CC BY
44
УДК 537.311.322
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНОЙ ПРОВОДИМОСТИ ПЛЕНОК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО
РАСПЫЛЕНИЯ
H.A. Колобов, Е. В. Шслсгсда
Проведено исследование поперечной проводимости пленок нелегированного поликристаллического кремния (ПИК) толщинои 0.2-0.6 мкм, осажденных методом магне-тронного распыления, на сильнолегированные монокристаллические подложки. В качестве верхнего электрода использовались пленки молибдена толщиной 0.4 мкм. Получены зависимости удельного сопротивления, пленок от напряженности электрического поля, описываемые моделью проводимости, ограниченной токам/и пространственного заряда при квазиоднородном распределении ловушек, в запрещенной зоне ПИК.
Ключевые слова: поперечная проводимость пленок поликристаллического кремния; проводимость, ограниченная токами пространственного заряда ТОПЗ; поликристаллический кремний, полученный методом магнетронного распыления.
Введение. Пленки поликристаллического кремния широко используются в качестве материала резисторов, применяемых, в частности, при разработке аналоговых и цифровых ИМС, координатно-чувствительных детекторов излучений и других приборов [1, 2]-
В большинстве случаев при формировании резисторов используется продольная проводимость, когда ток протекает вдоль пленки, а сопротивление резистора определяется величиной поверхностного сопротивления пленки Rs [Ом/□] и соотношением длины l и ширины d резистора R = Rsl/d.
Величина поверхностного сопротивления легированных пленок поликристалличе-
□
ФИАН, Россия, 119991, Москва, Ленинский проспект, 53; e-mail: [email protected].
достаточно высокоомных резисторов приходится использовать очень высокие значения 1/й. При этом площадь, занимаемая резистором, оказывается достаточно велика, что может препятствовать повышению степени интеграции приборов. Актуально рассмотреть возможность использования поперечной проводимости пленок, когда ток протекает перпендикулярно плоскости пленки, а величина сопротивления пропорциональна удельному сопротивлению р и толщине пленки й и обратно пропорциональна площади поперечного сечения структуры в, т.е. Я = рй/в.
Интерес представляют пленки, имеющие достаточно высокое результирующее сопротивление от 1 до 10 МОм при толщине 0.5 мкм и площади поперечного сечения резистора порядка 10 мкм2. Для этого удельное сопротивление пленки должно составлять от 2 до 20 кОм-см. Столь высокие значения удельного сопротивления могут иметь только слаболегированные или нелегированные пленки поликристаллического кремния (ПКК). Исследованию механизмов проводимости таких пленок в поперечном направлении посвящена настоящая работа.
Мо,
0.4 мкм
2 мкм
п+ 81(100)
Рис. 1: Поперечное сечение одиночной ячейки экспериментальных структур.
Методика эксперимента. В настоящей работе исследовались пленки толщиной от 0.2 до 0.6 мкм, полученные осаждением поликристаллического кремния методом маг-нетронного ионно-плазменного распыления кремниевой мишени при постоянном токе
в атмосфере аргона. Осаждение проводилось на установке "Магна" при скорости движения транспортера, обеспечивающей получение пленки толщиной 0.2 мкм за один проход. В качестве металлического электрода использовалась пленка молибдена, толщиной порядка 0.4 мкм. осажденная методом магнетронного распыления на установке "Оратория 5".
Для исследования механизмов электропроводности пленок были изготовлены многоэлементные экспериментальные структуры на кремнии n+ типа марки КЭС 0,01, поперечное сечение одиночной ячейки которых представлено на рис. 1.
Методом термического окисления при температуре 1100 °С на подложке был выращен изолирующий слой окисла кремния толщиной 0.80 мкм. Далее с помощью контактной фотолитографии и жидкостного травления окисла в стандартном травителе на основе плавиковой кислоты в окисле были сформированы окна диаметром 2 мкм. Далее на пластины были последовательно осаждены слои поликристаллического кремния и молибдена. Травление пленок молибдена проводилось в стандартном жидкостном травителе для алюминия при комнатной температуре, а поликристаллический кремний травился плазмохимически в смеси хладона-14 с кислородом. При этом пленка молибдена служила маской при травлении поликристаллического кремния, обеспечивая процесс самосовмещения.
