Instrukcja

MIKROELEKTRONIKA
LABORATORIUM
POMIARY WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNYCH
STRUKTUR CIENKOWARSTWOWYCH
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Politechniki Wrocławskiej
Technologia i badanie właściwości elektrycznych warstw cienkich
Celem ćwiczeń 6 i 7 jest zapoznanie się z technologią wytwarzania i metodami badańcharakteryzujące podstawowe właściwości elektryczne warstw cienkich.
Wykonywane struktury testowe zawierają cienką warstwę amorficznego, amorficznopolikrystaliczną lub nanokrystaliczną półprzewodnika z Si, Ge, SiGe, SiC warstwę
półprzewodnikową z tlenków TiO2, VO2, ITO lub warstwę półprzewodnikową CN nanoszonych
na podłoże izolacyjne, najczęściej ze szkła o malej zawartości metali alkaicznych np. Corning
7059 lub kwarcowe. Podłoża są chemicznie czyszczone w zmodyfikowanej procedurze RCA 1.
Dla uzyskania pożądanych właściwości elektrycznych warstwy są domieszkowane wybranymi
metalami jak: Au, Hf, Mo, Mn, Nb, Ni Ti, Ta, V, Zr dobieranych ilościowo w zależności od
materiału bazowego warstwy.
Warstwy struktur testowych są wykonywane metodą rozpylania katodowego z wyrzutni
magnetronowych WMK 50 i WMK 100- z targetów metalicznych lub tlenkowych na
stanowiskach próżniowych NA-500 firmy Kazel (aktualnie Tepro) i UHV firmy Pfeiffer. W
strukturach
stosowano
wielowarstwy
kontaktowe
NiCr/Ag(Au),
NiCrSi/Ag(Au),
TiN/Ti/Ag(Au).
W wytworzonych warstwach należy uwzględnić , że uzyskiwane właściwości elektryczne warstw
są związane nie tylko właściwościami wyjściowych materiałów zastosowanych w procesie
nanoszenia, ale zależą także od zastosowanej technologii wytwarzania warstwy, doboru
parametrów procesu, uzyskanej budowy (struktury) warstwy ( strefy układu Thortona),
zastosowanego podłoża, naprężeń w warstwie , grubości warstw. Również zastosowane
domieszki i defekty generują w warstwach cienkich zróżnicowane poziomy akceptorowe,
donorowe i centra pułapkowe dla elektronów mające dominujący wpływ na właściwości
elektryczne wytwarzanych warstw - wprowadzając wielw typów przewodnictwa elektrycznego,(
np. przewodnictwo po defektach, hoppingowe, polaronowe). Powstawanie defektów, zmian
właściwości jest także wynikiem wbudowywania się aktywnych chemicznie gazów resztkowych w
strukturze warstwy wpływając na dalsze zróżnicowanie się mechanizmów przewodnictwa
elektrycznego, właściwości termoelektrycznych oraz mające wpływ na zachowanie właściwości
w po procesowym starzeniu termicznym lub obciążeniu prądowym. Zastosowana wielowarstwa
kontaktowa nie gwarantuje omowego kontaktu z mierzona warstw. W badanych warstwach
ewentualnie należy uwzględnić wpływ materiałów kontaktowych w wytworzonych strukturach na
właściwości elektryczne badanych warstw- nie tylko w obszarze kontaktu, ale także w warstwie,
poza kontaktem. Szczególnie dotyczy to warstw charakteryzujące się szeroką przerwą
zabronioną, dużą podatnością elektronową lub małą pracą wyjścia.
W/w problemy są przedmiotem rozważań podczas laboratorium i wymagają uwzględnienia w
analizie wyników pomiarowych uzyskanych podczas realizacji ćwiczenia nr 8.
Celem ćwiczenia 8 jest wykonie przez każdego ćwiczącego jednego z czterech (do wyboru
stałoprądowych pomiarów i
na podstawie uzyskanych wyników scharakteryzowanie
właściwości elektrycznych warstw i wyznaczenie podstawowych parametrów jak rezystywność
( konduktywność), ruchliwość Halla, wartość współczynnika Seebecka, odporność termiczna,
obciążeniowa.
Uwaga, przed rozpoczęciem pomiarów należy opisać otrzymaną strukturę ( parametry procesu ,
materiał) a następnie wyskalować tj. zmierzyć grubość, szerokość i długość warstwy, określić
jej współczynnik kształtu a następnie wyznaczyć rezystywność lub konduktywność warstwy
półprzewodnikowej lub rezystancję skrośną w wielowarstwy tj. badana warstwa - warstwa
kontaktowa.
Zakres i dobór parametrów elektrycznych i temperaturowych pomiarów przyjąć wg wskazań
przez prowadzącego (dopuszczalnych) dla danej struktury.
1. Pomiar rezystywności warstw w zakresie zmian temperatury 300-900 K.
Na podstawie pomiarów wpływu zmian temperatury na wartość rezystancji scharakteryzować
właściwości warstwy z uwagi na przewodnictwo elektryczne (warstwa o przewodnictwie
półprzewodnikowym, metalicznym, izolacyjna).
Przedstawić na wykresie przebieg zmian rezystancji od zmian temperatury w układzie R-T.
Pomiary wykonywać kolejno od temperatury pokojowej do ustalonej a następnie dla temperatury
malejącej.
Wykonać analizę zależności zmian rezystancji od temperatury. w układzie
ln
lub RT, lnR-T)
Omówić przyczyny (nieciągłość) zmian rezystancji od oddziaływania termicznego
przy wzroście temperatury.
