Введение к работе
Актуальность темы
Формированию и исследованию полупроводниковых прозрачных проводящих слоев оксидов индия и олова в последние годы уделяется большое внимание. Это обусловлено уникальностью комбинации электрических и оптических свойств этих оксидов, что делает их перспективным материалом для целого ряда устройств микроэлектроники. Кроме того, результаты исследования этих свойств представляют несомненный интерес с точки зрения физики твердого тела, поскольку позволяют определить энергетические характеристики кислородных вакансий, связь процессов переноса электронов с отклонениями состава от стехиометрии. Изучаемые оксиды широко применяются в качестве прозрачных теплоотражающих покрытий, гетеропереходов солнечных ячеек, газовых датчиков, защитных покрытий и прозрачных электродов в устройствах оптоэлектроники.
Однако, несмотря на интенсивные исследования, существующие знания о физических свойствах этих пленок весьма ограничены, что прежде всего обусловлено технологическими трудностями при формировании пленок высокого качества, поскольку свойства прозрачных проводящих оксидных пленок сильно зависят от условий их изготовления. Работы, направленные на исследование различных методов формирования тонких пленок оксидов индия и олова, а также поиск способов управления их свойствами - степенью отклонения от стехиометрии, коэффициентом пропускания, удельным сопротивлением, относятся к важнейшим проблемам микроэлектроники.
Одним из широко применяемых методов изготовления пленок оксидов индия и олова является термическое испарение соответствующего металла в атмосфере кислорода. Этот метод позволяет регулировать значения технологических параметров процесса осаждения в наиболее интересующих нас диапазонах и получать экспериментальные образцы с хорошо воспроизводимыми свойствами. Кроме того, оборудование, позволяющее реализовать данный метод, является легко доступным как в лабораторных так и в производственных условиях.
Для обоснованного выбора условий получения полупроводниковых прозрачных проводящих пленок оксидов индия и олова заданного состава необходимо понимание физических закономерностей, лежащих в основе процесса роста пленки нестехиометрическо-го состава, которые отражены в литературе явно недостаточно. Таким образом, проведение исследований, направленных на изучение
процесса формирования тонких полупроводниковых прозрачных проводящих пленок оксидов индия и олова методом термовакуумного испарения и исследование зависимости степени нестехиомет-ричности их состава от значения технологических параметров , является актуальным.
Цель работы
Экспериментальное и теоретическое исследование механизма формирования и кинетики окисления тонких пленок оксидов индия и олова нестехиометрйческого состава, изучение зависимости электрических и оптических свойств от степени отклонения состава от стехиометрического значения, анализ механизма электропроводности и определение его энергетических характеристик.
Для дсстгксенгїя поставленной цели в работе решались следующие задачи:
исследовать закономерности формирования состава оксидов индия и олова в процессе осаждения методом термического испарения и изучить зависимость состава пленок от давления кислорода, температуры подложки и состава падающего на подложку потока;
определить энергетические характеристики процессов адсорбции-десорбции компонентов пленки;
провести анализ зависимости электрофизических и оптических свойств пленок от степени отклонения их состава от стехиометрического.
разработать модель процесса осаждения пленки с помощью метода Монте-Карло;
на основе анализа температурной зависимости проводимости определить энергетические характеристики кислородных вакансий;
исследовать закономерности изменения проводимости пленок оксидов индия и олова нестехиометрического состава при их термообработке.
Для решения выделенных задач в работе сделан обзор литературы, разработана модель процесса формирования состава растущей пленки, выполнен ряд расчетов, экспериментов и проведено обсуждение полученных результатов.
Научная новизна
I. Теоретическими и экспериментальными исследованиями показано, что соотношение кислорода и металла в пленках оксидов индия и олова, получаемых методом термовакуумного испарения металла в кислороде, определяется особенностями адсорбцион-
ных-десорбционных процессов, имеющих место на поверхности растущего слоя.
-
С помощью метода Монте-Карло разработана модель процесса формирования состава двухкомпонентного слоя, учитывающая адсорбцию, десорбцию и взаимодействие компонентов пленки на поверхности подложки. Расчеты проведены для пленки оксида олова.
-
Анализ результатов измерений показал, что температурная зависимость удельной проводимости нестехиометрического оксида индия в диапазоне температур 373-573К определяется совокупностью нескольких процессов, характеризующихся соответствующими энергиями активации.
-
Показано, что рост сопротивления и коэффициента пропускания пленок оксида индия в оптическом диапазоне ири термоииуаоиіке на воздухе вызван снижением концентрации носителей заряда вследствие окисления пленки и определены зависимости константы скорости окисления от температуры и степени отклонения состава пленки от стехиометрического.
-
Предложена модель процесса окисления оксидов индия и олова нестехиометрического состава, учитывающая взаимодействие слоев с разным содержанием кислорода и позволяющая объяснить экспериментально полученные зависимости электрических и оптических характеристик от времени выдержки.
Практическая значимость работы
-
Разработанная модель процесса термовакуумного осаждения пленок оксидов индия и олова в кислороде позволяет глубже понять закономерности формирования соединений нестехнометричеекого состава и показывает реальную возможность управления составом растущего покрытия путем изменения технологических параметров процесса осаждения.
-
Полученные в результате анализа температурной зависимости проводимости значения активационных характеристик кислородных вакансий дают возможность более детально судить о механизме электропереноса в простых окислах металлов с недостатком кислорода.
-
Разработанная технология получения пленок оксидов индия и олова нестехиометрического состава позволяет получать покрытия с оптимальным сочетанием электрических и оптических свойств.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Математическая модель процесса формирования пленки оксида олова, учитывающая адсорбцию, десорбцию и взаимодействие компонентов пленки на поверхности подложки.
-
Кинетика окисления и механизм формирования пленок оксидов индия и олова нестехиометрического состава.
-
Механизм электропроводности нестехиометрических нелегированных пленок оксида индия и его энергетические характеристики.
Апробация работы Основные резз"льтаты работы докладывались на Первой Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния.
технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96.» (Новосибирск. 1996г), на конференции «Physical problems in material science of semiconductors» (Chemivtsi, 1997). Всероссийскоймежвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -98» (Москва 1998), на научных семинарах кафедры физики и технологии интегральных микросхем и кафедры микроэлектроники Ульяновского государственного университета.
Достоверность результатов. Достоверность научных результатов обусловлена применением в экспериментах стандартной измерительной аппаратуры, апробированньи методик, согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей, соответствием результатов расчета эксперименту.
Личный вклад автора, Представленные в диссертации расчеты и экспериментальные исследования выполнены Гончар Л.И. под научным руководством проф. А.М.Орлова. При использовании результатов других авторов или результатов, полученных в соавторстве, даются соответствующие ссылки на источник.
Публикащш: По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 5 статей и 4 тезисов докладов на научно-технических конференциях..
Структура и объем работы
Диссертация состоим из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 151 стр., включая 40 рисунков, 1 таблиц}', 100 наименований литературы, приложение.
