ВЛИЯНИЕ ПОЛЯРНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1 Тонкопленочные конденсаторы 10
1.2 Материалы для тонкопленочных конденсаторов (ТПК) 14
1.3 Методы очистки поверхности подложки перед напылением пленок 17
1.4 Технология получения МДМ-систем 26
1.5 Пробой тонкопленочных конденсаторов 31
Вывод к главе 1 37
ГЛАВА 2 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИССЛЕДУМЫХ ОБРАЗЦОВ.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.
КОНТРОЛЬ СТРУКТУРЫ, СОСТАВА И ПОВЕРХНОСТИ 38
2.1 Технология изготовления МДМ-структур 38
2.2 Методы контроля толщины и электрических свойств полученных МДМ-
структур 42
2.3 Состав диэлектрических пленок 45
2.4 Метод получения рельефа поверхности образца 47
Вывод к главе 2 49
ГЛАВА 3 ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ПРОБОЮ.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ОТ
ЧИСЛА ПРОБОЕВ ПРИ СМЕНЕ ПОЛЯРНОСТИ ВЕРХНЕГО ЭЛЕКТРОДА . 51
3.1 Измерение электрических характеристик тонкопленочных
конденсаторов 51
3.2 Исследование состава диэлектрических пленок для тонкопленочных
конденсаторов 59
3.3 Исследование электрической прочности от числа пробоев при смене
полярности 65
3.4 Моделирование электрического поля в процессе пробоя тонкопленочного
конденсатора 77
Вывод к главе 3 84
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 86
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 88
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1 Тонкопленочные конденсаторы 10
1.2 Материалы для тонкопленочных конденсаторов (ТПК) 14
1.3 Методы очистки поверхности подложки перед напылением пленок 17
1.4 Технология получения МДМ-систем 26
1.5 Пробой тонкопленочных конденсаторов 31
Вывод к главе 1 37
ГЛАВА 2 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИССЛЕДУМЫХ ОБРАЗЦОВ.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.
КОНТРОЛЬ СТРУКТУРЫ, СОСТАВА И ПОВЕРХНОСТИ 38
2.1 Технология изготовления МДМ-структур 38
2.2 Методы контроля толщины и электрических свойств полученных МДМ-
структур 42
2.3 Состав диэлектрических пленок 45
2.4 Метод получения рельефа поверхности образца 47
Вывод к главе 2 49
ГЛАВА 3 ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ПРОБОЮ.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ОТ
ЧИСЛА ПРОБОЕВ ПРИ СМЕНЕ ПОЛЯРНОСТИ ВЕРХНЕГО ЭЛЕКТРОДА . 51
3.1 Измерение электрических характеристик тонкопленочных
конденсаторов 51
3.2 Исследование состава диэлектрических пленок для тонкопленочных
конденсаторов 59
3.3 Исследование электрической прочности от числа пробоев при смене
полярности 65
3.4 Моделирование электрического поля в процессе пробоя тонкопленочного
конденсатора 77
Вывод к главе 3 84
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 86
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 88
Тонкие диэлектрические пленки (ТДП) в связи с развитием микроэлектроники получили самое широкое распространение. Они применяются для создания емкостных элементов, межслойной изоляции, пассивизации поверхности, изготовления контактных масок и т.д.
Диэлектрические пленки диоксида кремния (SiO2) и диоксида титана (TiO2) нашли обширное использование в микроэлектронной индустрии в качестве диэлектрических слоев в МДМ (металл-диэлектрик-металл)- и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)-структурах. В силу присутствия оригинального сочетания параметров данные диэлектрические пленки являются обязательной частью тонкопленочных МДМ-конденсаторов [1].
Одним из факторов понижения надежности микроэлектронных приборов считается пробой диэлектрической пленки. Пробой диэлектрических пленок имеет весомое прикладное значение, потому что в значимой степени определяет долговечность и функциональность тонкопленочных устройств микроэлектронных приборов [1].
