книги / Неразрушающий контроль параметров тонких проводящих пленок электромагнитными методами

12	1. Особенности определения параметров тонких пленок

1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ТОНКИХ ПЛЕНОК

Свойства тонкой пленки сильно отличаются от свойств массивного материала, особенно если толщина пленки очень мала. Это обусловлено в основном спецификой структуры пленки, кото­ рая, в свою очередь, зависит от процессов, происходящих во время образования пленки. Обычно тонкие пленки получают путем осаж­ дения материала на подложку из паровой фазы или раствора. Наиболее широко применяется вакуумная металлизация [146, 149].

В соответствии с теорией зародышеобразоваиия и результа­ тами электронно-микроскопических наблюдений [177] процесс роста пленки включает следующие стадии: образование адатомов; образование субкритических эмбрионов разного размера; образо­ вание зародышей критического размера; рост этих зародышей до сверхкритических размеров с последующим объединением адато­ мов в зонах захвата вокруг зародышей; соприкосновение зароды­ шей друг с другом и их срастание, что приводит к увеличению сво­ бодной поверхности подложки; вторичное образование зародышей на освободившихся участках подложки; срастание больших остров­ ков с образованием каналов или полос на подложке (сеточная структура); образование сплошной пленки.

Таким образом, в зависимости от стадии завершения процесса образования пленки могут быть мелкозернистыми островковыми, крупнозернистыми островковыми (поликристаллические), полусплошными (сеточные и пористые), сплошными.

Наиболее простыми по строению являются сплошные однород­ ные пленки, которые ограничены несоприкасающимися поверхно­ стями Si(x, у), S2(x, у). Толщина такой пленки определяется средней толщиной по площади пленки. Структура островковых пленок определяется совокупностью замкнутых непересекающихся поверхностей, ограничивающих каждый островок. В сеточных и пористых пленках вещество распределено в плоскости пленки вдоль непрерывных сложных кривых.

При исследовании электрофизических свойств пленок необ­ ходимо учитывать, какие из структурных особенностей сущест­ венны в каждом случае [108, 177, 211]. В общем случае свойства пленки определяются как внешней структурой, так и внутренней (кристаллическое строение островков, размеры кристаллитов, тип кристаллической решетки, наличие дефектов, примесей в остров­ ках и т. д.) [128,263].

Таким образом, в настоящее время нельзя ожидать однознач­ ного количественного описания электрофизических свойств тонких пленок. Работы в этой области в основном связаны с эксперимен­ тальными исследованиями свойств пленок и с попытками их ин­ терпретации с помощью различных теорий [177, 238].

1.1. Электрическая проводимость тонких пленок

13

Электрическая проводимость массивного металла обусловлена дрейфом электронов под действием внешнего поля. Причиной со­ противления металлов является рассеяние электронов на тепловых колебаниях и дефектах решетки [150, 190]. Электрическая про­ водимость металлической пленки сильно отличается от таковой массивного металла — с уменьшением толщины она резко падает [150, 180, 187, 190, 207]. Впервые этот эффект был обнаружен Стоуном в 1898 г. [255], позже Томсон предположил, что его при­ чиной является ограничение длины свободного пробега электро­ нов размерами образца (размерный эффект). Фукс в 1938 г. [222] получил точное выражение электрической проводимости тонкой пленки для классического размерного эффекта. Обзор ранних ра­ бот по размерному эффекту [134] охватывает данные до 1965 г. Подробно теория Фукса для модели свободных электронов и экс­ периментальные исследования классического размерного эффекта излагаются в фундаментальных работах [187, 190, 207]; Наблю­ дение размерного эффекта в тонких пленках затруднено при ком­ натной температуре [134, 187], так как длина свободного пробега электронов в металлах (кроме висмута) мала (100 А) и для ис­ следований требуется изготовление очень тонких пленок, что не­ возможно из-за образования островковой структуры [150].

Для качественного описания электрической проводимости тон­ ких пленок обычно используют идеализированные модели, при­ чем, поскольку понятие толщины тонкой пленки является неопре­ деленным, при исследовании проводимости используют параметр «сопротивление квадрата поверхности пленки», который для сплошной пленки имеет значение

1	(1.1)
Rs= ad ’
где о, d — удельная электрическая	проводимость материала

пленки и толщина пленки. Обычно считают (на основании сопо­ ставления электронно-микроскопических снимков с электрической проводимостью), что островковые пленки [10] имеют # s>105— 106 Ом/О, полусплошные (сеточные) — Rg< 105—106 Ом/D, хотя эти соотношения могут меняться в широких пределах в за­ висимости от внутренней и внешней структуры пленки [177]. На зависимости сопротивления квадрата поверхности золотой пленки от времени нанесения [256] можно выделить описанные выше три основных участка роста пленки (островковые, полусплошные, сплошные) (рис. 1.1).