Вольт-амперньте характеристики снимались при отрицательном напряжении на металлическом электроде с помощью автоматического измерителя KEITHLEY 286 sourse measure unit. Погрешность измерений токов составляла ±1.6% в диапазоне от 0.2 до 200 пА, ±0.25% в диапазоне от 0.2 до 200 нА и ±0.15% в диапазоне от 0.2 до 200 мА. Максимальный ток, протекающий через структуру, ограничивался на уровне 1 мА.
Для уменьшения случайной погрешности измерений проводилось усреднение по 32 значениям тока, измеренным на заданном напряжении. Ток утечки, измеренный на структурах с изолированным электродом, не превышал 0.01 пА.
Перед началом измерения ВАХ проводилось измерение тока каждой из структур при фиксированном напряжении в 1 В, и строилась гисторамма распределения токов на пластине. Далее определялось среднее значение тока и для измерений выбирались структуры с токами, наиболее близкими к средним значениям.
Экспериментальные результаты. На рис. 2 представлены результаты эксперимента по исследованию вольт-амперньтх характеристик структур в зависимости от толщины пленки поликристаллического кремния. Кривые построены в двойном логарифмическом масштабе в связи с тем, что обычно электропроводность поликристаллических
Рис. 2: Вольт-амперные характеристики пленок ПКК при разной толщине пленки.
пленок описывают моделью ТОПЗ с экспоненциальным распределением ловушек по энергиям. При этом вольт-амперная характеристика описывается степенным законом I = СиП где С - коэффициент пропорциональности, а показатель степени п неразрывно связан с характерной энергией Е0 экспоненциального распределения ловушек по энергиям, причем Е0 = (п — 1)кТ [3].
Из рис. 2 следует, что В АХ экспериментальных структур не могут быть описаны степенным законом в широком интервале напряжений. Кривые спрямляются только в диапазоне напряжений от 0.01 до 0.5 В.
На рис. 3 полученные экспериментальные В АХ представлены в виде зависимости плотности тока в ячейке / [А/см2] от напряженности электрического поля Е [кВ/см] в пленке.
Данные рис. 3 показывают, что электрофизические свойства пленок не зависят от их толщины. Все кривые слились в одну вплоть до напряженности электрического поля порядка 105 В/см.
На рис. 4 представлены расчетные зависимости эффективного сопротивления ячейки Яс [МОм] от толщины пленки и величины напряжения на структуре.
Зависимости Яс(и), изображенные на рисунке 4 в полулогарифмических координатах, могут быть аппроксимированы прямыми линями, которые представляют собой экспоненциальные закономерности вида Яс = Яс(0)ехр(—Ьи), где Яс(0) - начальное сопротивление пленки при и = 0, а Ь - показатель экспоненты, характеризующий её
Рис. 3: Зависимость плотности тока от напряженности электрического поля для пленок ПКК различной толщины.
10
7=3.7. К2 = /±е-0.25х 1.00
7= 1.3' К2 = ^ 0.7 Ох 1.00 У '—•--А = 2.3&Г К2= 1.( 0.35х )0
0.1
СЛВ
♦ 0.2 цш
0.4 цш
а 0.6 цш
■ ехр 0.2 цш
ехр 0.4 цш -ехр 0.6 цш
Рис. 4: Зависимость эффективного сопротивления ячейки Яс [МОм] от напряжения.
наклон по отношению к оси напряжений. Полученные значения Яс(0) и Ь для каждой толщины пленок ПКК представлены на графиках. Следует заметить, что величина коэффициента корреляции Я2 во всех рассмотренных случаях равна единице, что говорит о высокой степени достоверности полученной аппроксимации.
На следующем рисунке данные рис. 4 перестроены в виде зависимости удельного сопротивления пленки р от величины напряженности электрического поля Е, в предположении, что ток течет по всему объему пленки.
10
9
у = 7.62е R2 = 0.< Ю.015х
ш 1 ; = 7.286е R2 = О.< -0.0 Их
т У = 7.458ét R2 = 0.9 0.014х
98
10
20
30
0.2 jLim ехр 0.2 jLim
40
50
0.4 jiim ■ ехр 0.4 jLim
60
Е, кВ/см
70 0.6 jLim ехр 0.6 цт
80
Рис. 5: Зависимость удельного сопротивления пленки от напряженности электрического поля.
