9.3. Туннелирование сквозь тонкую диэлектрическую пленку. Диэлектрические тонкие пленки

Тонкая диэлектрическая пленка - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Тонкая диэлектрическая пленка

Cтраница 1

Тонкая диэлектрическая пленка на диэлектрической подложке с меньшим показателем преломления представляет собой диэлектрический волновод оптического диапазона, предназначенный для соединения активных элементов. [1]

Шероховатость поверхности тонких диэлектрических пленок оказывает существенное влияние на их физические свойства, ограничивая эксплуатационные характеристики, срок службы и надежность многослойных структур, используемых в электронной технике. Для получения высококачественных тонкопленочных материалов очень важен контроль над состоянием поверхностей наносимых слоев. [2]

Развитию резонансных разрядов способствуют тонкие диэлектрические пленки на проводящих поверхностях, образующиеся, в частности, при наличии паров масла в резонаторах. Поэтому целесообразно применять бгзмасляные высоковакуумные насосы. В ускорителе И-100, как уже отмечалось, резонаторы откачиваются посредством сорбционно-ионных титановых насосов. Предотвращению резонансных разрядов способствует такжз применение чистых сортов бескислородной меди в конструкции резонаторов и трубок дрейфа. [3]

В табл. 3 приведены свойства тонких диэлектрических пленок, получаемых различными способами. Практическая величина С ( мкФ - см-2 дается в дополнение к диэлектрической проницаемости. Указанные значения взяты из различных работ. Широкие исследования диэлектрических пленок продолжаются, поэтому данные таблицы не могут дать полную информацию о пленках с лучшими свойствами. Однако эти данные могут служить определенным руководящим материалом. Обычно используются алюминиевые электроды, полученные напылением, которые дают локализованный пробой. В том случае, когда диэлектрическая проницаемость превышает 100, можно предполагать, что пленки имеют кристаллическую структуру. [4]

Установка УВМ-71П-5 предназначена для напыления тонких диэлектрических пленок с помощью резистивного испарителя. Производительность установки 60 подложек / цикл, предельный вакуум - Япред 6 6 - 10 5 Па достигается за 90 мин. Установка может работать с управлением от ЭВМ и может быть включена в линию автоматического процесса напыления пленок. [5]

В данной работе экспериментально исследовались поверхности тонких диэлектрических пленок, нанесенных на поверхность полупроводниковой подложки. Методом атомно-силовой микроскопии исследовались слои BN, SiCh, SixNyOz, полученные плазмохимическим методом, а также их двойные композиции. [6]

Рассмотренные механизмы прохождения тока характерны для тонких диэлектрических пленок. В случае толстых пленок на прохождение тока начинают влиять процессы, протекающие в объеме пленки. Диэлектрик характеризуется малой концентрацией носителей заряда, поэтому электропроводность диэлектрической пленки может сильно изменяться при ннжекции в пленку носителей заряда. Как правило, уровень ннжекции превышает равновесную концентрацию носителей в диэлектрике, поэтому прохождение тока через диэлектрические пленки связано с инжектированными носителями заряда. [7]

На границе двух сверхпроводников, разделенных тонкой диэлектрической пленкой ( например, окисной) наблюдается интересное явление. [8]

В реальных приборах на поверхность полупроводника наносятся тонкие диэлектрические пленки и производится специальная термическая обработка с целью улучшения и стабилизации параметров приборов, а также защиты поверхности. Например, в кремниевых и некоторых арсенид-галлиевых планар-ных приборах и интегральных схемах поверхность покрыта слоем оксида ( SiO2) толщиной в десятые доли микрона. При этом возможно снижение плотности ловушек до 1010 см-2 в кремнии и 1012 - 1013см - 3 в арсениде галлия. Поверхностный заряд, обусловленный ловушками, непостоянен, так как число заряженных ловушек изменяется в зависимости от напряженности электрического поля, потенциала и концентрации носителей у поверхности. [9]

В связи с широким применением в электронике тонких диэлектрических пленок, в которых велика напряженность электрического поля, а также с повышением рабочих температур электронных и электротехнических устройств вопрос об электропроводности диэлектриков и связанных с ней явлениях старения ( деградации) и электрического пробоя является весьма актуальным. То же самое относится и к оптическому пробою - лазерному разрушению прозрачных диэлектриков, определяющему пределы допустимой лучевой плотности мощности в лазерных устройствах. [10]

Сульфиды AsjSj и Sb2S3 используют для образования тонких диэлектрических пленок при изготовлении пленочных конденсаторов в микросхемах. Хорошие диэлектрические свойства в пленках имеет стибнит Sb: малую проводимость ( 4 - Ю12 ом - см), значительную диэлектрическую проницаемость ( & 18 - 20), большую светочувствительность и др. Поэтому его в настоящее время наиболее широко применяют как материал для создания фотопроводящих тонких ( 2 - 3 мкм) слоев мишеней передающих телевизионных трубок ( видиконов), в которых используется внутренний фотоэффект. Как материалы для изготовления мишеней видиконов интересны некоторые халькогенидные стекла, ( гл. [11]

