих пленках олова и таллия зависимость критической температуры от толщины имеет максимум, а для пленок свинца кривая зависимости монотонно спадает с уменьшением толщины пленки. Такая взаимосвязь критической температуры и толщины объясняется структурными особенностями пленок и возникающими в них механиче­скими напряжениями. Эффект роста критической температуры а пленках называют усилением сверхпроводимости.

Максимальный рост критической температуры наблюдается а многослойных структурах, состоящих из чередующихся слоев сверхпроводника толщиной около 60 им и диэлектрика. Для сверхпроводящих пленок алюминия Ткр=1,19 К, а для семислойной струк­туры, состоящей из четырех слоев алюминия и трех слоев оксида кремния, Ткр=5,7 К.