Содержание к диссертации
Введение 4
1. Электронные процессы в тонкопленочных структурах металл - диэлек
трик - металл в сильных электрических полях 10
-
Процесс формовки и пробоя 10
-
Закономерности процесса формовки 12
-
Факторы, влияющие на процесс формовки 15
-
Влияние материала и толщины диэлектрика на процесс формовки. 15
-
Влияние материала и толщины электродов на процесс формовки... 18
-
Влияние полярности приложенного напряжения на процесс формовки 25
-
Влияние давления и состава окружающей атмосферы на процесс формовки 27
-
Влияние температуры на процесс формовки 28
-
Микроскопические исследования формованных МДМ-структур... 30
1.4. Явления, наблюдаемые в формованных МДМ-структурах 34
-
Эффекты переключения и памяти 34
-
Электронная эмиссия 39
-
Электролюминесценция 41
-
Процесс деградации в формованных МДМ-структурах 43
2. Методика приготовления образцов и проведения экспериментов 47
2.1. Методика приготовления образцов 47
-
Материала подложки 47
-
Нанесение нижнего электрода 49
-
Выделение рабочей области 50
-
Нанесение рабочего диэлектрика 51
-
Нанесение верхнего электрода 52
-
Нанесение контактов к верхнему электроду 53
2.2. Методика проведения экспериментов 54
2.2.1 Исследование электрических характеристик формованных МДМ-
структур 54
-
Исследование электрических характеристик неформованных МДМ-структур 55
-
Исследование пористости диэлектрика 55
-
Определение элементного состава 56
-
Исследование поверхности формованных и неформованных МДМ-мтруктур 56
-
Исследование переходных процессов в формованных МДМ-структурах 56
3. Влияние примеси углерода на формовку и параметры структур
Mo-Si02+C-Al 58
-
Общее исследование процесса формовки 58
-
Электронная эмиссия формованных структур Mo-Si02+C-Al 63
-
Электролюминесценция формованных структур Mo-Si02+C-Al 70
-
Эффекты переключения и памяти в формованных МДМ-структурах Mo-Si02+C-Al 73
-
Процессы деградации в формованных структурах Mo-Si02+C-Al 77
-
Кинетика развития формовки структур Mo-Si02+C-Al 84
-
Обсуждение результатов 95
-
Выводы по главе 100
4. Исследование электрофизических характеристик неформованных струк
тур Mo-Si02+C-Al 102
-
Проводимость и В АХ неформованных структур Mo-Si02+C-Al 102
-
Исследование элементного состава диэлектрика Si02+C Ill
-
Исследование емкости структур Mo-Si02+C-Al 120
-
Пробой неформованных структур Mo-Si02+C-Al 126
-
Обсуждение полученных результатов 130
-
Выводы по главе 131
Заключение 134
Список используемых источников 136
Приложения А-Д
Введение к работе
В настоящее время в электронике возрастает потребность в разработке и создании принципиально новых приборов обладающих высокой эффективностью, долговечностью и надежностью в условиях значительного уменьшения размеров, вплоть до нанометровых. К классу таких приборов относятся формованные системы металл-диэлектрик-металл (МДМ), которые могут использоваться как ненакаливаемый источник электронов, элемент памяти, датчик давления [64].
В результате электрической формовки, осуществляемой путем приложения некоторого электрического напряжения между обкладками тонкопленочной конденсаторной МДМ-системы, происходят необратимые локальные изменения структуры, приводящие к образованию так называемых формованных каналов (ФК). Наличие ФК делает МДМ-систему принципиально новым объектом по сравнению с исходной конденсаторной структурой, у которой появляются такие свойства как: N-образная вольтамперная характеристика (ВАХ), эмиссия электронов в вакуум, электролюминесценция, эффекты переключения и памяти, чувствительность параметров к давлению некоторых газов. В силу перечисленных свойств формованные МДМ-системы могут быть использованы в ряде приборов твердотельной и вакуумной электроники. Так, на их основе можно создать новые энергонезависимые элементы памяти для запоминающих устройств ЭВМ, эффективные ненакаливаемые эмиттеры электронов для вакуумных интегральных схем и других электровакуумных приборов, светоизлу-чающие элементы для индикаторных устройств, датчики давления и т.д. Приборам и устройствам на основе формованных МДМ-систем присущ ряд достоинств: относительно простая технология изготовления, полностью совместимая с современной полупроводниковой интегральной технологией, возможность микроминиатюризации, легкость изготовления в матричном исполнении. Эмиттеры электронов на основе формованных МДМ-систем отличаются от широко распространенных термокатодов малой инерционностью, низкими значениями температуры и потребляемой мощности. Необходимость создания таких приборов в настоящее время не вызывает сомнения.