Сульфиды As2S3 и Sb2S3 используют для образования тонких диэлектрических пленок при изготовлении пленочных конденсаторов в микросхемах. Хорошие диэлектрические свойства в пленках имеет стибнит Sb2S3: большое сопротивление ( 4 1010 Ом м), значительную диэлектрическую проницаемость ( е18 - 20), большую светочувствительность и др. Поэтому его в настоящее время наиболее широко применяют как материал для создания фотопроводящих тонких ( 2 - 3 мкм) слоев мишеней передающих телевизионных трубок ( видиконов), в которых используется внутренний фотоэффект. [12]

Эффекты, связанные с протеканием эмиссионных токов в тонких диэлектрических пленках, не ох: ватываются ни физикой полупроводников, н и физикой диэлектриков. [13]

Пула - Френкеля используется при анализах прохождения тока через тонкие диэлектрические пленки. [15]

Страницы: 1 2 3 4

www.ngpedia.ru

Получение и свойства диэлектрических тонких пленок ZrO2-Y2O3 Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»

УДК 621.383.075

И. Ю. БРИГАДНОВ, М. К. САМОХВАЛОВ

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОНКИХ ПЛЕНОК Zr02-Y203

Рассмотрена проблема создания тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов. Исследованы электрические и оптические свойства прозрачных тонких диэлектрических пленок, входящих в электролюминесцентную структуру. Указано влияние характеристик пленок на параметры индикаторных устройств.

Тонкие диэлектрические пленки нашли в настоящее время очень широкое применение в микроэлектронике в качестве изолирующих слоев, диэлектриков конденсаторов, в оптике, средствах отображения информации, в частности, в структурах тонкопленочных электролюминесцентных индикаторов (ТП ЭЛИ) и других областях науки и техники. ТП ЭЛИ относятся к активным светоизлуча-ющим устройствам, и диэлектрические слои, используемые в них, испытывают воздействие сильных электрических полей и светового излучения. Вследствие этого к диэлектрическим пленкам, используемым в таких структурах, предъявляют требования сочетания высоких изолирующих свойств и высокой прозрачности в оптическом диапазоне длин волн [1, 2]. В связи с этим проведены исследования электрических и оптических свойств прозрачных тонких диэлектрических пленок, рас-, смотрены технологические аспекты их формирования.

Экспериментальные исследования диэлектрических пленок НЮ2, Si02, А1203, 2г02, Y203 и их твердых растворов, полученных в вакууме методом электронно-лучевого испарения с кольцевым катодом, показали плохую воспри-зводимость свойств пленок оксидов гафния и алюминия, что может быть обусловлено диссоциацией эти оксидов в процессе напыления. Пленки диоксида кремния обладали невысокими электрическими характеристиками, а ЭЛК, изготовленные с применением данного диэлектрика, имели высокие рабочие напряжения. Высокие изолирующие свойства показали пленки оксида иттрия, но рабочие напряжения индикатора при использовании такого диэлектрика были все же высоки. Исследовались твердые растворы оксидов циркония и иттрия, содержащие от 10 до 25% оксида иттрия. Пленки твердых растворов оксидов циркония и иттрия (особенно содержавшие 13% Y203) имели меньшую степень диссоциации при испарении в вакууме, по сравнению с чистыми оксидами они обладали более высокой химической устойчивостью и стабильностью [3].

В связи с этим были детально исследованы пленки твердых растворов, содержащих 13% (мае.) оксида иттрия и 87% (мае.) оксида циркония. Свойства данного материала изучали в структурах «прозрачный электрод-

диэлектрик-металл» - (МДМ). В качестве подложек, на которых формировали структуры, использовали пластины бесщелочного стекла толщиной 1,5-3 мм с нанесенным слоем прозрачного электрода, представлявшего собой пленку оксида олова толщиной 0,2 мкм, имеющую удельное поверхностное сопротивление 50-100 Ом/О И прозрачность более 95-98 % в видимом диапазоне. После механической и химической очистки на подложку осаждали пленку диэлектрика методом электронно-лучевого испарения в вакууме ~10' Па. Скорость напыления составляла 10-15 нм/мин. Подогрев подложки не проводили, ее температура к окончанию процесса не превышала 100-150 °С. На поверхности диэлектрика методом термического испарения через трафарет формировали алюминиевые электроды толщиной 0,2-2 мкм и площадью до 2 мм2.

