Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Структура, свойства и методы получения тонких пленок тантала и его соединений 9
1.1 Физико-химические свойства тантала 9
1.2 Структура тонких пленок тантала 13
1.3 Структура тонких пленок оксидов тантала 17
1.4 Методы получения тонких пленок тугоплавких соединений 20
1.5 Модификация тонкопленочных материалов 33
1.6 Основные заключения по состоянию проблемы. Постановка задачи исследования 46
Глава 2. Оборудование и методология исследований 48
2.1 Оборудование 48
2.1.1 Выбор режимов работы ионного источника 52
2.1.2 Установка магнетронного ВЧ-распыления Z - 550 54
2.1.3 Оборудование для модификации тонких пленок 57
2.1.4 Установка лазерной обработки пленок 61
2.2 Методы исследования 64
2.2.1 Метод электронной оже-спектроскопии 64
2.2.2 Масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС) 69
2.2.3 Методика измерения температурного коэффициента сопротивления 72
2.2.4 Измерения уровня низкочастотных шумов 73
2.2.5 Фотоэлектрическая спектроскопия тонких пленок 75
2.2.6 Тонкопленочная рентгеновская дифрактометрия 76
Глава 3. Состав и структура тонких пленок тантала и его соединений, полученных ионно-плазменным распылением 78
3.1 Исследование структуры и фазового состава тонких пленок тантала 78
3.1.1 Влияние газовой среды на процесс ионного распыления и загрязнение пленок в процессе ионно-плазменного распыления 80
3.1..2 Состав остаточной атмосферы вакуумной камеры 83
3.1.3 Адсорбция и газовыделение с поверхности подложек 86
3.2 Химические и структурные образования в тонких пленках, полученных ионно плазменным распылением тантала из компактных мишеней 91
3.3 Ионно-плазменное распыление тантала в среде активных газов 100
Глава 4. Свойства полифункциональных тонких пленок соединений тантала 110
4.1 Электрические свойства тонких пленок тантала и его соединений 110
4.2 Анализ температурной зависимости сопротивления пленок соединений тантала, полученных методом магнетронного и триодного ионно-плазменного распыления 113
4.3 Электрическое сопротивление тонких пленок системы Та+Та205 115
4.4 Электрические свойства тонких пленок нитрида тантала 118
4.5 Электрические свойства тонких пленок Ta2Os 122
4.6 Оптические и фотоэлектрические свойства тонких пленок соединений тантала 125
Глава 5. Модификация структуры и свойств тонких пленок 132
5.1 Влияние плазменной и термической обработки на сопротивление резисторов 132
5.2 Измерение температуры образцов во время плазменной обработки 136
5.3 Испытания на ускоренное старение резисторов 137
5.4 Ионная обработка поверхности подложек перед напылением пленок 141
5.5 Исследование воздействия лазерного излучения на свойства тонких пленок Та+ТагОз 144
5.6 Фотонная импульсная обработка тонких пленок 147
5.7 Технологический процесс нанесения тонкопленочных покрытий 147
5.8 Практическое применение полифункциональных тонких пленок неметаллических соединений тантала 155
Основные выводы по работе 164
Библиографический список использованной литературы
- Структура тонких пленок тантала
- Выбор режимов работы ионного источника
- Влияние газовой среды на процесс ионного распыления и загрязнение пленок в процессе ионно-плазменного распыления
- Анализ температурной зависимости сопротивления пленок соединений тантала, полученных методом магнетронного и триодного ионно-плазменного распыления
Введение к работе
Актуальность работы. Неметаллические соединения тугоплавких металлов имеют высокую механическую прочность, высокую химическую стойкость и очень стабильные тепловые, электрические, оптические и другие свойства. Тонкопленочная технология позволяет существенно расширить возможности использования тугоплавких металлов и их неметаллических соединений во всех областях промышленного производства. В то же время современные методы получения тонких пленок являются не только инструментом для их нанесения, но и методом, который позволяет формировать состав, структуру и свойства пленок, придавая им тем самым свойства, качественно отличающиеся от свойств исходного материала. В результате создается возможность целенаправленного формирования свойств пленок и придания им статуса полифункциональности [1]. Характерной особенностью тонкопленочных структур на основе неметаллических соединений тугоплавких металлов является их многофазность и неопределенность состава. Однако до настоящего времени нет четких представлений о влиянии условий получения тонких пленок на их состав, структуру и свойства.
