VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Тонкие пленки широко применяются в производстве дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Получение высококачественных и воспроизводимых по электрофизическим параметрам тонкопленочных слоев является одним из важнейших технологических процессов формирования структур как дискретных диодов и транзисторов, так и активных и пассивных элементов интегральных микросхем.

Существуют различные методы создания тонкопленочных структур. Процесс нанесения тонких пленок состоит в создании (генерации) потока частиц, направленного в сторону обрабатываемой подложки, и последующей их концентрации с образованием тонкопленочных слоев на покрываемой поверхности. Для модификации свойств поверхности твердого тела используют различные режимы ионной обработки. Процесс взаимодействия ионного пучка с поверхностью сводится к протеканию взаимосвязанных физических процессов: конденсации, распыления и внедрения. Выбираются методы, как с учетом физико-химических свойств получаемых материалов, так и физико-химических свойств используемых в процессе получения пленок. Общими требованиями, предъявляемыми к каждому из этих методов, является воспроизводимость свойств и параметров получаемых пленок и обеспечения надежного сцепления (адгезии) пленок с подложками и другими пленками.

В процессе напыления, вокруг отдельных центров кристаллизации происходит рост кристаллитов, которые впоследствии срастаются и образуют сплошную пленку. Это происходит как за счет мигрирующих по поверхности частиц, так и в результате непосредственного осаждения частиц на поверхность кристаллитов. Качество поверхности подложки перестает влиять на свойства наносимой пленки после того как образовалась сплошная пленка. Далее получают необходимую толщину пленки.Полученные пленки имеют повышенную полярность и низкие частотные характеристики, так же как правило они имеют аморфную форму. Пленки могут содержать некоторые дефекты:

- кислородные вакансии

- образование кристаллических областей, проколов

- ионы металлов в узлах решетки

- ионы кислорода

- микроканалы и микротрещины и др.

Считается, что дефекты подобного рода сокращают срок службы: делают приборы более восприимчивыми к импульсным перегрузкам в процессе эксплуатации. Дефекты, связанные с расплавлением объемных участков полупроводникового материала, не влияющие на выходные параметры изделия [4]. При существовании в тонких полупроводниковых пленках целого ряда дефектов различного размера, формирование теплового пробоя будет происходить на самом крупном дефекте пленки, проявляющееся в виде точечного свечения. Такие светящиеся точки представляют собой токовые каналы, обладающие существенно повышенной, по сравнению с окружающей пленкой, температурой. Такие каналы называют микроплазменными каналами. Тепловые каналы зарождаются на статических, связанных с нарушениями внутренней структуры материала, флуктуациях температуры. В рамках таких представлений, каждый из каналов рассматривается в качестве элемента термодинамической системы, которая состоит из набора тепловых каналов, пронизывающих пленку и обменивающихся теплом с окружающим их термостатом, роль которого выполняет среда пленки, находящаяся вне этих каналов [2, 5].

При термообработке в пленке появляются кристаллические образования — кристаллиты и возможна полная кристаллизация пленки. При этом в пленке возникают внутренние напряжения, которые значительно изменяют электрические характеристики пленок. Причиной возникновения внутренних напряжений является наличие температурных градиентов в пленке и в системе пленка — подложка и изменение плотности пленок при термообработке. Основными параметрами, характеризующими диэлектрические пленки, являются удельное сопротивление, потери и электрическая прочность. Анодные и пиролитические пленки подвержены загрязнениям, поэтому величина их удельного сопротивления может снижаться до 10^7—10^8 Ом-см. Потери в диэлектрических пленках связаны с поляризацией, сквозной электропроводностью и структурными неоднородностями материала пленки. Потери, связанные со сквозной электропроводностью, зависят от структуры пленки и увеличиваются с ростом температуры. Потери являются объемным свойством диэлектрика и не зависят от толщины пленки. Электрическая прочность пленок характеризуется величиной напряженности поля в пленке, при которой происходит электрический или тепловой пробой. С ростом пористости пленки и кол-ва сквозных пор, снижается величина напряжения пленки. Это сказывается на активном росте составляющей тока, что, в свою очередь, способствует гораздо большему разогреву пленки и в конечном итоге может привести к тепловому пробою. Оксидные пленки влияют на электрические параметры кремния (служащего подложкой) [1].

Важным является выбор режимов работы пленок, так как электродиградационные процессы, вследствие которых возникают в полупроводниковых пленках термоудары, температурные градиенты, а также возникновения статического электричества, способствуют образованию петлевых дислокаций. Отсюда можно сделать следующие выводы: во-первых, характерные тепловые неоднородности в образце, которые порождают тепловую неустойчивость при зарождении теплового пробоя, можно также описывать в терминах усредненного по физически малой области 10^-5 см распределения температуры, во-вторых, флуктуации температуры в начальном положении можно считать с большой точностью статистически независимыми, и обменом теплом между ними, в процессе развития пробоя, можно пренебречь [6].