Исследуемые пленки были прозрачными и однородными, имели хорошую адгезию к электродам. Данные рентгеноструктурного анализа показали, что пленки были аморфными. Емкость и проводимость диэлектрических пленок измеряли на установке Е8-2частота. При функционировании ТП ЭЛК в силу малой величины рассеиваемой мощности не испытывают перегрева [4], поэтому первоначально измерения выполнялись при комнатной температуре. По значениям емкости определяли относительную диэлектрическую проницаемость, которая составила 18-19. Определенные на основании значений емкости и проводимости величины тангенса угла диэлектрических потерь составили 0,02-0,04. Исследования частотной и полевой зависимостей диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь показали, что их значения практически не изменяются в интервале частот от 50 Гц до 20 кГц для электрического поля напряженностью до 3105 В/см.

Электропроводность тонких пленок твердого раствора оксидов ZrQz -У20з определяли с помощью измерения вольт-амперных характеристик при постоянном токе. Значения удельного сопротивления для слабых по-лей превышали 1013 Ом см. Электрическая прочность диэлектрических слоев, определенная при измерении на переменном (частотой 1кГц) и постоянном токах, составляла (3-6)10б В/см [3,4, 5].

Надежность работы ТП ЭЛИ зависит от температурной стабильности свойств диэлектрических пленок. В силу малой величины рассеиваемой мощности во время функционирования индикаторов не происходит значительного нагрева тонкопленочной структуры. В то же время может возникнуть необходимость эксплуатации устройств в условиях высоких температур окружающей среды. В связи с этим исследовано влияние температуры на изменение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь пленок, содержащих в своем составе 87% оксида циркония и 13% оксида иттрия. Измерения проводились на частоте 1 кГц с помощью моста Е8-2 при нагреве образцов в термостате в интервале температур от +20 до +200 °С. Исследования показали монотонное увеличение

относительной диэлектрической проницаемости (рис.1) с 18,5 до 23,5 и тангенса угла диэлектрических потерь (рис.2) с 0,02 до 0,24.

Рис.2. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры

Наблюдаемые при высоких температурах изменения параметров диэлектрических пленок отразятся на эксплуатационных характеристиках ТП ЭЛИ. Так, увеличение диэлектрической проницаемости приведет к снижению величин порогового, рабочего и пробивных напряжений, а рост диэлектрических потерь - к увеличению потребляемой мощности, уменьшению светоотдачи и надежности работы устройства.

Одним из важных параметров, характеризующих тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы, является коэффициент пропускания (прозрачности), значения которого зависят от материала, вводимых примесей и метода получения пленок. Измерение коэффициента пропускания исследуемых образцов выполнялись с помощью спектрофотометра СФ-26. Исследования спектральных характеристик диэлектрика на основе твердого раствора оксида циркония и оксида иттрия, полученного методом электроннолучевого испарения, показали уменьшение коэффициента пропускания в сине-голубой области спектра на 15-20% [6], что характерно также

и для спектральной зависимости чистой пленки оксида циркония. Толщины исследованных диэлектрических пленок составляли 0,25 мкм. Результаты исследований могут быть полезны при разработке ТП ЭЛИ, при определении электрических и температурных режимов работы. Проведенные измерения подтвердили возможность использования прозрачных электродов данного состава для изготовления ТП ЭЛИ и показали снижение коэффициента пропускания диэлектрика на основе Z1O2-Y2O3 в сине -голубой области спектра, что следует учитывать при создании полноцветных индикаторов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Самохвалов М. К. Тонкопленочные электролюминесцентные источники излучения. Ульяновск: УлГТУ, 1999. 117 с.

2.Бригаднов И. Ю., Самохвалов М. К. Обеспечение надежности и качества тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов при их проектировании и производстве // Тез. докл. МНТК «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем». Пенза: 1ТГТУ, 1995. С. 172-173.

3.Бригаднов И. Ю., Самохвалов М. К. Влияние условий получения сульфида цинка на характеристики тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов // Лазерная техника и оптоэлектроника. 1993. №1-2. С.48-50.

4.Самохвалов М. К. Рассеяние тепла в тонкопленочных электролюминесцентных структурах // Письма в ЖТФ. 1995. Т.21, №11. С.6-9.

5.Бригаднов И. Ю., Самохвалов М. К. Получение и свойства диэлектрических и люминесцентных пленок электролюминесцентных композиций на основе сульфида цинка // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 1998. Т.З. С.64-68.

6.Бригаднов И. Ю., Голубева Т. А. Исследование прозрачности проводящих и диэлектрических тонких пленок электролюминесцентных структур // Труды междунар.конф. «Оптика полупроводников». Ульяновск: УлГУ, 2000. С.52.