В данной работе приводятся результаты исследований ионно-плазменных процессов получения тонких пленок неметаллических соединений тантала типа оксидов, нитридов и карбидов, а также двойной системы Та+ТагОб и тройных систем типа Ta+Ta2Os +N2 иТа+ТагОз+С. Данные системы выбраны исходя из их перспективности для многих областей науки и техники: жаростойкие и химически стойкие покрытия, нагревательные и резистивные элементы, оптические и диэлектрические элементы, чувствительные элементы газовых сенсоров и другие.
Работа выполнена в рамках проекта МНТЦ «Координатный детектор ионизирующих излучений», договорных работ между кафедрой физической
электроники ТУСУР и научно-производственной фирмой «Микран» и НИИСЭС.
Цель работы: Разработка технологии и исследование структуры и свойств полифункциональных тонких пленок неметаллических соединений тантала, полученных методом ионно-плазменного распыления на подложки из керамических и полупроводниковых материалов для изделий электронной техники бытового и специального назначения.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
Разработать основные операции и режимы получения тонких пленок неметаллических соединений тантала заданного состава и структуры.
Исследовать структуру и состав тонких пленок с целью оптимизации как технологии их получения, так и основных свойств, определяющих их полифункциональность.
Разработать методы модификации тонких пленок, позволяющие как стабилизировать химический и фазовый состав, так и направленно изменять их характеристики.
Исследовать возможности применения полученных тонких пленок в качестве защитных, антиотражающих, диэлектрических и резистивных элементов в производстве электротехнической и электронной аппаратуры.
Объекты исследования.
Тонкие пленки неорганических соединений тантала: оксиды, нитриды, оксинитриды и карбиды, нанесенные методами ионно-плазменного распыления на подложки из керамики ВК-100, ситалла СТ-50-1, стекла С5-1, монокристаллического кремния и арсенида галлия.
Научная новизна. 1. Установлено, что при ионно-плазменном распылении мишени тантала в
смеси газов аргон+кислород на подложке формируется тонкая пленка
состава: а-тантал, р-тантал, ТагОб при этом максимальный выход оксида
6 тантала достигается при соотношении давлений кислорода и аргона порядка 0,95.
Установлено, что при ионно-плазменном распылении мишени тантала в смеси газов аргон+азот на подложке формируется тонкая пленка состава: Р-тантал, TaN, Ta2N при этом максимальный выход нитрида тантала достигается при соотношении давлений азота и аргона порядка 0,65.
Установлено, что в оксидной пленке дополнительно формируются карбидная, оксикарбидная и оксинитридная фазы тантала в виде включений размером 2 -5 мкм, занимающих на поверхности пленки площадь 5-10 %, что позволяет управлять электропроводностью тонкой пленки.
Показано -влияние остаточной атмосферы вакуумной камеры и адсорбированных на поверхности пленки и подложки газов на химический состав полученных тонкопленочных покрытий и установлено, что неконтролируемая концентрация кислорода, азота и углерода может достигать 20-30 ат. %.
4. Установлено, что при ионно-плазменном, фотонном и лазерном
воздействии в кислородосодержащей атмосфере в тонких пленках
происходит увеличение содержания оксидной фазы и, как следствие,
увеличение их удельного сопротивления на 40-50 %. При изохронном
отжиге в вакууме (давление 10" Па) при температуре 600-1000 С
удается уменьшить температурный коэффициент сопротивления пленок
более чем в два раза.
Практическая ценность.
1. Разработаны технологические операции и режимы ионно-плазменного нанесения тонких поли функциональных пленок неметаллических соединений тантала с заданными оптическими и электрофизическими свойствами на подложки из стеклянных, керамических и полупроводниковых материалов.
Полученные результаты исследований электрофизических и оптических свойств тонких пленок, расширяют возможности их применения в технологии изделий электронной техники бытового и специального назначения.
Результаты исследований процессов модификации позволяют стабилизировать электрические характеристики тонкопленочных танталсодержащих резисторов гибридных интегральных СВЧ-схем на
,~ керамических подложках.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных взаимодополняющих физико-химических методов исследования состава и структуры тонких пленок и сопоставлением их с результатами, ' полученными на тех же образцах различными организациями.
