TANKE PLASTI, NAPARJENE PO METODI CURKA lONIZIRANIH SKUPKOV, CIS - VPLIV NA POTENCIALNO BARIERO SISTEMA Ag/n-Si{111) Dr. Bruno CvikI, Tehniška fakulteta, Univerza v Mariboru. Smetanova 17, 62000 Maribor in Institut "Jožef Stefan", Univerza v Ljubljani, Jamova 39, 61111 Ljubljana IONIZED CLUSTER BEAM THIN FILM DEPOSITION, ICB - AN INFLUENCE ON Ag/n-Si(111) POTENTIAL BARRIER HEIGHT Abstract The uniqness and the suitability of the ionized cluster beam deposition, ICB, method for a controlled variation of Schottky potential barrier height occuring at metal/ semiconductor interfaces and, consequently, for the investigation of its related physical processes ia being illustrated on an example of characteristics of the silver thin film on n-doped silicon wafers depositions as a function of experimental parameters. Povzetek Posebnost in ustreznost nanašanja tankih plasti po metodi curka ioniziranih skupkov, CIS, za nadzorovano spreminjanje višine Schottkyjeve potencialne bariere ob stiku kovina/polprevodnik in proučevanje s tem povezanih fizikalnih pojavov je ilustrirano na primeru nanosa tanke plasti srebra na n dopirane rezine silicija v odvisnosti od vrednosti eksperimentalnih parametrov. 1. Uvod Postopek in značilnosti tankih plasti, izvedenih po relativno manj poznani in razširjeni metodi nanašanja s curkom ioniziranih skupkov, CIS, je bil nedavno opisan v /1/. Povzeto na kratko, gre za naslednja dogajanja: v vakuumu, z adiabatno ekspanzijo skozi šobo talilnega lončka tvorjeni skupki taljenca {t.j. grozdi, sestavljeni iz nekaj sto med seboj spojenih atomov ali pa celo molekul) potujejo na poti proti podlagi skozi ionizator, kjer so podvrženi prhanju z elektroni. Tisti delež skupkov, ki se ob tem ionizira, je nato moč pospešiti v statičnem električnem polju in tako vplivati na njihovo translacijsko kinetično energijo. V splošnem velja prepričanje, da je prav ta delež skupkov tisti, v veliki meri tudi zaradi svojega električnega naboja, ki odločujoče vpliva na kvaliteto nanesene tanke plasti. Vsi, t.j. tako nevtralni kot ustrezno pospešeni ionizirani skupki, se, zaradi medsebojne rahle vezave atomov, ob vpadu na površino podlage razletijo na individualne atome. Le-ti po njej difundirajo in povzročajo, zaradi svoje energije, lokalno mikro segrevanje površine, zelo plitko implantacijo v podlago, tvorbo aktfvacijskih središč za nukleacijo in v majhni meri tudi razprševanje atomov s površine podlage. Zaradi mikro segrevanja in trkov s površinskimi atomi nečistoč povzročajo omenjeni delci lokalno čiščenje površine in temu pojavu pripisujejo vzrok, da poteka postopek nanašanja po metodi CIS pri višjih tlakih in nižji temperaturi podlage kot z drugimi metodami nanašanja. Poročajo, da je z metodo curka ioniziranih skupkov mogoče nanašati visokokvalitetne tanke plasti snovi, kot so 121: kovine, polprevodniki, termoelektrični materiali, dielektriki, magnetni materiali in celo nekatere organske spojine (n.pr. Cu ftalocianin. antracen, polietilen itd.). Da poteka postopek rasti tankih plasti z nanašanjem po metodi curka ioniziranih skupkov na način, ki v osnovi še ni docela pojasnjen in se kvalitativno razlikuje od fizikalno-kemijskih postopkov rasti vseh ostalih metod gojenja tankih površin, bomo ilustrirali na tehnološko izjemno pomembnem primeru nanašanja, po metodi CIS, izbrane kovine na podlago