Самохвалов Михаил Константинович, доктор физико- математических наук, профессор, окончил физический факультет Саратовского государственного университета. Заведующий кафедрой «Проектирование и технология электронных средств» УлГТУ. Имеет статьи и монографии по тонкопленочным электролюминесцентным индикаторным устройствам.

Бригаднов Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, до-цент, окончил радиотехнический факультет Ульяновского политехнического

института. Доцент кафедры «Проектирование и технология электронных средств» УлГТУ. Имеет статьи и патенты по тонкопленочным электролюминесцентным индикаторам.

УДК 621.387; 681.335 В. Н. ШИВРИНСКИЙ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Проведены исследования газоразрядных преобразователей, которые показали возможность расширения диапазона и снижения погрешности измерения за счет изменения напряжения питания релаксационного генератора согласно изменению напряжения пробоя газового промежутка и рационального выбора межэлектродного расстояния. Предлагаемая схема преобразователя может найти применение в быстродействующих датчиках давления повышенной точности.

На современном этапе развития авиационной техники для целей пилотирования и навигации, автоматического управления летательными аппаратами возникла необходимость в разработке быстродействующих измерителей статического давления воздушного потока повышенной точности и с достаточно широким диапазоном измерения. Деформационные приборы, применяемые в настоящее время, уже не удовлетворяют возросшим требованиям.

Практический интерес представляют газоразрядные измерители давления. Такие приборы имеют высокое быстродействие, не боятся перегрузок, позволяют измерять давление в диапазоне, освоенном современными летательными аппаратами. Принцип их действия основан на зависимости напряжения пробоя газового промежутка от давления газа и расстояния между электродами. При этом погрешность измерения давления обусловлена погрешностью измерения напряжения пробоя. В физическом эксперименте разброс напряжения пробоя составляет 0,01-0,1%. В то же время погрешность газоразрядных измерителей значительно больше (2-3%, могут быть разрывы градуировочной кривой, достигающие 10% и более).

Газоразрядный преобразователь представляет из себя релаксационный генератор (рис.1), где в качестве нелинейного элемента используется сам газоразрядный промежуток Р.

Такие системы достаточно полно исследованы в работе [I], где показано, что разрывные колебания возникают, если «нагрузочная» прямая пересекает вольт-амперную характеристику разряда на падающем участке.

cyberleninka.ru

9.3. Туннелирование сквозь тонкую диэлектрическую пленку

Выше мы уже рассматривали туннельный эффект в равновесных условиях (п.2.5). Напомним, что туннельным эффектом называется прохождение микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера. Характерно, что при туннелировании энергия микрочастицы остается неизменной.

Рассмотрим систему, состоящую из двух металлических электродов М1и М2и диэлектрического тонкого слоя Д между ними (рис. 9.4,а).

а)б)

Рис. 9.4. Структура МДМ: а– равновесное состояние;б – приложено напряжениеU; К – катод; А – анод

Пусть диэлектрик является туннельнопрозрачным, тогда потенциальный барьер между катодом и анодом можно представить в виде трапеции.

В этом случае потенциальная энергия внутри барьера будет равна

, (9.11)

если отсчитывать энергию от Е0.

Однако если учесть силы электрического изображения, величина и форма потенциального барьера изменятся с учетом потенциальной энергии, соответствующей силам электрического изображения

. (9.12)

С учетом (9.4) потенциальный барьер оказывается более низким и тонким. Последнее обстоятельство делает его более прозрачным для туннелирования электронов сквозь барьер. Прозрачность потенциального барьера может быть определена выражением

, (9.13)

где Е– кинетическая энергия электрона,

D0 – коэффициент, близкий к единице.

В равновесном состоянии потоки электронов, туннелирующих из катода и анода, равны (jк=ja).

Если приложить к МДМ структуре разность потенциалов U, то уровни сместятся относительно друг друга (рис. 9.4,б)

, (9.14)

и туннельные токи jкиjaуже не будут равны между собой.

Расчет разности токов для барьера 2 (рис. 9.4, б) при низких температурах показывает, что

, (9.15)

где β1,β2,β3– постоянные определяемые параметрами МДМ структуры:χ1,χ2,d.

При малых Uэкспоненты в (9.15) можно разложить в ряд и ограничиться его первыми членами. В этом случае зависимостьj(U) близка к линейной

J~Uо. (9.16)

Температурная зависимость туннельного тока имеет вид

J=T2. (9.17)

При увеличении напряжения на МДМ-структуре зависимость j(Uо) от линейной переходит в экспоненциальную с последующим насыщением.

Туннельный эффект лежит в основе работы ряда активных приборов (см. п. 9.7).

9.4. Токи надбарьерной инжекции электронов

Если диэлектрическая пленка в МДМ-структуре составляет 0,01-0,5 мкм, туннельный эффект в ней становится незначительным. В таких пленках работает надбарьерная эмиссия электронов по механизму ШотткиилиФренкеля-Пула(табл. 9.1).