Личный вклад автора.
Автором работы изготовлены экспериментальные образцы тонких пленок, проведены исследования электрофизических и оптических характеристик. Анализ и интерпретация полученных экспериментальных данных были выполнены совместно с научным руководителем.
Апробация работы. Результаты работы представлялись и докладывались
на IV Международной научной конференции «Радиационно-термические
эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2004); II
Международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы
в неорганических материалах» (Томск, 2000); II Всероссийской конференции
«Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии», (Томск,
2003); VIII Всероссийской конференции «Арсенид галлия и
полупроводниковые соединения группы III-V» (Томск, 2002); II Всероссийской
конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий»
(Томск, 2002); на региональной научно-технической конференции
«Радиотехнические устройства и системы управления» (Томск 2000, 2001); на
региональных научно-практических конференциях молодых ученых и
* студентов «Научная сессия ТУ СУР» (Томск, 2003); на региональной
конференции «Научные основы развития АПК» (Томск, 2001); на региональной научно-практической конференции «10 лет ТСХИ» (Томск, 2003); а также на научно-практических семинарах кафедры физической электроники ТУСУР.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 11 работ, включая 1 статью в центральной печати, 2 статьи в сборниках трудов, 8 тезисов докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях.
Структура тонких пленок тантала
В тонкопленочной микроэлектронике для создания пассивных компонентов широко используются тантал и его соединения. На их основе изготовляются законченные микросхемы, включающие в себя тонкопленочные резисторы, конденсаторы и проводники [6]. Термообработанные или анодированные пленки тантала характеризуются высокой стабильностью электрических свойств и малым значением ТКС (см. таблица 1.1). Величина ps и ТКС определяется режимом получения пленок и последующей термообработкой.
Тантал относится к числу тугоплавких металлов, склонных к полиморфизму в пленочном состоянии. Сравнительные характеристики танталовых пленок приведены в таблице 1.2 [7, 8].
Основные его модификации а и Р достаточно хорошо изучены [9]. а-структура — это обычная объемно-центрированная структура тантала, аналогичная структуре массивного материала. Удельное сопротивление модификации ос-Та составляет примерно (20 ...50)-10-6 Ом-см [7, 10].
(3-структура впервые найдена Ридом и Альтманом [11]. В отличие от сс-тантала Р-тантал, имеющий тетрагональную мелкокристаллическую структуру и удельное сопротивление р = (180 ...200) -10"6 Ом-см, в массивных образцах не встречается. Эта метастабильная модификация тантала характерна только для тонких пленок. Отметим, что Р-Та имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Пленки Р Та имеют большее удельное сопротивление по сравнению с а-Та, с этой точки зрения его использование в качестве резистивного материала более предпочтительно.
Получение пленок а- и Р-тантала обычно производят путем катодного распыления при напряжении 4 - 5 кВ и плотности тока 0,1-1 мА/см . Если снизить напряжение и при этом не увеличивать давление аргона, то разрядный ток уменьшится, что приведет к значительному снижению скорости осаждения. При этом получаются пленки низкой плотности, имеющие сильно пористую структуру с размерами пор (4-7)-10"3 мкм, состоящие из большого числа зерен а-или р-тантала с размерами кристаллов (3-5) -10 мкм [15].
Высокая пористость пленок и появление системы металл диэлектрическая смесь вызывают аномальное повышение удельного сопротивления (примерно в 200 раз по сравнению с а-танталом) и изменение его температурного коэффициента [15].-І Высокое удельное сопротивление и хорошая воспроизводимость позволяет использовать эти пленки в электронных микросхемах.
Напряжение разряда Up, кВ kw) » mJ 4...5 1...1,5 В работе [18] изучены свойства металлосплавных пленок, полученных одновременным распылением тантала и алюминия из составных мишеней. Введение в зону распыления таких газов, как кислород и азот, увеличивает удельное объемное сопротивление пленок за счет образования химических соединений.
Авторами работы [19] исследованы свойства пленок тантала, полученных в магнетронной распылительной системе, а также влияние добавок азота в . - " газоразрядную плазму на структуру и электрические характеристики полученных резистивных пленок. Повышение термической устойчивости пленок (необратимые изменения сопротивления в результате отжига при 300 С в течение двух часов на воздухе не превышают 5 %) возможно путем консервации их защитным покрытием из нитрида тантала. Температурный коэффициент сопротивления резисторов, сформированных на основе таких слоистых структур, составляет - минус 5-Ю"4 град 1.