ustreznega polprevodnika. Znano je, da temelji področje mikroelektronskih tehnologij na natančno določenem zaporedju medsebojnih planarnih nanosov kovine, dielektričnih (SOx) tankih plasti in (bolj aH manj ustrezno dopirane) površine polprevodnika. Če se v nadaljnjem omejimo zgolj na stik kovina/polprevodnik, tedaj rabi le-ta v najpreprostejši obliki ali kot električni kontakt ali pa po drugi strani, kot usmerjevalni mikroelement, tki. -Schottky-jeva dioda. V mikroelektronski Si tehnologiji se električni stik najpogosteje izdela z vakuumskim nanosom izbrane kovine na močno dopirano podlago (tanka, z ionsko implantacijo dopirana plast, navadno silicijeve rezine, kjer je koncentracija dopantov okoli 10 /m ), če pa so koncentracije dopantov manjše, pa se tedaj vede stik kovina/silicij kot usmejevalna (t.j. Schottkyjeva) dioda. V slednjem primeru je višina potencialne bariere, ki se tvori med polprevodnikom in kovino (za dani polprevodnik), zaradi prisotnosti elektronskih stanj na vmesni plasti /3/, večinoma neodvisna od izbire kovine. Ugotovili so, da je mogoče v nekaterih primerih zvišati ali pa znižati bariero tudi do 30%, z implantacijo visoko koncentriranih ustrezno izbranih dopantov (ali donorjev ali pa akceptorjev) v globino nekaj 10 nm v notranjost polprevodnika /4/, To spremembo višine potencialne bariere gre pripisati navedeni (tako dopirani) površinski plasti, ki neposredno vpliva na vrednost električne poljske jakosti pod samo površino polprevodnika in tako učinkuje na transport nosilcev naboja med njegovo notranjostjo in površino. V pričujočem prispevku bo podan prikaz neposredne vzajemne povezanosti (neznane) sestave vmesne plasti, kot jo določajo razmere, lastne nanašanju tankih plasti po metodi curka ioniziranih skupkov, CIS, in ustreznih električnih karakteristik na primeru Ag/n-Si(111) Schottkyjeve diode. Poudariti gre, da se v tem primeru razmere bistveno razlikujejo od tistih, navedenih zgoraj /4/, saj tu ne gre za implantacijo dopantov in s tem povezani pojav nastanka površinske električne dipolne plasti. Namen predstavitve spodaj opisanih eksperimentalnih rezultatov sloni na dejstvu, da so fizikalna dogajanja, ki vodijo do nastanka potencialne bariere na stiku kovina/polprevodnik, v znatni meri še vedno pomanjkljivo pojasnjena 15/. in zato je umestno pričakovati, da bi lahko metoda nanašanja CIS tvorno prispevala k razjasnitvi nekaterih osnovnih dogajanj na samem stiku, hkrati pa nudila možnost, da na posredni način prispeva h splošnemu razumevanju poteka rasti in sestave vmesne - nesilicidne -plasti. 2 Značilnosti sistema kovina/polprevodnik pod istosmerno napetostjo Dobro je poznano dejstvo, da je funkpijska odvisnost električnega toka, ki teče skozi sistem kovina/polprevodnik /6/ v odvisnosti od napetosti na sponkah, večinoma izrazito nelinearna in podana z izrazom splošne oblike (zapisano za najpogostejši primer, kjer je termična emisija polja dominantni proces prevajanja elektronov skozi stik): I = SA" T2 (e^v/nkT (1) kjer je S površina stika. A** je konstanta, sestavljena iz produkta faktorja, ki upošteva sipanje optičnih fononov in kvantno mehanski odboj elektronov na meji ter Richardsonove konstante A* = 4iTqk m*/h^, pri čemer je k Boltzmannova konstanta, h Planckova konstanta, m* efektivna masa elektronov na dnu prevodnega pasu polprevodnika, T absolutna