Данные рис. 5 показывают, что электрофизические свойства пленок ПКК не зависят от их толщины, а зависимость р(Е) может быть описана экспоненциальной закономерностью
р(Е ) = p(0)exp(-KE). (1)
В этом выражении величина р(0) характеризует начальное значение удельного сопротивления пленки ПКК в отсутствие поля, а показатель степени экспоненты KE показывает на скорость падения удельного сопротивления в зависимости от напряженности электрического поля в плёнке.
Если все экспериментальные точки, изображенные на рис. 5, аппроксимировать еди-
р(0)
7385 Ом-см, а константа K в показателе степени экспоненты - 1.42 • 10~5 см/В.
Обсуждение экспериментальных данных. В поликристаллических материалах, которые представляют собой двухфазную систему, состоящую из монокристаллических зерен полупроводника и межкристаллитного пространства - МКП, следует ожидать появления непрерывного распределения ловушечных уровней по энергии в пределах
запрещенной зоны полупроводника. Эти уровни можно связать с нарушением кристаллической структуры и оборванными связями на границах зерен. В таких веществах в фазе МКП дно зоны проводимости размывается, а в глубь запрещенной зоны уходит так называемый хвост зоны проводимости, причем состояния в хвосте являются локализованными и действуют как ловутттки для электронов.
В этом случае вместо дна зоны проводимости приходится рассматривать так называемый край подвижности, выше которого электроны могут свободно дрейфовать через полупроводник, как в обычной зоне проводимости кристаллического вещества, хотя и с меньшей подвижностью, в то время как ниже этого края подвижность электронов резко падает практически до нуля. При этом край подвижности фактически теперь играет роль дна зоны проводимости.
При подаче на образец внешнего напряжения инжектированные в приповерхностную область поликристаллического полупроводника электроны захватываются на ловутттки и заполняют наиболее глубокие уровни ловутттек в хвосте, так что ниже уровня Ферми Ер все ловушки окажутся полностью заполненными, а положение уровня Ферми будет зависеть от степени заполнения ловутттек.
В случае поликристаллических полупроводников контакт металл полупроводник практически никогда не будет блокирующим, он может быть омическим или, в крайнем случае, нейтральным. Связано это с тем, что электроны из металла могут проникать на поверхностные состояния поликристаллического полупроводника туннелированием. При этом у границы раздела электрод ПКК будет формироваться объемный заряд, поле которого резко уменьшает вероятность дальнейшей инжекции электронов и существенно влияет на протекание тока по поликристаллическому полупроводнику ввиду зависимости положения уровня Ферми от величины заряда. Именно поэтому токи, протекающие по полупроводнику в присутствии заряда у границы раздела с электродом, называют токами, ограниченными пространственным зарядом ТОПЗ.
Пространственный заряд электронов у границы раздела с инжектирующим электродом создает свое электрическое поле, которое накладывается на внешнее приложенное поле Е = и/4, где 1 - толщина пленки. Поле объемного заряда является неоднород-ньтм и приводит к увеличению общего поля вблизи анода и к уменьшению поля вблизи катода.
С увеличением пространственного заряда уменьшение поля вблизи катода приводит к уменьшению скорости инжекции электронов из катода в полупроводник. В равновесии ток через контакт будет равен току через объём полупроводника, а это возможно
только в том случае, если напряженность поля вблизи контакта много меньше, чем в объеме пленки. Поэтому по сравнению с полем в объёме пленки можно с достаточной точностью считать, что поле вблизи контакта будет близко к нулю.
При исследовании поперечной проводимости пленок поликристаллического кремния структура металл полупроводник, состоящая из пленки ПКК и проводящих электродов. представляет собой конденсатор, величина заряда на электродах которого будет
и
ность заряда будет равна:
а [С/ош2] = Сзр [Г/ош2] и = ееоЕ. (2)
Равенство нулю поля вблизи катода означает, что в приповерхностную область полупроводника инжектируется заряд, определяемый формулой (1). т.е. весь заряд геометрической емкости. Такой подход к приближенному расчету ТОПЗ называют кон~ денсаторньтм методом или конденсаторной моделью ТОПЗ. Несмотря на феноменологический характер метода, он позволяет добиться исключительной простоты выкладок, дающих, тем не менее, достаточно полное представление о физике процессов инжекции и проводимости за счет ТОПЗ. Такой феноменологический анализ игнорирует неоднородность в распределении поля и пространственного заряда по толщине диэлектрика.