В работе [21] подробно исследована моноклинная фаза, где координационные полиэдры вокруг Та (октаэдры) располагаются параллельными слоями перпендикулярно оси с; слои соединяются ребрами. В слое октаэдры, часто являющиеся искаженными, соединяются ребрами и вершинами, а вдоль направления z через всю структуру проходят сквозные каналы в виде пор прямоугольной формы. Вдоль оси а атомы Та и О расположены в оксидах полосами, однако это не делает структуру псевдослоистой, так как каждая из них сверху и снизу перекрывается атомами Та. Координационный полиэндр вокруг атома Та, расположенного в центре симметрии, сравнительно мало искажен. Другие два типа октаэдров имеют искажения более значительные. Все атомы О и большая часть атомов Та занимают свои положения статистически с разной вероятностью. В [22] установлена связь структуры ромбического ТагОз с кубическими оксидами Та (перовскиты).
В ромбической модификации T&iOs трехслойные пакеты из танталово-кислородных слоев со средним слоем из промежуточных положений атомов Та чередуются в структуре с кислородными и танталовыми слоями с минимальными заполнениями вакансий. Разные сорта атомов Та в структуре имеют искаженные координационные полиэдры из атомов О. Теоретическая плотность (2,75 г/см3) является более низкой по сравнению с кубической, равной 5,24-6,3 г/см , следовательно ромбическая фаза более рыхлая. Состав можно представить как ТаО при 40 формульных единицах в ячейке, но с учетом дефектности имеем ТаО 1,6- Рыхлые структуры, получающиеся в результате окисления Та за счет особенностей кристаллического строения, проявляют способность к значительному поглощению газов, а также к их сквозной диффузии.
Выбор режимов работы ионного источника
Для эффективной ионно-лучевой обработки подложек и пленок с помощью ионного источника "Радикал" необходимо подобрать оптимальные давление в рабочей камере установки и ток разряда плазмы. Эти параметры должны обеспечить, во-первых, максимально возможную плотность ионного тока для данного источника, во-вторых, энергию ионов, близкую по своему Зависимость ионного тока от давления имеет максимум в области высоких давлений (90-100 Па). При токе разряда 0,6 А его плотность составила 0,2 мА/см . Зависимость тока ионов кислорода от давления снималась при фиксированном значении тока разряда 1р=0,6 А. На рисунке 2.5 изображены энергетические спектры ионов аргона. На приведенных зависимостях наблюдаются ярко выраженные максимумы для энергии 10-25 эВ, при увеличении тока разряда приоритет данного значения возрастает, отсекая при этом область более высоких энергий. Из этого следует, что для ионов аргона при максимальной плотности тока наиболее вероятная энергия ионов принимает значения приведенного диапазона.
Как показали эксперименты, величину тока разряда целесообразней свести к наибольшей величине, которая приведет к увеличению ионного тока. Для блока питания источника его значение равно 0,6 А. При бомбардировке подложек ионами аргона выбрано давление в вакуумной камере 50 Па, при котором имеет место плотность ионного тока 0,1 мА/см , и не происходит отсечки области высоких энергий на энергетическом спектре ионов.
При бомбардировке подложек ионами кислорода выбрано давление в вакуумной камере 50 Па, при котором имеет место максимальная плотность ионного тока - 0,08 мА/см . При этой плотности тока был получен тот же диапазон энергий что, и для ионов аргона (до 120 эВ), а в распределении ионов по энергиям обнаружился максимум для энергий 95 - 115 эВ (см. рис.2.6).
Энергетический спектр ионов кислорода при токе разряда 1Р= 0,6 А, давлении в камере Р = 1 - 3 Па. Установка содержит 4 цилиндрических магнетрона диаметром 150 мм и систему откачки, содержащую форвакуумный насос, турбомолекулярный насос и вымораживающую азотную ловушку. Установка имеет управляющий компьютер и квадрупольныи масс-спектрометр, позволяющий осуществлять текущий контроль состава остаточной атмосферы в зоне распыления и компьютерную систему напуска рабочего газа (аргона, кислорода, азота и др.)