Из теории размерного эффекта электрической проводимости сплошных пленок при диффузионном рассеянии электронов на

14	1. Особенности определения параметров тонких пленок

Рис. 1.1. Зависимость сопротивления квадрата поверхности от времени нанесения пленки

поверхностях пленки получаются следующие выражения для пре­ дельных случаев [177]:

	<т	1—Ifc- *>>|;
	СТО	( 1.2)
		т [,п (т ) + 0 '423 ] ’ А < 1’

где сг0 — удельная электрическая проводимость массивного ме­ талла; k = d/L; d — толщина пленки; L — длина свободного про­ бега электрона. Для частичного упругого рассеяния (р-электро- нов) выражения (1.2) имеют вид [177]

а	1 —3(1—р)/8А, А>1;
(То	• ^ [ 1п( г ) + 0'423] d + 2 p )' k ' P < L

Полученные зависимости для некоторых металлов качественно подтверждены рядом авторов [177, 261], количественные подтвер­ ждения затруднительны.

Из зависимостей (1.2), (1.3) можно заключить, что удельная электрическая проводимость даже для сплошной тонкой пленки зависит как от толщины пленки (параметр k), так и от состояния ее поверхности (параметр р), поэтому измерение толщины тон­ кой сплошной пленки по ее электрической проводимости затрудни­

1.1. Электрическая проводимость тонких пленок

15

тельно из-за невозможности разделения параметров d и а в вы­ ражении (1.1) [170].

Резкое возрастание сопротивления пленок при уменьшении тол­ щины обусловлено их островковой структурой [10, 11, 102, 177]. С этим же связаны аномальные эффекты в тонких пленках [9, 243, 245]. Электрофизические свойства тонких островковых пле­ нок очень нестабильны, что значительно затрудняет их экспери­ ментальное исследование и сдерживает применение в различных областях (элементы памяти, излучающие и регистрирующие уст­ ройства, прозрачные проводники и т. д.) [110, 158, 164, 212].

Модель электрической проводимости тонких островковых пле­ нок в настоящее время находится в стадии развития [243]. Су­ ществует множество теорий электрической проводимости диспер­ гированных пленок [180, 190, 228], которые качественно подтвер­ ждаются рядом авторов [177], дополняя друг друга. Электричес­ кая проводимость островковой пленки определяется механизмом переноса заряда между островками. Существует пять основных теорий, использующих различные механизмы [180, 214, 243] меж­ островковой электрической проводимости: термоэлектронная эмис­ сия (эмиссия Шоттки), квантово-механическое туннелирование (перенос заряда), активированное туннелирование (между ней­ тральными островками), .туннелирование между разрешенными состояниями, туннелирование через подложку или ловушки. Наи­ более перспективной является теория активированного туннелиро­ вания, которая подтверждена экспериментально рядом авторов [177, 243, 246].

Все эти теории учитывают только электрическую проводимость межостровковых промежутков, пренебрегая собственной электри­ ческой проводимостью островков, в результате чего для активи­ рованного процесса переноса носителей от островка к островку сопротивление гранулированных пленок [228, 246, 247]

Rs = Roo ехр-~г-,

(1-4)

где Rco — постоянная, зависящая от потенциального барьера для электронов между островками; Ел — энергия активации перехода от островка к островку; k — постоянная Больцмана.

Постоянные R«, и Еа имеют множество объяснений в зависи­ мости от модели переноса. В основном все они сводятся к тому, что энергия активации тесно связана с размерами гранул и рас­ сеянием между ними, а также наличием ловушек в подложке и диэлектрическом межостровковом пространстве. Постоянная зависит от барьера, который требуется преодолеть электрону при переходе с одной гранулы на другую, и слабо зависит от темпера­ туры [225]. Физически Roc является мерой потенциального барь­ ера для электронов проводимости в случае, если их плотность не

16	1. Особенности определения параметров тонких пленок

ограничена энергией активации. Таким образом, энергия актива­ ции зависит в основном от величины гранул, а вероятность тун­ нелирования (пропорциональна Roo) — от расстояния между ними.