Однако, несмотря на это, практического применения формованные МДМ-структуры пока не получили. Причина состоит в низком уровне электронной эмиссии (по сравнению с термокатодами), малым сроком службы, а также недостаточной изученностью процессов в формованных МДМ-структурах. В работах [77-79, 138-143] отмечается, что углерод существенно снижает работу выхода для электронов, повышая эффективность полевой эмиссии. Аналогично, группе физиков из НИИЯФ МГУ (А.Т. Рахимов, Н.В. Суетин, Б.В. Селезнев и др.), используя метод плазмохимического осаждения, удалось получить новый материал на основе углерода с высокими эмиссионными свойствами. Создан-ные ими эмиттеры обеспечивали плотности тока до 2.5 А/см [138]. В работе [139] установлено, что среди различных углеродных материалов (от поликристаллического алмаза до графита), полученных с помощью одного и того же метода, наилучшими автоэмиссионными параметрами обладают графитоподоб-ные пленки (пороговое значение напряженности электрического поля - 1.5 В/мкм, плотность эмиссионного тока составляла 1 мА/см уже при напряженности 4 В/мкм). Аналогичных исследований формованных МДМ-структур не проводилось, что открывает перспективы для улучшения их параметров и возможности их практического применения. В связи с этим работа направлена на исследование влияния примеси углерода (графита) в рабочем диэлектрике на формовку и параметры МДМ-структур.
Актуальность этого исследования заключается еще и в том, что оно охватывает неизученную область: влияние углерода на параметры диэлектрических пленок. Паромасляные и механические насосы, широко используемые для получения вакуума, приводят к значительному повышению концентрации углеводородов в вакуумной камере. Адсорбируясь на распыляемых поверхностях, углерод участвует в процессах зарождения и роста диэлектрических пленок, что в конечном итоге сказывается на свойствах получаемого диэлектрика. Если рассматривать процесс формовки как метод по определению качества диэлектрика, то можно сказать, что присутствие углерода и углеводородов в вакуумной камере на стадии изготовления диэлектрика оказывает негативное влияние на качество диэлектрика как изолирующего материала. Долговечность, стабильность и надежность полупроводниковых приборов и интегральных схем в значительной мере зависят от поведения пленочных диэлектриков при воздействии на них сильных электрических полей. Это же относится и к элементам электроники на основе формованных МДМ - систем. Подобных исследований для формованных и неформованных МДМ - структур не проводилось и поэтому проведение таких экспериментов актуально.
Целью работы являлось: исследование влияния примеси углерода на формовку МДМ-структур, исследование эмиссионных свойств и деградацион-ных процессов в формованных МДМ-структурах с примесью углерода, исследование влияние примеси углерода на электрические и физические параметры неформованных МДМ-структур.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Первая глава посвящена литературному обзору процесса электрической формовки и свойств формованных МДМ-структур. Рассмотрен широкий круг статей, книг, и тезисов докладов, посвященных электрическим явлениям, наблюдаемым в аморфных диэлектриках в сильных электрических полях. Приведены данные по влиянию технологических факторов на формовку и параметры МДМ-структур. Особое внимание уделено описанию одинаковых явлений разными авторами для получения как можно более разнообразного представления о формовке и ее свойствах. В заключении главы приведена постановка задачи для исследований.
Вторая глава посвящена технологии приготовления экспериментальных образцов, методике проведения измерений, описанию электрических схем и оборудования для измерений. Подробно рассмотрена технология изготовления МДМ-структуры и оригинальные решения, используемые при ее изготовлении, приведен технологический маршрут. Описаны схемы для электрических и физических измерений, а также методика измерений.
Третья глава посвящена исследованию влияния примеси углерода в рабочем диэлектрике на формовку и параметры структуры Mo-Si02+C-Al. Рассмотрено влияние примеси углерода в рабочем диэлектрике на формовку и эффекты, возникающие в формованных МДМ-структурах: эмиссия электронов в вакуум, электролюминесценция, эффекты переключения и памяти. Особое вни- мание уделено эмиссии электронов в вакуум и деградации формованных структур Mo-Si02+C-Al. На основании экспериментальных данных и расчетов приводится объяснение произошедших изменений. Обоснована необходимость проведения дальнейших экспериментов и указана область их проведения.
Четвертая глава посвящена исследованию влияния примеси углерода в рабочем диэлектрике на электрические и физические параметры неформован-ных структур Mo-Si02+C-Al. Рассмотрено влияние примеси углерода на проводимость, емкость, электрическую прочность диэлектрической пленки Si02. Рассмотрены физико-химические процессы, приводящие к изменению свойств рабочего диэлектрика. Исследована пористость, элементный состав и поверхность рабочего диэлектрика. На основании полученных данных и данных предыдущей главы сформулирован механизм влияния примеси углерода на формовку и параметры формованных структур Mo-Si02+C-Al.