Для модификации структуры тонких пленок Та+Таг05 выбраны наиболее распространенные в отечественной и зарубежной промышленности методы и установки. В первую очередь это плазмохимическая и ионная обработки, лазерная и импульсная обработка некогерентным световым излучением, а также традиционные методы модификации путем термообработки в вакууме и контролируемой газовой среде [83].
Кроме описанного выше источника ионов типа «Радикал» в работе была использована установка плазмохимической обработки типа «Плазма-600» (рис.2.8). Внешний вид установки представлен на рисунке 2.9.
Установка состоит из ВЧ-генератора частотой 13,5 МГц и мощностью 600 Вт, системы вакуумной откачки реакторной камеры, цилиндрического кварцевого реактора, устройства управления и подачи в реактор рабочего газа.
Для согласования ВЧ-цепи (частотой 13,5 МГц), включающей разряд, между источником питания и электродом помещается устройство согласования. Как правило, оно представляет собой катушку индуктивности, шунтирующее на землю индуктор, к которому подводится ВЧ-мощность, и таким образом предотвращает его отрицательное смещение. ВЧ-мощности на индукторе достаточно для получения в разряде электронов с энергией 1-10 эВ, необходимой для того, чтобы вызвать диссоциацию и ионизацию большинства газовых молекул, участвующих в процессах обработки. Плотность свободных электронов и положительных ионов составляет 109 -1012 см"3.
Рабочим элементом лазерной установки является одномодовый импульсный лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом с длиной волны лазерного излучения 1,06 мкм. Лазер работает как в непрерывном режиме со средней мощностью излучения 16 Вт, так и в режиме модуляции добротности. Частота модуляции от 3,5 до 50 кГц, длительность импульса 500 не и импульсная мощность до 20 кВт. С помощью стеклянной оптики лазерное излучение может быть сфокусировано в пятно диаметром до 10 мкм, при этом плотность мощности в фокальном пятне может достигать 10 Вт/см . Полуавтомат снабжен компьютерной системой управления и шаговым двигателем на воздушной подушке. Что позволяет осуществлять сканирование луча лазера по обрабатываемой поверхности по заданной программе со скоростью до 50 см/с. На рисунке 2.10 представлена зависимость импульсной мощности и длительности импульса лазерного излучения от частоты модуляции.
Влияние газовой среды на процесс ионного распыления и загрязнение пленок в процессе ионно-плазменного распыления
Процессы ионного распыления материалов осуществляются в вакууме. Степень разряженности вакуумной среды определяется возможностями откачных средств, а также способом осуществления ионно-плазменной обработки. Основными характеристиками, определяющими это влияние, являются давление и состав газов, присутствующих в рабочей камере [97].
Распыленные частицы при своем движении в пространстве испытывают столкновения с атомами и молекулами остаточного и рабочего газа, в результате чего могут быть отражены обратно на поверхность распыляемого материала. Основным недостатком ионно-плазменного распыления является высокое давление рабочего газа, при котором возможен этот процесс. Длина свободного пробега распыленных частиц, при давлениях 10 1 - 101 Па, составляет 5-10 - 10 см. При давлении 10 Па до 90 % распыленных атомов может возвращаться обратно на поверхность мишени и для их удаления требуется повторное распыление. Обратное отражение приводит к переносу материала из одного места поверхности на другое. В результате обратного отражения на всей обрабатываемой поверхности может происходить образование сложных композиций материалов, в состав которых входят материал распыляемой подложки и материал подложкодержателя.