После подачи напряжения на структуру инжектированный в приповерхностную область поликристаллического кремния заряд заполняет уровни ловутттек у поверхности, способствуя повышению уровня Ферми на некоторую величину ДЕр.
Если предположить, что энергетическое распределение плотности ловутттек. заполняемых инжектированным зарядом, квазипостоянно. то величина изменения уровня Ферми ДЕР будет пропорциональна плотности инжектированного заряда а = ££0Е и обратно пропорциональна поверхностной плотности ловушек [см-2эВ-1]
ДЕр=Nк (3)
Изменение уровня Ферми в приповерхностной области полупроводника приводит к увеличению концентрации свободных носителей заряда и соответствующему уменьшению удельного сопротивления в вдАЕр/кТ раз, т.е.
ие(Е) = ие (0)в'АЕр/кТ (4)
и
р(Е) = р(0)в-дАЕр/кТ. (5)
Если подставить уравнение (3) в уравнение (5) и сравнить полученный результат с экспериментальной зависимостью р(Е) (1), то можно определить зависимость константы К в показателе степени экспоненты от диэлектрической проницаемости пленки е и поверхностной плотности ловушек
г^ ^ еео (а\
К = кт^, ■ (6)
С помощью формулы (6) можно оценить поверхностную плотность ловутттек. учитывая.
что диэлектрическая проницаемость кремния ез% = 12, а q/kT = 0.025 эВ. Расчеты показывают, что величина = 1.16-1010 см_2эВ-1. Следует, однако, заметить, что истинная плотность ловутттек зависит от соотношения площадей, занимаемых межкристаллитньтм пространством и кристаллитами. Известно [4, 5], что в подобного рода пленках размер зерен составляет 50 100 нм, и если предположить, что толщина межкристаллитного пространства занимает не более 1 2 монослоёв, то выходящая на поверхность пленки площадь МКП составит менее 1% процента от общей площади поверхности раздела электрод пленка. Таким образом, поверхностная плотность ловушек в МКП должна
быть приблизительно в 50—100 раз больше расчетного значения и составит от 5 • 1011 до 1012 -2 -1
Выводы. В результате проведенной серии экспериментов установлено, что удельное сопротивление пленок поликристаллического кремния толщиной от 0.2 до 0.6 мкм, полученных методом магнетронного распыления, является экспоненциальной функцией напряженности электрического поля и может быть описано уравнением
р(Е) = р(0) ехр(—КЕ) = 7.4 • 103 ехр(-1.42 • 10-5Е)ОЬш • ст. (7)
В данном уравнении р(0) = 7400 Ом-см - начальное удельное сопротивление пленки Е = 0 К
плотности ловушек в межкристаллитном пространстве. Оценки показывают, что величина может изменяться в пределах от 5 • 1011 до 1012 см-2эВ-1.
р(Е)
мости, определяемой токами, ограниченными пространственным зарядом, при квазипостоянной плотности ловутттек в запрещенной зоне поликристаллического кремния.
ЛИТЕРАТУРА
[1] W. С. Liu, К. В. Thei, Н. М. Chuang, et al., IEEE Electron Device Letters 22, 318 (2001).
[2] G. Lutz, Semiconductor radiation detectors (Springer, Berlin Heidelberg New York, 1999).
[3] Iv. Као, В. Хуанг, Перенос электронов в тверды,а; телах (Мир, Москва, 1984).
[4] D. Maier-Sclmeidery, A. Ivoprululu, S. Ballhausen Holm and E. Obermeier, J. Micromech. Microeng. 6, 436 (1996).
[5] Shobha Ivanta Lamichhane and Jamil Akhtar, Xepal Journal of Science and Technology 10, 115 (2009).
Поступила в редакцию 25 октября 2011 г.