Если толщина пленки dпорядка длины свободного пробегаλ(d≤λ), использовать известную формулу для электропроводностиσ=enμнельзя. В этом случае электроны металла, преодолевшие барьерφδи влетевшие в диэлектрическую пленку, будут попадать на второй электрод практически без столкновений (рис. 9.5,а). Такой механизм прохождения носителей заряда через тонкую диэлектрическую пленку называетсянадбарьерной инжекцией, илимеханизмом Шоттки.

фж

а)б)в)

Рис. 9.5. Механизм Шоттки в МДМ-структуре: а–U=0;б–U>0;в– ВАХ МДМ-стуктуры

В случае нейтрального контактадля определения инжекционного потока можно использовать закон Ричардсона-Дешмана

Очевидно, что суммарный ток в МДМ-структуре будет равен нулю. При приложении к МДМ структуре разности потенциалов и ее энергетическая диаграмма изменится (рис. 9.5, б). Вследствие этого плотность тока электронов анод-катод уменьшится и будет равнаja

. (9.19)

Плотность встречного потока катод-анод останется неизменной. Величина результирующего тока jримеет направление катод-анод и равна

. (9.20)

Ток такой структуры имеет симметричный характер, что справедливо в случае симметричной МДМ-структуры.

При достаточно больших смещениях (U>>kT/e) ток насыщается, поскольку остается практически лишь поток электронов из катода, не зависящий от смещения.

Этот вывод справедлив для барьера прямоугольной формы. На самом деле барьер скруглен из-за действия сил зеркального отражения (см. рис. 9.4). При малой толщине пленки dэто приводит к понижению высоты барьера на величину Δφ

. (9.21)

Ари d=10-8м Δφсоставит 2,6∙10-2эВ. Тогда, подставив (9.20) вместо

(9.19), получим соотношение

j≈jpe.(9.22)

Приложение внешнего смещения к потенциальному барьеру вызовет изменение его формы и величины Δφ. Этот эффект аналогичен эффекту Шоттки при термоэлектронной эмиссии в вакуум. Учет данного эффекта и сил электрического изображения позволяет получить приближенную формулу для тока, текущего через МДМ-структуру

. (9.23)

Из последнего выражения следует, что учет эффекта Шоттки приводит к исчезновению на ВАХ участковнасыщения. Из (9.23) можно также сделать вывод о том, что при больших смещениях ток надбарьерной инжекции подчиняются соотношению

J~exp. (9.24)

Кроме того, необходимо учесть, что с ростом напряженности электрического поля, его взаимодействие с потенциалом изображения приведет к изменению потенциального барьера. Результирующая величина уменьшения потенциального барьера может быть найдена из соотношения

. (9.25)

Эффект Френкеля-Пула(термическая ионизация в присутствии сильного электрического поля) заключается в снижении потенциального барьера донорного атома [п. 6.4]. Этот процесс является аналогом эффекта Шоттки для барьера на границе раздела металл-диэлектрик. Так как потенциальная энергия электрона в кулоновском поле в четыре раза больше энергии, обусловленной силами изображения, то понижение барьера за счет эффекта Френкеля-Пула вдвое больше понижения, вызванного эффектом Шоттки на нейтральном барьере (9.21)

. (9.26)

Таким образом, ток через контакт в сильном электрическом поле может быть описан выражением

, (9.27)

где j0 – плотность тока в слабом поле.

Инжекция Шоттки и Френкеля наряду с туннельной инжекцией является одним из основных механизмов переноса заряда в МДМ-структуре.

studfiles.net

9.1. Структура и свойства тонких пленок

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 туннелированиечерез тонкий потенциальный барьер,термоэлектронная эмиссия,прыжковая проводимостьи др. С другой стороны, тонкая пленка обладает большей удельной поверхностьюSпл/Vпл, чем удельная поверхность объемных телSоб/Vоб.

Sпл/Vпл>>Sоб/Vоб. (9.1)

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 растет (рис. 9.1).

0,1

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 механизм электропроводности. Данный эффект носит пороговый характер и называется классическим размерным эффектом. Он возникает, если длина свободного пробега электронаλсоизмерима с толщиной пленкиd≤λ. В этом случае основным типом рассеяния электронов становится рассеяние на поверхностях. Знакомое нам правило Матиссена (5.64) приобретает третье слагаемоеρ(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

, (9.2)

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).