Большое влияние на процесс ионного распыления оказывают остаточные газы, особенно химически активные составляющие газовой среды, в которой проводится распыление. Обрабатываемая ионами поверхность одновременно подвергается воздействию интенсивного потока газа. Адсорбированные на поверхности газы находятся в равновесии с газами в объёме. Количество соударений молекул остаточного газа с поверхностью оценивается соотношением [36, 65]: n= /4NU, (3.1) где N- число газовых молекул в единице объёма, см"3; U - средняя тепловая скорость молекул, см/с. При остаточном давлении порядка 10"4 Па на поверхность поступает 4-Ю14 молекул/см2с. Формы адсорбции остаточных газов на поверхности могут быть различными: от чисто физической, когда слабая связь адсорбированного атома с атомами на поверхности определяется силами Ван-дер-Ваальса, до хемосорбции, характеризующейся обменом электронами и образованием на поверхности слоя изменённого состава. Так как процессы ионно-плазменного осаждения тонких пленок проводятся при низком вакууме, то имеется высокая вероятность захвата растущей пленкой атомов рабочего газа. Относительное число загрязняющих примесей fn в составе конденсирующей пленки при отсутствии бомбардировки её поверхности ионами может быть определено из выражения [65]: fn = (anNn )/(anNn + Na), (3.2) где ап - эффективный коэффициент прилипания примеси (примесных газов к растущей пленке); Nn - поток атомов загрязняющей примеси на поверхность; Na - поток атомов конденсирующегося материала на поверхность подложки. Следовательно, для уменьшения числа загрязнений необходимо: уменьшать эффективный коэффициент прилипания примеси ап что достигается, например, повышением температуры подложки для усиления десорбции примеси; уменьшать поток Nn снижением парциального давления примесного газа; увеличивать поток конденсирующихся атомов Na.
Сопутствующая конденсации ионная бомбардировка может способствовать снижению концентрации захваченных в пленке остаточных газов в результате их распыления, причем они распыляются преимущественно за счет более слабой связи на поверхности. Относительное число загрязняющих примесей в пленке в этом случае может быть оценено соотношением [62, 65]: fg = (anNn - KnNi)/[(anNn + Na) - N;(Kn + Ka)], (3.3) где Nj - поток ионов, поступающих на поверхность конденсирующейся пленки; Кп - коэффициент распыления примеси; Ка - коэффициент распыления материала пленки.
В пленках в значительно большем числе захватываются атомы рабочего газа, поскольку его давление намного больше, чем давление остаточных газов. Основной причиной загрязнения пленок рабочим газом, например, аргоном, является их бомбардировка энергетическими атомами, образовавшимися при перезарядке ионов. Степень загрязнения определяется также размерами атомов инертного газа и осаждаемого материала, коэффициентом захвата газа на поверхности пленки и скоростью осаждения пленки на подложку.
Вероятность удержания инертного газа в пленке мала, поскольку инертный газ не вступает в химическое взаимодействие с ней. Вероятность в данном случае зависит от глубины внедрения аргона в пленку, т.е. от его кинетической энергии. С увеличением давления все меньшее число атомов аргона достигает поверхности подложки с энергиями, достаточными для внедрения. Однако высокое давление аргона само по себе не является причиной повышенного загрязнения пленки. Процессы, соответствующие нанесению со смещением, подтверждают основную роль ионной бомбардировки в загрязнении пленки рабочим газом.
Пленки двуокиси кремния, полученные ВЧ-распылением, содержат до 10 % аргона, поскольку подложка подвергается ионной бомбардировке. При х нанесении пленки атомы аргона непрерывно «замуровываются» осаждающим материалом. Но при температуре подложки 720 К в процессе нанесения аргон в пленке практически отсутствует, так как непрерывно десорбируется [36, 65]. Захват примесных газов - остаточных и рабочих - существенно влияет на свойства тонких пленок, получаемых ионно-плазменным нанесением. Наличие загрязняющих примесей кислорода, азота, инертных газов вызывает появление в пленках значительных внутренних механических напряжений. В зависимости % от скорости осаждения и интенсивности ионной бомбардировки подложки меняются значение и характер напряжений в пленках. Почти для всех металлов и сплавов, нанесенных магнетронным распылением при температурах подложки ниже температур плавления, характерно наличие области давлений рабочего газа - аргона, в котором возникающие в пленках напряжения меняются от сжимающих до растягивающих. Причина возникновения напряжений в пленках состоит в захвате пленкой газов (загрязнения). Возникновение растягивающих напряжений может быть связано с тенденцией к формированию столбчатой структуры пленки при условиях низкой подвижности конденсирующихся атомов. Малая подвижность, в свою очередь, определяется малой энергией конденсирующихся частиц материала и бомбардирующих подложку ионов при повышенном давлении газа [36, 65].
