Исследование диэлектрических тонкопленочных материалов

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

          Цель работы: Изучение электрического пробоя в тонкопленочных материалах.

          Объект исследования: тонкопленочный материал на основе оксида кремния.

Теоретические сведения

1. Причины, приводящие к возникновению пробоев в тонкопленочных материалах.

В устройствах микроэлектроники широко применяются тонкие пленки, изготовленные из диэлектрических материалов. Хорошими диэлектрическими свойствами обладают оксиды кремния, тантала, нитриды кремния и тантала, алюмосиликатные, фосфоросиликатные  и алюмофосфоросиликатные стекла,  керамики  сложного состава,  включающие несколько окислов, и некоторые другие неорганические материалы.                        

К важнейшим  свойствам  тонких диэлектрических пленок  относятся  высокая электрическая прочность, а также  стабильность  этого параметра  во времени, в интервале температур и частоты приложенного сигнала, и воспроизводимость электрической прочности от образца к образцу. Все перечисленные свойства объединены одним общим физическим явлением - электрическим пробоем.                  

Электрическая прочность тонкопленочных материалов существенно выше, чем объемных диэлектриков той же природы и достигает в лучших образцах величины порядка 10⁹ В/см. Причин этому явлению несколько. При лавинном пробое электрическая прочность  тонких пленок повышается в силу закона Пашена  [1, 2]. При тепловом пробое малая толщина диэлектрика способствует быстрому отводу выделяющегося в диэлектрике вследствие  диэлектрических  потерь  тепла. Высокой  электрической прочности диэлектрических тонкопленочных материалов способствуют также условия сверхчистой технологии их получения.  По этим причинам при  изготовлении из тонкопленочных материалов изделий микроэлектроники важнейшим фактором становится не электрическая прочность материала, а воспроизводимость этого параметра в партии изделий и по поверхности отдельного образца. Для пробоя сверхпрочной диэлектрической пленки достаточно,  чтобы она содержала всего одно слабое место.  Так  называются участки диэлектрической пленки,  пробивающиеся при значительно более низком значении напряжения, чем остальная поверхность образца.  

Существует  множество  причин образования  слабых мест  в диэлектрических пленках неорганического происхождения.  Поэтому проблема  надежности пленочных изделий электронной техники  продолжает оставаться весьма актуальной.  Очевидно, что надежность увеличивается при уменьшении  площади его поверхности и при увеличении толщины входящего в его состав диэлектрического слоя.

К причинам образования  слабых мест в диэлектрических пленках относятся:       

      - дефекты  различного характера  на поверхности подложки (трещины и поры, посторонние включения, точечные дефекты, создающие глубокие потенциальные ямы);                                                             

          - примеси посторонних веществ  в материале диэлектрика, конденсируемом на поверхность подложки;                                               

        - загрязнения  технологических сред  (вакуума при конденсации  в вакууме, газа при конденсации в тлеющем разряде, растворителя при электрохимических способах образования диэлектриков и т.п.);                        

      - растрескивание диэлектрических пленок вследствие неполного согласования коэффициентов линейного расширения контактирующих материалов;         

      - процессы старения диэлектрических пленок, в особенности их кристаллизация с течением времени;                                               

     - дефекты статистического происхождения, т.е. степень беспорядка, определяемая физической природой материалов и температурой диэлектрика.     

Существуют также  различные способы вторичной обработки  пленочных структур, целью которых является уменьшение плотности или заращивание слабых мест в диэлектрических пленках. Об этих способах можно прочитать  в специальной литературе.

2. Диэлектрические свойства пленок окиси кремния.

Окислы кремния (моноокись и двуокись) всегда присутствуют  в интегральных микросхемах  на кремниевых кристаллах.  Тонкие пленки окислов кремния выполняют здесь функции диэлектриков в пленочных конденсаторах, защитных и пассивирующих слоев, затворов в МОП-транзисторах,  разделителей проводниковых дорожек в многослойной разводке. Широкое применение эти пленки нашли благодаря своим высоким изоляционным свойствам. Электрическая прочность пленок моноокиси  и двуокиси кремния составляет (1-5)10⁶ В/см. Эти материалы обладают низкими потерями в широком диапазоне частот и относятся  к высокочастотным диэлектрикам. Их относительная диэлектрическая проницаемость равна e=5-5,5. Немаловажным достоинством этих материалов является тот факт, что технология их формирования на поверхности кремниевых кристаллов удачно вписывается в технологический процесс изготовления кремниевых микросхем в целом.                                     

3. Моделирование процесса пробоя в тонкопленочном материале.

          Проще всего пробой в диэлектрических тонкопленочных материалах изучать, помещая их между двумя металлическими обкладками цветных размеров, создавая своего рода тонкопленочный конденсатор. Исследуемый конденсатор включается в качестве нагрузки в электрическую цепь. На нагрузке с помощью, например, потенциостата, повышается напряжение по линейному закону с наперед заданной скоростью. Последовательно с исследуемым конденсатором включают высокоомный резистор R₁.