1.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОК КОНТАКТНЫМИ МЕТОДАМИ

Основные методы, используемые в настоящее время для исследования электрической проводимости тонких пленок, явля­ ются контактными [177, 218, 224, 232]. Контакты или наносят пред­ варительно на подложку, или прижимают к пленке после ее из­ готовления. Несмотря на ряд существенных недостатков, в основ­ ном обусловленных влиянием контактов на результаты измерения и необходимостью изготовления специальных образцов-свидете- лей [141, 142, 160], контактные методы ввиду их отработанности могут быть использованы для лабораторных исследований. При этом необходимо учитывать, что результаты измерения на «сви­ детеле» могут отличаться от свойств пленки [142]. В настоящем параграфе рассмотрены некоторые особенности электрической про­ водимости тонких пленок, связанные с их структурой (аномаль­ ная зависимость от температуры, старение), которые в последую­ щем могут оказывать существенное влияние на результаты из­ мерения параметров пленок неразрушающими электромагнитными методами.

Экспериментальному определению зависимостей таких парамет­ ров, как электрическая проводимость, оптические коэффициенты отражения и прохождения, от толщины пленок в процессе их осаж­ дения посвящено множество исследований [208, 215, 224, 231, 235, 253].

Одна из полученных зависимостей для золотых пленок [224] приведена на рис. 1.2. Толщина пленок измерялась оптическими методами, электрическая проводимость — контактным четырехзондовым методом.

Большая часть работ по измерению параметров тонких прово­ дящих пленок посвящена исследованиям температурного коэффи­ циента сопротивления [177, 225], что особенно важно при созда­ нии термостабильных тонкопленочных резисторов [151, 160, 177].

Как известно, металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Положительный коэффициент имеют н сплошные металлические пленки [150, 190]. Однако для остров­ ковых пленок наблюдается противоположный эффект — ярко вы­ раженный отрицательный температурный коэффициент сопротив­ ления [160, 177, 180, 243]. Промежуточные структуры (сеточные, пористые, сплавы) представляют наибольший интерес для приме­ нения в микроэлектронике и могут иметь как положительный, так

1.2. Исследование электрофизических параметров

17

Рис. 1.2. Экспериментальная зависимость удель­ ного сопротивления золотых пленок от их толщины

и отрицательный малый температурный коэффициент сопротивле­ ния.

Температурная зависимость сопротивления тонких металличес­ ких островковых пленок, как было сказано выше, описывается выражением (1.4), справедливость которого доказана эксперимен­ тальными исследованиями [134, 177, 190, 207].

Типичные зависимости сопротивления квадрата поверхности и удельной электрической проводимости от температуры для пленок

некоторых металлов [177]		(рис. 1.3, 1.4)	соответствуют (1.4), а
для электрической проводимости — выражению [228]
	сг-асехр [ - ( ^ р - ) " ]		,	(1.5)
где	Еа, 0О — постоянные,	определяющие	структуру	пленки. На
рис.	1.4 Еа имеет значение энергии активации и вычислена по на­
клону кривых.

В последнее время все большее внимание привлекает разви­ тие методов плазменного нанесения тонких пленок [213], кото­ рые открывают возможность разработки непрерывной технологии производства тонкопленочных полупроводниковых приборов [160]. Получаемые этим методом пленки имеют сложный состав и ост­ ровковую структуру.

В настоящем параграфе рассматриваются некоторые электро­ физические свойства островковых проводящих пленок, получен­ ных методом плазменного химического нанесения из карбонила

2 — 599

18	1. Особенности определения параметров тонких пленок

молибдена в аргоне и кислороде [40] по методике, аналогичной описанной в работах [213, 230], с целью подтверждения общих закономерностей для тонких островковых пленок.

Было изготовлено девять образцов молибденовых пленок на ситалловых и кремниевых подложках. Методом термического ис­ парения в вакууме на образцы прямоугольной формы по краям наносили по две контактные алюминиевые площадки толщиной порядка 1 мкм, к которым затем прижимались пружинные сереб­ ряные контакты (по два на каждую площадку) для измерения

сопротивления	квадрата поверхности	пленок.	Толщина	пле­
нок, измеренная	эллипсометрическим	[5] и	интерференцион­
ным методами в оптическом диапазоне,		изменялась от 200		(об­
разцы 01, 02) до 3000 А (образец 08).