temperatura, q naboj elektrona, V električna napetost med sponkama, ip efektivna višina potencialne bariere na stiku in n faktor idealnosti. Izraz bariera, poenostavljeno gledano, popisuje ozko področje na stiku, ki ima abnormalno visoko električno upornost. V danem primeru je njen pojav povezan z obstojem (v okolici stika) prostorsko razporejenega od nič različnega presežnega naboja, ki nastane zaradi prisotnosti negibljivih ioniziranih donorjev (ali akceptorjev) v polprevodniku in pa zaradi energijskih stanj nosilcev nabojev, ki se nahajajo na površini ob samem stiku. Presežni naboj je povezan z (lokalno) prostorsko spremembo električnega potenciala, katerega vrednost se na stiku kovina/polprevodnik nezvezno spremeni. V kovini je elektrostatični potencial konstanten, v polprevodniku pa od dane vrednosti na stiku v globino pojema, in sicer sorazmerno kvadratu oddaljenosti od stili mi / (ti 2 kV preide v linearno (omsko) odvisnost. Povedano drugače, pri isti koncentraciji dopan-tov silicijevih rezin je električna karakteristika po CIS depoziciji izvedenega stika Ag/n-Si(1ll) izključno odvisna samo od vrednosti pospeševalne napetosti (ob konstantni vrednosti ionizacijskega toka). V praksi bi to lahko pomenilo, da bi bilo mogoče s primerno izbiro maske na različnih mestih iste rezine z metodo CIS nanesti plast srebra, ki bi rabila v odvisnosti od načrtovanih potreb ali kot ustrezna aktivna sestavina mikroelementa ali pa zgolj za električni kontakt. Na sliki 3 je prikazan Augerjev spekter Ag/n-Si(111) po globini ionsko jedkanega vzorca, tako da je razvidna prostorska sestava vmesne plasti ene izmed na IJS nanesenih Schottkyjevih diod. Ob tej priliki je potrebno poudariti, da tik pred pričetkom samega postopka nanašanja, navzlic njeni tehnološki pripravi (razmas-titev in jokanje po RCA postopku), prekriva površino podlage, tj. površino n dopirane rezine Si(111), do nekaj nm debela oksidna plast SiOx- V tej plasti se po nanašanju verjetno nahajajo, v odsotnosti ali pa za Vzorac; Ag/SI 2 kV, imajo Ag ioni dovolj energije, da se prebijejo skozi oksidno plast in se zaustavijo v notranjosti silicija. Ker porazdelitev po velikosti Ag skupkov ni delta funkcija, slika 4, in ker se skupki v odvisnosti od njihove velikosti ob udaru na površino obnašajo različno /9/, sledi, da Je umestno pričakovati od stika pa v notranjost polprevodnika zelo zapleteno prostorsko porazdelitev Ag atomov in iz njih sestavljenih mikro delcev. Le-ti, kot je znano, z Si ne tvorijo silicidov. Na podlagi zgornje ugotovitve je mogoče postaviti dve hipotezi vzroka znižanja višine Schottkyjeve potencialne bariere v odvisnosti od pospeševalne napetosti: a) Ag mikro delci igrajo v Si rezini takšno vlogo, da skupaj z tistimi, razporejenimi v SiOx plasti, povzročajo zoževanje Schottkyjeve bariere in s tem bistveni porast tunelskega toka elektronov, ali pa Ag SKUPKI velikost šobe t tntrn "" — itnn KONIČNO 20ŽCH0 500 1000 1500 2000 VELIKOST SKUPKOV (atomov/skupek) Slika 4. Porazdelitev velikosti v ioniziranem curku prisotnih skupkov srebra v odvisnosti od premera šobe talilnega lončka, kot so /o izmerili z metodo zavirajočega električnega polja 121. b) vpetje Fermijevega nivoja v Ag/n-Si(111) vmesni plasti ni določeno s površinskimi stanji vmesne plasti, marveč je povezano z izstopnim delom tik ob stiku nastalih mikro skupkov, katerih