Rozróżnić na charakterystyce R-T zmiany odwracalne i nieodwracalne właściwości
elektrycznych wpływ na zmiany rezystancji dla temperatury wzrastającej i malejącej)
Wskazać temperatury przemian nieodwracalnych zmian rezystancji.
Wyznaczyć stałą (?) termistorową B dla różnych temperatur.
Przedstawić zależność temperaturowego współczynnika zmian rezystancji TWR od
temperatury (różniczka przebiegu na wykresie lnR-T) lub korzystając z wyrażenia:
R/R/ T gdzie R/R względne zmiany rezystancji wywołane zmianą temperatury o T, T=
Tpom iaru- Totoczenia
Wyniki pomiaru rezystywności ( rezystancji) od temperatury przedstawić na wykresie
Arrheniusa w układzie log
lub lnR-1/T)
Zanalizować przebieg zmian rezystancji (zakres zmian liniowych i nieliniowych).
Obliczyć energię termicznej aktywacji przewodnictwa elektrycznego E dla liniowych
odcinków przebiegu i określić przedziały temperatury.
2. Pomiar siły termoelektrycznej warstw w zakresie 300-900 K
Przedstawić zależność generowanego napięcia termoelektrycznego (termosiły) E T od
temperatury w układzie ET - T.
Obliczyć wartość współczynnika Seebecka i przedstawić na wykresie Arrheniusa tj. w układzie
S-1/T, gdzie S-współczynnik Seebecka , T-temperatura.
Obliczenia wykonać wg formuły:
S = lim ET/ T,
przyjąć ( T= 5-10K)
gdzie ET – wartość napięcia termoelektrycznego (termosiła)
dla dużych wartości gradientu temperatury T max(temperatura pomiaru - T otoczenia) i T
min. ( T~ 5-10 K )
Obliczyć termiczną energię aktywacji współczynnika Seebecka, W przypadku nieliniowości
podać dla liniowych odcinków i podać zakresy temperatury.
Określić dominujący
typ przewodnictwa elektrycznego w badanym zakresie zmian
temperatury.
Z przebiegu zależności S = f(T) i korzystając z wyrażenia S(T)= AT+C/T +B, gdzie A, B, C
stałe, określić charakter przewodnictwa –metaliczny, półprzewodnikowy.(AT- wpływ
przewodnictwa metalicznego, C/T – wpływ przewodnictwa półprzewodnikowego).
3. Pomiary ruchliwości Halla w zakresie temperatury 300 – 550 K
Zmierzyć i przedstawić zależność napięcia Halla od prądu warstw w strukturze van der Pauwa
dla zadanych wartości temperatury.
Przedstawić zależność I-UH na wykresie, omówić przebieg zależności i podać przyczynę
nieliniowości (w przypadku jej wystąpienia).
Wyznaczyć stałą Halla, ruchliwość i koncentrację dominujących nośników prądu w warstwie
dla zakresu liniowego przebiegu I - UH.
Przedstawić wpływ temperatury na ruchliwość i koncentrację nośników prądu w badanej
strukturze.
4. Badanie starzeniowe zmian rezystancji warstw: termiczne i obciążeniowe
Wykonać pomiary względnych zmian rezystancji warstw w badanej strukturze dla zadanej
temperatury pomiaru w określonym czasie ogrzewania.
Pomiary wykonać dla dwóch wartości temperatury wygrzewania.
Wyniki pomiaru przedstawić na wykresie w układzie:
lg R R - lgt gdzie R – rezystancja struktury, R – zmiany rezystancji, t – czas wygrzewania
Obliczyć energię aktywacji starzenia termicznego wg podanej formuły:
R R = KR (exp-Es/kT)√ t. (Obliczenie wykonać dla układu dwóch równań uzyskanych dla
wygrzewania w dwóch różnych temperaturach).
gdzie Es – energia aktywacji starzenia, KR- stała
Podać powody odchylenia przebiegu względnych zmian rezystancji od czasu w układzie ln
R R- t od ½.
Obciążyć wskazaną liniową strukturę rezystywną i przedstawić wpływ gęstości mocy
obciążenia ( stosunek mocy wydzielanej w rezystorze do powierzchni ścieżki rezystywnej,
rezystor o konfiguracji liniowej) na wartość rezystancji – uwzględniając natężenie pola
elektrycznego, gęstość prądu w mierzonej warstwie.
Wyjaśnić przyczyny wpływu gęstości mocy lub gęstości prądu w warstwie na zmiany
rezystancji ( zjawisko elektromigracji).
Określić gęstość mocy dopuszczalnej (znamionowej) i mocy niszczącej.
Zaobserwować i podać bezpośrednią przyczynę i mechanizm uszkodzenia warstwy (struktury tj.
układu podłoże , warsta i wielowarstwa kontaktowa). .
Pomiary wykonywać aż do elektrycznego uszkodzenia struktury ( przerwanie przepływu prądu)
obserwując jednocześnie strukturę pod mikroskopem optycznym.
5. Pomiar rezystancji kontaktów metodą TLM
http://tuttle.merc.iastate.edu/ee432/topics/metals/tlm_measurements.pdf
Literatura
1. Wykład
2. Wstęp do fizyki ciała stałego, C.Kittel
3. Thin film technology, R.W.Berry, P.M.Hall. M.T.Harris
4. Handbook of ThinFilm Technology, L.I.Maissel, R.Glang