Таблица 9.1

Механизмы электропроводности в диэлектрических пленках

Механизм	Толщина, мкм	Зависимость I(U)	Пример
Туннелирование	<0,01	I~U2exp(-k/U)	GaSe
Эмиссия, механизм Шоттки	0,01-0,5	I~T2exp(a√E/T)	Ta2O5
Эмиссия, механизм Френкеля-Пула	0,01-0,5	I~T2exp(2a√E/T)	Si3N4
Ограничение объемным зарядом	~10	I~ U2/x3
Оптический		I~Uexp(-b/T)	SiO

В таблице Е– напряженность электрического поля,

a– параметр решетки,

b=Eg/k.

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].

studfiles.net

Электропроводность тонких диэлектрических пленок

Published on27-Jul-2015
View886
Download3

Transcript

Кафедра физики твердого тела Специализация твердотельной электроники и микроэлектроники Учебная лаборатория физики твердого тела Электропроводность тонких диэлектрических пленок Описание лабораторной работы подготовили: студенты 4 курса Потупалова Л.М., Штуберт А.Ю., Штуберт О.М. Использованные литературные источники: 1) Райкерус П.А. – Методическое пособие по лабораторной работе «Электропроводность тонких диэлектрических пленок», Петрозаводск, 1984. 2) Малиненко В.П., Сергеева О.В. – Методические указания к лабораторной работе «Зонный и прыжковый механизмы переноса в неупорядоченных оксидах металлов», Петрозаводск, 2002. Петрозаводск 2003г Электропроводность тонких диэлектрических пленок. Цель работы: 1. Ознакомится с теорией электропроводности тонких диэлектрических пленок, с типами контактов металл-диэлектрик, с токами, ограниченными пространственным зарядом, с эффектом Паула-Френкеля в аморфных веществах. 2. Экспериментально исследовать электропроводность анодных окисных пленок на тентале или ниобии и нитриде кремния 1. Предварительные замечания Введение. В этой лабораторной работе мы обсудим механизм проводимости в тонких диэлектрических пленках, входящих в структуру металл-диэлектрик-металл (МДМ), т.е. структур типа «сэндвич». Слово sandwich в переводе с англ.языка означает «бутерброд», «слоистая структура». Так как в таких структурах применяют в основном тонкие пленки, обычно толщиной 1-2 мкм, то даже при малых напряжениях порядка нескольких вольт напряженность электрического поля в пленке весьма велика и достигает величины 105-106В•см-1. В противоположность свойствам в слабых полях, когда наблюдаются омические ВАХ (ток I линейно зависит напряжения U) ,в сильных полях свойства пленок более интересны, так как ВАХ обычно имеет ряд особенностей. Очень часто электрические свойства в сильных полях не могут быть удовлетворительно описаны одним механизмом проводимости и в различных диапазонах напряженности электрического поля могут доминировать разные механизмы. Вопросы, касающиеся ионной проводимости, в данной лабораторной работе не рассматриваются, по ионной проводимости см. лабораторную работу по проводимости окисных пленок, погруженных в электролиты. Экспериментальная часть работы посвящена исследованию ВАХ структур металл – анодная окисная пленка - металл или полупроводник – окись кремния – нитрид кремния – металл. В последнем случае полупроводник (Si) играет роль электрода, окись кремния и нитрид кремния – это диэлектрики. Проводимость тонких пленок. Диэлектрик –это материал, концентрация носителей в котором крайне низка, во многих веществах значительно меньше 1 см-3, вследствие чего он фактически не обладает проводимостью при комнатной температуре. Как будет показано ниже, прохождение тока через тонкопленочные материалы вовсе не определяется собственными свойствами диэлектриков. Электрические свойства систем МДМ могут резко отличаться от свойств, ожидаемых при учете лишь объёмной проводимости примененных диэлектриков, ширина запрещенной зоны которых обычно более 2 эВ. Зачастую электрические характеристики таких систем определяются другими свойствами, такими как природа контакта электрод – диэлектрик. Омический контакт (см. ниже) способствует инжекции дополнительных носителей в диэлектрик, концентрация которых гораздо больше концентрации собственных носителей. Кроме того, напряжение в несколько вольт способно создать необычно сильное электрическое поле в пленке диэлектрика вблизи границы электроддиэлектрик, что способствует инжекции носителей из электрода в диэлектрик. Другим важным фактором, который нужно учитывать при рассмотрении тонкопленочного диэлектрика, является наличие в нем ловушек, так как диэлектрические пленки в большинстве случаев являются некристаллическими (аморфными). В самое последнее время показано, что в 2 аморфных веществах существует много таких ловушек, связанных с обрывом связей или с перестройкой этих связей (так называемые валентно-альтернативные дефекты, когда одновременно возникают в равной концентрации дефекты донорного и акцепторного типов). Донорные центры приводят к электропроводности Пула – Френкеля, а по акцепторным ловушкам может осуществляться прыжковая проводимость. Зонная структура. Следует отметить, что на энергетических диаграммах запрещенная зона, разделяющая валентную зону и зону проводимости, изображается всегда с четко выраженными границами. Строго говоря, запрещенная зона с четко выраженными границами является свойством лишь кристаллических тел, а мы в большинстве случаев имеем дело с аморфными диэлектриками в виде тонких пленок. Однако можно показать, что большинство особенностей зонной структуры твердого тела определяется ближним порядком, поэтому основные свойства зонной структуры кристаллического состояния можно перенести на аморфное состояние. Отсутствие дальнего порядка в некристаллических материалах вызывает развитие краев зоны проводимости и валентной зоны, так что энергетические зоны не являются четко выраженными. Но в первом приближении можно считать, что в диэлектрических пленках ширина запрещенной зоны строго определена и соответствует некоторой средней величине реальной размытой энергетической зоны. В пределах ограничений, налагаемых такой моделью, рассмотрим ряд особенностей структуры пленочных диэлектриков. 2. Виды контактов Пленочные оксиды переходных металлов, таких как тантал, ниобий, вольфрам, гафний, иттрий и др., при получении их анодным окислением являются неупорядоченными по своей структуре материалами. Заметную проводимость они проявляют в полях свыше 104-105 В/см. при этом в связи с особенностью структуры в них могут проявляться различные механизмы проводимости зонного и не зонного характера, а также нелинейная проводимость с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При рассмотрении проводимости структуры металл-пленочный диэлектрик-металл важно знать, что представляет собой контакт металл-диэлектрик. По типам контакты могут быть нейтральными, омическими и выпрямляющими. В литературе [1,2] рассмотрены контакты полупроводников и диэлектриков с металлами и электролитами. Диэлектрики, к которым относятся многие окислы переходных металлов, можно рассматривать как широкозонные полупроводники с учетом низкой концентрации электронов при нормальных условиях. При этом подход к рассмотрению контактов металл-полупроводник, металл-диэлектрик будет одинаковым. На рис.1 представлены схемы энергетических уровней для нейтрального контакта между металлом и диэлектриком. Электрически нейтральный контакт предполагает, что в диэлектрике нет объемных зарядов и изгиба зон, так что края зоны проводимости и валентной зоны остаются плоскими до поверхности металла. Условиями плоских контактов являются соотношения работ выхода металла φm и изолятора или полупроводника φ. При φm = φ (рис. 1а) равновероятен переход электрона из металла и изолятора, в результате чего суммарный ток равен нулю и вблизи поверхности объемный заряд возникать не будет. При φm = φ (рис.1б и в) в области низких температур или когда уровень захвата электронов расположен высоко над уровнем Ферми Е, объемный заряд, захваченный ловушками, будет слишком мал, чтобы вызвать изгиб зон. Нейтральный контакт определяется как контакт, при котором концентрация носителей в приконтактном слое равна их концентрации в объеме изолятора. Ток, инжектированный из металлического контакта в изолятор, в соответствии с законом Ома достигает анода. Для изоляторов часто выполняется соотношение φm1

