Электропроводность тонких пленок

Электрические свойства тонких пленок отличаются от свойств объемных провод­ников. Это объясняется изменением структуры проводящих пленок и, соответ­ственно, механизма перемещения электрических зарядов, создающих электричес­кий ток. На рис. 1.21 показаны три области, соответствующие трем различным механизмам протекания тока. При напылении пленки сначала образуются отдель­ные разрозненные островки (область 1), переход электронов происходит через узкие диэлектрические зазоры, что обусловлено термоэлектронной эмиссией и туннельным эффектом. В этой области удельное сопротивление очень велико, а температурный коэффициент отрицателен, так как с ростом температуры облегчается переход электронов от островка к островку.

По мере напыления пленки происходит образование проводящих цепочек между отдельными островками и начинает работать обычный механизм электропровод­ности, удельное сопротивление пленки уменьшается, а температурный коэф­фициент становится положительным (область 2). При дальнейшем напылении островки исчезают и образуется сплошная пленка толщиной около 0,1 мкм (об­ласть 3). На этом участке удельное сопротивление выше, чем удельное сопротив­ление монолитного проводника, что объясняется размерным эффектом, суть ко­торого состоит в сокращении длины свободного пробега электронов вследствие их отражения от поверхности пленки. Полагая, что процессы рассеяния элект­ронов в объеме и на поверхности независимы, можно для длины свободного про­бега /₅ электронов в пленке записать:

Здесь l и l_S — длины свободного пробега электронов при рассеянии в объеме и на поверхности.

Приближенно полагая длину свободного пробега при рассеянии на поверхно­сти l_S равной толщине пленки δ, получим:

(1.23)

Здесь ρ — удельное электрическое сопротивление монолитного проводника. Сопротивление пленки определяется по формуле

где l — длина проводящей пленки;

S — площадь поперечного сечения пленки.

Учитывая, что S = δ*ώ, где ώ— ширина пленки, получаем:

(1.24)

Здесь — удельное поверхностное сопротивление. Величина равна со­противлению пленки при условии l = ώ, то есть представляет собой сопротив­ление пленки, имеющей форму квадрата.

Подбором толщины пленки можно изменять величину независимо от удельно­го сопротивления материала.

В микроэлектронике в качестве соединительных пленок применяют пленки из чистого металла, чаще всего алюминия, а в качестве резистивных пленок — туго­плавкие металлы (вольфрам, тантал, рений, хром, молибден) и сплавы никеля с хромом.