В заключении приведены основные результаты работы, практическая и научная ценность проведенных исследований.
Научная новизна работы:
Впервые исследована роль углерода, внедренного в рабочий диэлектрик, на протекание физических процессов при электрической формовке МДМ-структур. Предложен механизм влияния примеси углерода на электрическую формовку.
Установлено влияние примеси углерода на свойства неформованного диэлектрика. Выявлено, что примесь углерода, внедренная в рабочий диэлектрик, приводит к увеличению его пористости и оказывает значительное влияние на диэлектрические свойства.
Обнаружено уменьшение скорости деградационных процессов в формованных МДМ-структурах при внедрении углерода в рабочий диэлектрик. Практическая ценность работы:
Достигнута плотность электронной эмиссии 0,075 А/см у структур Mo-Si02+C-Al, что в 10-15 раз выше чем у аналогичных образцов без примеси углерода.
Выявлено снижение скорости деградационных процессов в формованных структурах Mo-Si02+C-Al, что приводит к увеличению срока службы эмиттера электронов на основе МДМ-структур.
Отработана технология получения диэлектрика с контролируемым числом пор. Полученные результаты были востребованы ФГНУ НИИ ЯФ при ТПУ (г. Томск) для проведения исследований в области создания трековых мембран.
Отработана технология получения пленок аморфного углерода. На настоящий момент эта технология востребована ФГНУ НИИ ЯФ при ТПУ (г. Томск) для проведения исследований в области создания рентгеновского волновода, выполняемых в рамках гранта РФФИ.
Практическая значимость результатов работы подтверждается их внедрением и использованием при выполнении НИОКР в ряде организаций (НИИ ЯФ при ТПУ, СФТИ при ТГУ, Новосибирским МНЦТЭ, НПФ «Микран»).
Положения, выносимые на защиту:
Введение углерода в рабочий диэлектрик приводит к увеличению его пористости и, как следствие, к изменению кинетики образования ФК: ФК образуются за меньшее время (около 10-20 мкс, что в 5-Ю раз меньше чем у аналогичных структур без примеси углерода), из шарообразных вздутий преимущественно за счет интенсивного газовыделения со стороны рабочего диэлектрика. При этом уменьшаются размеры ФК (до 0,08-0,15 мкм), а также увеличивается их количество на единицу площади, что существенно изменяет характер течения процесса электрической формовки и электрические свойства формованной МДМ-структуры.
Введение углерода в пленку рабочего диэлектрика приводит к увеличению в 10-15 раз плотности эмиссионного тока в формованных структурах Mo-Si02+C-Al, что обусловлено как увеличением числа ФК на единицу площади, так и изменением непосредственно структуры и свойств ФК.
Введение углерода в пленку рабочего диэлектрика приводит к существенному уменьшению скорости деградационных процессов в формованных МДМ-структурах, что объясняется уменьшением сквозного тока протекающего через единичный ФК с 25-30 мкА/канал до 5-Ю мкА/канал (соот- ветственно уменьшается выделяющаяся в ФК мощность), а также перераспределением напряжения на отдельных ФК вследствие падения напряжения на узких перешейках на поверхности пленки верхнего электрода (ВЭ), соединяющих отдельные ФК при увеличении их плотности.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и опубликованы в трудах: региональной научно-технической конференции студентов и молодых специалистов (Томск, 1999), всероссийской молодежной научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и нано-электронике (Санкт-Петербург, 1999), международной конференции "Физика диэлектриков" (Диэлектрики-2000, С.-Петербург), международных конференциях по вакуумной электронике (Китай, Гуанджоу IVMC-2000; США, Далас IVMC-2001), международных конференциях АПЭП (2000, 2002, 2004, Новосибирск), региональной научной конференции «Научная сессия ТУСУР 2004» (Томск, 2004).
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, получении всех экспериментальных результатов, их обработки и обсуждении, формулировке моделей и механизмов процессов, создании технологических устройств и разработке технологических процессов. Основные результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
Достоверность обеспечена использованием современной диагностической аппаратуры, практическим применением полученных результатов в организациях и на предприятиях.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 в центральных отечественных журналах, 1 в зарубежном журнале.
Структура диссертации. Диссертация состоит из четырех глав и заключения с общим объемом 155 страниц, 95 иллюстраций, 3 таблицы, 5 приложений. Список цитируемой литературы включает 145 наименований.