koncentracija v Si s povečevanjem pospeševalne napetosti hitro narašča. Poseben komentar zasluži druga od omenjenih dveh hipotez, Namreč, računalniška simulacija rasti tanke plasti na površini podlage, na katero se odlagajo ionizirani atomski skupki, pri čemer je kemijska sestava skupkov in podlage različna /9/, kaže na sorazmerno kvalitetno planarno razporeditev iz skupka razsutih atomov ob zanemarljivi implantaciji v samo podlago. Toda, kot je razvidno iz slike 4, tvorijo relativno velik delež v curku prisotnih delcev kar srebrovi atomi sami, ki lahko v primeru, da imajo dovolj kinetične energije, prebijejo SiO* plast ter nato tvorijo v Si vkieščene, lokalno porazdeljene mikro skupke in to sami zase ali pa v povezavi z Si, SiOx ali pa O atomi. Opisana trditev delno sloni tudi na rezultatu Augerjeve spektroskopije, prikazane na sliki 3, kjer je jasno razviden majhen, toda izraziti vrh "nečistoč" atomarnega kisika in pa sorazmerno blago pojemanje koncentracije atomov srebra v globino silicija. Slednje je v skladu z izračunanim dosegom Ag ionov v Si, ki je približno 0.4 nm za energijo 1 eV, 0.7 nm za 100 eV, 3.7 nm za 1 keV in okoli 12 nm za translacijsko energijo Ag ionov enako 10 keV, Če sedaj privzamemo veljavnosti zgoraj omenjenega sklepa, se navedeni mikro sestavi c^likujejo s svojstveno vrednostjo izstopnega dela in tedaj bi bilo moč govoriti o "efektivnem izstopnem delu" vmesne plasti v okolici stika. To dejstvo bi pa utegnilo pomeniti podporo modelu Schottkyjeve bariere, kot sta ga formulirala Freeouf in Woodall /10/. Raziskave so v teku. 3 Sklep Pojavi, povezani z nastankom Schottky-jeve bariere na stiku kovina/polprevodnik, so še dandanes nepopolno raziskani. V splošnem se je pokazalo, da so električne karakteristike v kritični meri odvisne od kvalitete epitakse vmesne (interfacialne) plasti; le-ta pa je močno odvisna od prisotnosti kisika ali silicijevih oksidov na začetni Si(111) podlagi. S stališča osnovnih raziskav je posebno zanimiv problem nadzorovanega spreminjanja višine potencialne bariere, to je problem, ki je hkrati tudi tehnološko dovolj pereč. V sedanjem času omogočajo spreminjanje višine, toda samo do neke mere, metode, ki so osnovane na plitvi implantaciji površin polprevodnika z njemu ustreznimi dopanti, V članku so opisani preliminarni rezultati vakuumskega nanosa srebra na podlago n-Si(lll), izvedenega po metodi curka ioniziranih skupkov. Pokazano je, da je mogoče s primerno izbranimi parametri nanosa spremeniti višino potencialne bariere sestava Ag/n-Si(111) tako. da tvortša izkazuje usmerjevalno l-V karakteristiko pa vse do limite, ko poseduje sestav lastnosti običajnega omskega upora. Opisane poizkuse zniževanja potencialne bariere je mogoče razumeti na osnovi Inipoteze, po kateri je vmesna Ag/Si plast sestavljena iz mikroskupkov, h katerim po vsej verjetnosti prispevajo še površinske nečistoče, od katerih je najpomembnejši kisik. Področja teh mikroskupkov so verjetno stohastično porazdeljena po vsej vmesni plasti, njena debelina pa je funkcija vpadne energije Ag skupkov. Vsaki posamezni sestavi mikroskupka je mogoče prirediti neko izstopno delo, tako da postane izstopno delo celotne vmesne plasti potemtakem neka utežena funkcija odgovarjajočih vrednosti izstopnih del mikro skupkov. Ker se vrednost izstopnega dela v odvisnosti od sestave in porazdelitve mil