Сопротивление квадрата поверхности пленок определялось между контактами вольтметром В7-27А и по вольт-амперным ха­ рактеристикам. При комнатной температуре получены следующие значения Rs (Ом/D) для образцов: 01—18,5-109; 02—0,513-109; 03 — 218; 04 — 408; 05 — 374; 06 — 213; 07— 106; 08— 166; 09 — 1889. Для исключения влияния контактов на результаты измерений на постоянном токе предварительно добивались сопротивления между двумя контактами на каждой контактной площадке менее 0,1 Ом.

Удельное сопротивление р (см. (1.1)) изменяется для полу-

Рис. 1.3. Зависимость сопротивления ост-	Рис.	1.4. Зависимость удель-
ровковых металлических пленок от темпе-	мой	электрической	проводи-
ратуры	мости	платиновых	пленок от
	температуры

1.2. Исследование электрофизических параметров

Атомно-процентное содержание молибдена, углерода и кислорода в пленках, полученных из карбонила молибдена в различных условиях

№	Мо	С	О
образца
1	36.9	20,3	42.8
1а	33.8	22.5	43.7
2	27,8	26.8	45.4
2а	53.7	15,8	30.5
3	32,4	10.5	57.1
4	36.0	7,3	56,7

1»

Т а б л и ц а 1.1

Примечание

Без притока кислорода После 4 ч отжига в ваку­

уме при 870 К С притоком кислорода

После бомбардировки азо­ том

С большим притоком кис­ лорода

То же

ченных пленок в диапазоне от 700 (образец 01) до 9 -10—6 Ом*м (образец 07). Для массивного молибдена р= 0,057• 10~6 Ом-м.

Методом оже-спектроскопии исследовался состав пленок. Из­ мерялось атомно-процентное соотношение молибдена, углерода, кислорода для ряда образцов по глубине пленки до 5 А с точ­ ностью 10% (табл. 1.1).

Рис.	1.5. Температурные			зависимости	-11	3 1.1о5 и
Rs образцов		01 и	02 для	циклов 2(+),	2
3 (# ),	4(Х),	5(A ),	6(B )

20	1. Особенности определения параметров тонких пленок

Как видно из табл. 1.1, отжиг образца 1а существенно не вли­ яет на его атомно-процентный состав, из чего следует, что в пленке кислород и углерод находятся в сильносвязанном стабиль­ ном состоянии (МоС, Мо03, МобОц). Это согласуется с резуль­ татами работы [230]. После бомбардировки азотом для снятия примерно 5 А с поверхности пленки состав (образец 2а) изменя­ ется: содержание молибдена увеличивается, кислорода и угле­ рода — снижается, что можно объяснить наличием адсорбирован­ ных атомов кислорода и углекислого газа на поверхности пленки. Таким образом, для объемного состава пленки характерны сле­ дующие атомно-процентные соотношения (образец 2а): Мо 53,7, С 15,8, О 30,5. Такие пленки могут иметь дискретную островко­ вую (поликристаллическую) структуру: поликристаллиты молиб­ дена, покрытые оксидами молибдена, углеродом и различными соединениями типа МоС [209].

Островковые пленки, согласно сказанному выше, должны иметь аномальную сильную зависимость электрической проводимости от

1.2. Исследование электрофизических параметров	21

Рис.	1.6. Температурная		зависимость
Rs образца 03 для		циклов	1( + ), 2(Х),
3(A),	4(D), 5 (0 );	6(*|):

а — образец 03; б — образцы Об, 07; в — образец 09

температуры, нелинейные вольт-амперные характеристики [10, 11, 177, 247], их сопротивление должно зависеть от частоты перемен­ ного тока [116, 171, 201, 203, 229, 250]. Эти особенности пленок имеют существенное значение при создании методов и приборов их неразрушающего электромагнитного контроля.

Вольт-ампериые характеристики для образцов 01 и 02 снимались при напряжении 0—600 В, для образцов 03—09 — при 0—30 В. Не обнаружено заметных отклонений от омичностн (в пределах ошибки измерений) вплоть до нагрева образцов при пропускании больших токов.

Контактным методом исследовались зависимости сопротивле­ ния квадрата поверхности образцов на постоянном токе от тем­ пературы в диапазоне 250—500 К. Делалось несколько последо­ вательных циклических измерений в окружающей среде с целью выяснения характера изменения зависимостей после окисления (изменение структуры).

На полученных графиках (рис. 1.5, 1.6) циклы обозначены