Качество полученных пленок играет важную роль в дальнейшей работе пленки. Так же важным является выбор режимов работы пленок, так как электродиградационные процессы, вследствие которых возникают в полупроводниковых пленках термоудары, температурные градиенты, а также возникновения статического электричества, способствуют образованию петлевых дислокаций, сравнимых с глубиной залегания мелких p-nпереходов. Подобные дефекты могут проявиться не сразу после воздействия разряда, а спустя месяцы или годы, либо начинают сказываться, лишь при значительном повышении температуры. Считается, что дефекты подобного рода сокращают срок службы: делают приборы более восприимчивыми к импульсным перегрузкам в процессе эксплуатации. Дефекты, связанные с расплавлением объемных участков полупроводникового материала, не влияющие на выходные параметры изделия. При существовании в тонких полупроводниковых пленках целого ряда дефектов различного размера, формирование теплового пробоя будет происходить на самом крупном дефекте пленки, проявляющееся в виде точечного свечения. Такие светящиеся точки представляют собой токовые каналы, обладающие существенно повышенной, по сравнению с окружающей пленкой, температурой. Такие каналы называют микроплазменными каналами[1].

Тепловые каналы зарождаются на статических, связанных с нарушениями внутренней структуры материала, флуктуациях температуры. В рамках таких представлений, каждый из каналов рассматривается в качестве элемента термодинамической системы, которая состоит из набора тепловых каналов, пронизывающих пленку и обменивающихся теплом с окружающим их термостатом, роль которого выполняет среда пленки, находящаяся вне этих каналов.

В последнее время появился ряд экспериментальных работ, посвященных изучению критической температурыТ_с тонких сверхпроводящих пленок и её зависимости от рядов факторов: толщины пленки, оксидирования поверхности и т.д. Повышенный интерес, который вызывают эти эксперименты, связан с тем, что в них были получены Т_с более высокие, чем в массивном металле.

Так, в экспериментах группы Стронджина на пленках алюминия при уменьшении толщины пленки до 100А удалось повысить Т_с – температуру перехода – до 2^о К (в массивном образце Т_с ~ 1,2^о К). Для пленок толщиной около 10³А значение критического поля Н_с оказалось Н_с ~ 30 кэ (у массивного образца Н_с ~ 30 э).

В опытах Рюля исследовались пленки алюминия, индия, свинца и ряда других металлов толщиной около 100А. для всех пленок с естественным оксидным покрытием, за исключением свинцовой пленки, было отмечено более высокое значение Т_с, чем в массивном образце, причем для алюминия Т_с пленки было в два раза выше, чем в массивном образце, что согласуется с результатами работы. Значение Т_с после дополнительного оксидирования для ряда металлов, в том числе и для алюминия, возрастало на 0,3-0,4^о К или незначительно уменьшалось; например, для свинца Т_с значение уменьшилось на 0,13^о К. Это добавочное изменение Т_с объясняется в работе влиянием электрического поля, которое образуется из-за диффузии электронов металла на акцепторные уровни окисла.

Ещё более резкое увеличение Т_с было получено в экспериментах групп Стронджина и Маттиаса на пленках вольфрама и рения толщиной порядка 10³ А. Критическая температура пленок вольфрама достигала 4^о К (в массивном образце Т_с ~ 0,01^о К), у рения 7^о К( в массивном образце Т_с ~ 1,7^о К). Авторы работы предлагают два возможных механизма для объяснения отмеченного факта увеличения Т_с, а именно – разупорядочение и поверхностную сверхпроводимость. Хотя эффекты разупорядочения и приводят к повышению критической температуры, каким образом они могут дать такое большое увеличение Т_с, не ясно. В толстой пленке трудно ожидать сильного увеличения Т_с за счет поверхностной сверхпроводимости ввиду того, что электроны проводят лишь малую долю времени вблизи поверхности, где имеется избыточно притяжение

Приведенная ниже теоретическая интерпретация рассматриваемых опытов носит, конечно. Сугубо предварительный характер. Однако, каково бы ни было правильное объяснение обнаруженных в этих опытах высоких значений критической температуры и критического поля в тонких пленках, возможные практические последствия полученных результатов таковы, что было бы желательно уже сейчас расширить круг изучаемых веществ. В частности, представляло бы большой интерес изучение пленок со специально нанесенными на них диэлектрическими покрытиями.

Из экспериментов известно, что тепловой пробой развивается за времена порядка 10^-810^-6 с, которые, с точки зрения статистической физики, существенно превосходят кинетическое время релаксации 10^-12c к локальному равновесию в системе электронов и ионов кристаллической решетки материала, находящихся в области с линейными размерами порядка 10^-5см. Так как эти размеры существенно превосходят межатомные расстояния 10^-8 см, то система частиц, в каждой из таких областей в пространстве полупроводниковой пленки, допускает термодинамическое описание, ввиду малости флуктуаций относящихся к ним локальных термодинамических величин.

Характерный размер существенной температурной неоднородности с амплитудой 10 град, получается из среднегоразмера r₀ дислокаций, на которых, согласно существующим представлениям, возникают всплески температуры. Например, для линейных дислокаций этот размер имеет порядок r₀10^-410^-3 см. При этом, если чистота приготовления материала такова, что плотность λ дислокаций (линейных) имеет порядок 10⁴ см^-2, то их объемная доля ₀²=10⁴∙(10^-4)210⁴∙(10^-3)2 =10^-410^-2

Код для цитирования: Скопировать