documents.tips

9.1. Структура и свойства тонких пленок

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+.

227

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 проводимостьи др. С другой стороны, тонкая пленка обладает большей удельной поверхностью Sпл/Vпл, чем удельная поверхность объемных тел Sоб/Vоб.

Sпл/Vпл>> Sоб/Vоб.

(9.1)

При уменьшении толщины пленки ее удельное сопротивление рас-

тет (рис. 9.1).

ρ/ρ0

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 электронаλ соизмерима с толщиной пленкиd ≤λ. В этом случае основным типом рассеяния электронов становится рассеяние на поверхностях. Знакомое нам правило Матиссена (5.64) приобретает третье слагаемоеρ(d) и может быть записано в виде

ρ =ρо+ρт+ρ(d).

Слагаемое ρ(d) зависит от геометрии проводника.

	2	n2				,	(9.2)
Е			2	k 2	k 2

	2m	d		y	z

где n – натуральный ряд чисел.

			Таблица 9.1
Механизмы электропроводности в диэлектрических пленках

Механизм	Толщина, мкм	Зависимость I(U)		Пример

Туннелирование	<0,01	I~U2exp(-k/U)		GaSe
Эмиссия, механизм Шоттки	0,01-0,5	I~T2exp(a√E/T)		Ta2O5
Эмиссия, механизм Френкеля-Пула	0,01-0,5	I~T2exp(2a√E/T)		Si3N4
Ограничение объемным зарядом	~10	I~ U2/x3
Оптический		I~Uexp(-b/T)		SiO

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

229

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 контактаметалл-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 1см-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, контактметалл-диэлектрикотносится 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 условиеχм <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 называетсяобластью обогащения. При слабом обогащении толщина ОПЗ равняется дебаевской длине экранированияLД