Известен факт, что при пробое тонкопленочных конденсаторов (ТПК) замечается эффект «самозалечивания», заключающийся в том, что разрушение верхнего электрода совершается на площади большей, чем площадь диаметра канала пробоя в диэлектрике, канал пробоя изолируется от электрического поля и ТПС имеет возможность работать далее.
Поскольку ТПК впоследствии пробоя не закорачиваются, а продолжают действовать, то на одном ТПК возможно производить десятки замечается увеличение пробивного напряжения Unpпри увеличении количества пробоев на одном ТПК. Это связано с тем, что пробой случается в преимущественно слабом месте и с наращиванием числа пробоев эти слабые места выбиваются. Но такая зависимость замечается исключительно при одинаковой полярности, например, верхнего электрода [2].
Цель работы - отработка технологии изготовления МДМ- конденсаторов и исследование влияния полярности напряжения на электрическую прочность тонкопленочных конденсаторов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. провести анализ современных литературных источников, в которых освещена рассматриваемая проблематика;
2. исследовать методы очистки подложек для последующего напыления МДМ-структур, в целях улучшение адгезий нижнего электрода;
3. исследовать режимы для напыления МДМ-структур, для получения нестехиометрического состава диэлектриков;
4. исследовать состав, структуру используемых диэлектриков в получаемых МДМ-структурах;
5. исследовать зависимость электрической прочности от числа пробоев при смене полярности верхнего электрода и сделать выводы о поведении данной зависимости.
6. смоделировать распределение электрического поля в процессе пробоя, для подтверждения экспериментальных данных.
Практическая значимость
1. Установлено уменьшение напряжения первого пробоя после смены полярности на электродах тонкопленочного конденсатора. Данный эффект наблюдается в конденсаторных структурах Al - SiO2- Al и Al - TiO2 - Al, что позволяет предположить его универсальность и распространить на весь спектр диэлектрических пленок, используемых в микроэлектронике.
2. Выявлено, что отжиг диэлектрика не оказывает влияния на тенденцию снижения напряжения первого пробоя, возникающего в тонкопленочном конденсаторе при смене полярности верхнего электрода, хотя и приводят к общему его увеличению.
3. Моделирование процесса пробоя в тонкопленочном конденсаторе
показало увеличение электрического поля в диэлектрическом слое при смене полярности приложенного напряжения, что объясняется разным радиусом закругления микроострий на верхнем и нижнем электродах.
Поученные данные могут найти практическое применение в микроэлектронной промышленности и служить основой для корректировки толщин диэлектрических слоев, работающих в условиях смены полярности на электродах.
Научная новизна
1. Выявлены фундаментальные особенности протекания процесса пробоя в тонкопленочном конденсаторе при смене полярности напряжения на его обкладках.
2. Установленные особенности протекания процесса пробоя в тонкопленочном конденсаторе при смене полярности напряжения на его обкладках имеют универсальный характер.
Положения, выносимые на защиту:
1. Смена полярности напряжения на обкладках тонкопленочного конденсатора приводит к снижению на 5-8% напряжения первого пробоя.
2. Предварительный отжиг пленки диэлектрика не влияет на уменьшение напряжения каждого первого пробоя при смене полярности на обкладках тонкопленочного конденсатора.
3. Смена полярности на обкладках конденсатора приводит к изменению электрического поля в диэлектрическом слое.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 92 страницы машинного текста, включая 49 рисунков, 6 формул, 11 таблиц и списка литературы из 57 наименований. В соответствии с поставленными задачами вся диссертационная работа разделена на три главы.
