Особенности сопротивления тонких металлических пленок

Металлические пленки широко используются в микроэлектронике, как межэлементные соединения, контактные плоскости, обкладки конденсаторов, магнитных и резистивных элементов ИМС. Электрические свойства тонких пленок металлов значительно отличаются от свойств объемных образцов. Это зависит в первую очередь от структуры пленки, которая может изменяться от неупорядоченного мелкодисперсного состояния (амфотерный конденсат) к достаточно совершенному состоянию (эпитаксийные пленки). Второй причиной является появление размерных эффектов, связанных с поверхностью, если толщина пленки соизмерима со средней длиной свободного пробега электронов.

В этом случае удельное сопротивление будет зависеть от геометрических размеров образца. Структура пленки имеет значительные изменения на разных этапах их конденсации. Для большинства пленок, в зависимости удельного сопротивления от толщины пленки, наблюдаются три участка (рис.4.8). Участок 1 соответствует толщине пленки больше 0,1 мкм. На этом участке удельное сопротивление пленки приблизительно равняется объемному сопротивлению образце. Участок 2 охватывает толщины пленки от 0,1 до 0,01 мкм. На этом участке удельное сопротивление пленки выше объемного, а температурный коэффициент удельного сопротивления a_r приближается к нулю. На участке 3 толщиной меньше 10^-3 мкм удельное сопротивление очень значительно, а температурный коэффициент a_r отрицателен.

Для объяснения этого необходимо учесть, что тонкие пленки на первых стадиях конденсации имеют островковую структуру. Электропроводность пленки возникает при некотором минимальном количестве осажденного металла, что приводит к возникновению мостиков, которые соединяют островки металла. При приложении поля электроны переходят сквозь узкие диэлектрические зазоры между соседними островками за счет термоэлектронной эмиссии и туннелирования.

Переход электронов улучшается с увеличением температуры, а удельное сопротивление лимитируется поверхностным сопротивлением участков подложки, где нет зерен металла. Поэтому с ростом температуры удельное сопротивление падает, а температурный коэффициент удельного сопротивления имеет отрицательный знак.

По мере роста количества осажденного металла, зазоры между островками уменьшаются и проводимость пленки возрастает. Когда возникает сплошная пленка металла, знак температурного коэффициента становится положительным, а значение удельного сопротивления возрастает вследствие наличия в тонкой пленке значительного количества дефектов структуры: дислокаций, межзерновых границ, вакансий и других. Возрастанию удельного сопротивления способствует также уменьшение длины свободного пробега электронов - за счет их дополнительного рассеивания поверхностным слоем пленки.

Вот почему для оценки сопротивления тонких металлических пленок, как и в случае с диэлектриками, используют понятие поверхностного удельного сопротивления, значение которого зависит от толщины пленки.