L			kT	12	(9.3)
L		0		.	(9.3)
д	e	2	n0
	e		n0

230

ЕО		ЕО	ЕО		ЕО
			ЕО
χМ	χД				ЕСД
	χД	Е	ЕФ
		Е			-θ0
ЕФМ		СД			-θ0
ЕФМ
		ЕФД	М	d	Д
				d

М	Д
		а)χМ <χД

ЕО		ЕО
χМ	χД	ЕСД
χМ		ЕСД

М	Д	М	Д
		б)χМ =χД
ЕО		ЕО
		ЕО

χМ	ЕСД	+	θ0	ЕСД
	χДД
ЕФМ	ЕФД	+ + +
		ЕФ

в)χМ >χД

Рис. 9.2. Зонные диаграммы металла (М), диэлектрика (Д) и контактов (М-Д):а – омический;б – нейтральный;в – блокирующий контакт

При сильном обогащении, когда концентрация носителей заряда у контакта nк значительно превышает равновесную, в (9.3) следует заменитьn0 наnк. Сама концентрацияnк зависит от величиныχм-Ад,гдеА – энергия электронного сродстваАд =Е0-ЕСД.

В табл. 9.2 приводятся расчетные значения d для различных величинχм-Ад.Видно, что при комнатной температурехороший омический контакт получается тогда, когда величинаχм-Ад не превышает 0,3.

				Таблица 9.2
	Глубина обогащенного слоя [20]

χм-Ад	0,1	0,2	0,3	0,4
d, мкм	1,6∙10-3	0,12	0,72	7,2

231

Общий заряд ОПЗ диэлектрика может быть определен из выражения

Q		2	kN	12 exp	М	AД	,	(9.4)
	Д
			0 С			kT

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). Приχм >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

2 0 0		12	.	(9.6)
d
	e2n

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

	2			0	12
d			0	0	.	(9.7)
	e	2	Nд
	e		Nд

232

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

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

					Таблица 9.3
		Глубина области обеднения

Nд,м-3	1021		1023	1025	1027
d, мкм	1		0,1	10-2	10-3

Если к такому контакту приложить разность потенциалов, то тол-

щина ОПЗ будет увеличиваться
	2	0 0 eU		12 .	(9.8)
d		2	Nд
		e	Nд

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

Eк 2Nд 0 en/ 0 12 .

(9.9)

Свойства структуры металл-диэлектрик-металл(МДМ) будут зависеть от свойств контактовметалл-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 значениеЕС большеχд-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 случайхороших иплохих 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

Причина плохого качества заключается либо в малой толщине диэлектрика, либо в недостаточной степени его легирования. В противоположность этому на рис. 9.3, г показан случайМДМ-структурыс хорошими блокирующими контактами. В них, как и в хороших омических контактах, внутренняя часть диэлектрика свободна от электрического поля и дно зоны проводимости является плоским.

				ЕСД
				EФ
Д	М	М	Д	М
а)	χМ< χД		б)

М	Д	М	М	Д	М
	в)	χМ> χД		г)

EO	ЕСД				EO
	ЕСД		χМ1		χМ2
			χМ1		χМ2
EФ					ЕСД
EФ
М	Д	М	М1	Д	М2 EФ
	д)				е)

Рис. 9.3. Энергетические диаграммы МДМ-структур:а,б – плохой и хороший омические контакты;в, г – плохой и хороший блокирующие контакты;

д,е – одинаковые и разные нейтральные контакты

3. Другие типы контактов. На рис. 9.3,д,е показаны случаи блокирующих контактов к собственному или очень тонкому легированному диэлектрику. Здесь никакого искривления зон не происходит, как и в нейтральных контактах. Причина этого – неспособность диэлектрика поставитьсколько-нибудьзначительный заряд из своего объема. Если

234

studfiles.net

9.1. Структура и свойства тонких пленок

Sпл/Vпл>>Sоб/Vоб. (9.1)

При уменьшении толщины пленки ее удельное сопротивление растет (рис. 9.1).

0,1

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

ρ=ρо+ρт+ρ(d).

Слагаемое ρ(d) зависит от геометрии проводника.

, (9.2)

где n– натуральный ряд чисел.

Таблица 9.1

Механизмы электропроводности в диэлектрических пленках

Механизм	Толщина, мкм	Зависимость I(U)	Пример
Туннелирование	<0,01	I~U2exp(-k/U)	GaSe
Эмиссия, механизм Шоттки	0,01-0,5	I~T2exp(a√E/T)	Ta2O5
Эмиссия, механизм Френкеля-Пула	0,01-0,5	I~T2exp(2a√E/T)	Si3N4
Ограничение объемным зарядом	~10	I~ U2/x3
Оптический		I~Uexp(-b/T)	SiO

В таблице Е– напряженность электрического поля,

a– параметр решетки,

b=Eg/k.

studfiles.net