Анализ температурной зависимости сопротивления пленок соединений тантала, полученных методом магнетронного и триодного ионно-плазменного распыления
В качестве основного параметра оценки структуры тонких пленок тантала и его соединений были выбраны температурные зависимости электрического сопротивления. Исследования проводились на специальных образцах в виде квадрата 5x5 мм, на которых с двух противоположных сторон были сформированы омические контакты. Таким образом, измеренное электрическое сопротивление пленки возможно представить как поверхностное в единицах Ом/см2 или OM/D. Тонкие пленки тантала получали ионно-плазменным триодным и магнетронными методами в плазме Аг на подложках из керамики ВК-100 (поликора) и ситалла СТ-50-1. Ионно-плазменное распыление проходило при давлении 0,5 Па со средней скоростью порядка 0,5 нм/с. Магнетронное распыление производили при давлении в камере порядка 1 Па со скоростью более 2 нм/с. Толщина пленок в обоих случаях составляла 0,1 мкм ±0,02 мкм.
Как видно из рисунков, для пленок тантала, полученных ионно-плазменным и магнетронном распылением, характерно уменьшение сопротивления при нагреве, что указывает на термоактивационный характер электропроводности. Это связано с присутствием в танталовой пленке значительной доли диэлектрической и интерметаллической фаз.
Так как условия распыления тантала на подложки из керамики ВК-100 и СТ-50-1 практически одинаковы, то отклонения в температурных зависимостях сопротивления тонких пленок тантала могут быть связаны с взаимодействием конденсируемых на подложку атомов с адсорбированными на поверхности молекулами газов. Причем количество адсорбируемых молекул газов на поверхности керамики ВК-100 существенно выше, чем на поверхности СТ-50-1, что может быть связано с более высокой пористостью её поверхности.
Однако при нагреве до температур выше 430 К на ситалловых подложках наблюдается значительный рост электрического сопротивления пленок, что может быть связано с диффузией в пленку атомов материала подложки и уменьшением вклада термоактивационной составляющей. Причем процесс изменения электрического сопротивления приобретает необратимый характер. При нагреве в вакуумной печи при давлении 0,1 Па и температуре 750 К в течении 30 минут минимум температурной зависимости для тонких пленок смещается в сторону высоких температур. Это свидетельствует о дальнейшем загрязнении пленок примесями, как с поверхности подложек, так и со стороны остаточной атмосферы вакуумной печи [107].
Тонкие пленки Та + ТагОб получали путем магнетронного распыления на постоянном токе мишеней из листового Та марки Т4 (Та не менее 99,75 %). Распыление осуществлялось при напряжении 360 В и токе 7 А в смеси аргона с кислородом, при суммарном давлении 1 Па. Содержание (соотношение) Ог/Аг газов в смеси изменяли в пределах от 0 до 0,3.
В качестве подложек был выбран ситалл СТ-50-1. Пленки напыляли на подложки при различных соотношениях в смеси газов, толщенной 0,1 мкм с одновременным контролем поверхностного сопротивления по свидетелю.
С целью исследования электрофизических характеристик полученных образцов были проведены измерения их электрического сопротивления в диапазоне температур от 300 до 500 К. Также исследован процесс деградации величины электрического сопротивления пленок при длительной выдержке на воздухе при температурах 400 К и 450 К [108].
На рисунке 4.4 представлены экспериментальные зависимости изменения относительного сопротивления тонкопленочных образцов от температуры. Все исследуемые образцы имели одинаковую конструкцию, представляющую собой планарную структуру с общими размерами 10 х 5 мм и размерами пленки 5x5 мм. Контакты к пленке были получены вакуумным термическим испарением Аи и толщиной 0,5 мкм. Путем изменения соотношения газов Аг/Ог в вакуумной камере удалось достичь диапазона изменения удельного поверхностного сопротивления тонких пленок от 100 Ом / до 1 ГОм /D, то есть от металла до диэлектрика. Все промежуточные композиции таким образом представляли смесь металла и диэлектрика, т.е. смесь Та + Та205.
Малая энергия активации в диапазоне температур от 300 до 325 К свидетельствует о наличие в структуре тонких пленок перколяционных кластеров из контактирующих металлических частиц и объясняется существованием туннелирующих переходов в оксидных прослойках между металлическими частицами. Разрушение перколяционного кластера при нагреве, возможно, объяснить увеличением расстояния между контактирующими частицами за счет термического расширения пленки и подложки.