Первая глава посвящена обзору литературы, в котором рассмотрены основные способы получения МДМ-конденсаторов, а в частности получение диэлектриков нестехиометрического состава, материалы, принимаемые для тонкопленочных конденсаторов. Еще в предоставленной главе рассмотрены главные механизмы пробоя и его зависимости. Исследована физика процесса пробоя тонкопленочных систем, а также найдены способы очистки подложек. В итоге анализа литературы сформированы цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрены способы получения тонкопленочных конденсаторов Al-SiO2-Al и Al-TiO2-Al. Для изготовления опытных образцов использовалось технологическое оснащение на основе вакуумной напылительной установке УВМ-2. Также рассмотрены методы контроля полученных ТПК, а именно для контроля толщины полученных пленок рассмотрена установка микроинтерферометр Линника МИИ-4. Для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь МДМ-конденсаторов применяется анализатор иммитанса широкополосный Е7-20. Элементный состав изучался с помощью ИК спектрометра Фурье Infralum FT-801с приставкой на пропускание и растрового электронного микроскопа Hitachi TM- 1000 с микроанализатором Bruker Quantax 50 EDX.Так же проводился анализ для определения наличий микроострий на верхнем электроде и в диэлектрике применялся сканирующий зондовый микроскоп СЗМ NT-MDT «Nanoeducator 1». Применяя данное оборудование, будут проводиться последующие эксперименты.
В основной части диссертации приводятся экспериментальные данные очистки стеклянных подложек для улучшения адгезии нижнего электрода к стеклянным подложкам, чтобы не происходило отрыва нижнего электрода . Также в предоставленной главе рассматривается отработка режимов напыления диэлектриков нестехиометрического состава для МДМ-конденсаторов. Впоследствии получения МДМ-конденсаторов была исследована зависимость электрической прочности от количества пробоев при смене полярности верхнего электрода. Проведено моделирование распределения электрического поля в процессе пробоя, для подтверждения экспериментальных данных.
Диэлектрические пленки диоксида кремния (SiO2) и диоксида титана (TiO2) нашли обширное использование в микроэлектронной индустрии в качестве диэлектрических слоев в МДМ (металл-диэлектрик-металл)- и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)-структурах. В силу присутствия оригинального сочетания параметров данные диэлектрические пленки являются обязательной частью тонкопленочных МДМ-конденсаторов [1].
Одним из факторов понижения надежности микроэлектронных приборов считается пробой диэлектрической пленки. Пробой диэлектрических пленок имеет весомое прикладное значение, потому что в значимой степени определяет долговечность и функциональность тонкопленочных устройств микроэлектронных приборов [1].
Известен факт, что при пробое тонкопленочных конденсаторов (ТПК) замечается эффект «самозалечивания», заключающийся в том, что разрушение верхнего электрода совершается на площади большей, чем площадь диаметра канала пробоя в диэлектрике, канал пробоя изолируется от электрического поля и ТПС имеет возможность работать далее.
Поскольку ТПК впоследствии пробоя не закорачиваются, а продолжают действовать, то на одном ТПК возможно производить десятки замечается увеличение пробивного напряжения Unpпри увеличении количества пробоев на одном ТПК. Это связано с тем, что пробой случается в преимущественно слабом месте и с наращиванием числа пробоев эти слабые места выбиваются. Но такая зависимость замечается исключительно при одинаковой полярности, например, верхнего электрода [2].
Цель работы - отработка технологии изготовления МДМ- конденсаторов и исследование влияния полярности напряжения на электрическую прочность тонкопленочных конденсаторов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. провести анализ современных литературных источников, в которых освещена рассматриваемая проблематика;
2. исследовать методы очистки подложек для последующего напыления МДМ-структур, в целях улучшение адгезий нижнего электрода;
3. исследовать режимы для напыления МДМ-структур, для получения нестехиометрического состава диэлектриков;
4. исследовать состав, структуру используемых диэлектриков в получаемых МДМ-структурах;
5. исследовать зависимость электрической прочности от числа пробоев при смене полярности верхнего электрода и сделать выводы о поведении данной зависимости.
6. смоделировать распределение электрического поля в процессе пробоя, для подтверждения экспериментальных данных.
Практическая значимость
1. Установлено уменьшение напряжения первого пробоя после смены полярности на электродах тонкопленочного конденсатора. Данный эффект наблюдается в конденсаторных структурах Al - SiO2- Al и Al - TiO2 - Al, что позволяет предположить его универсальность и распространить на весь спектр диэлектрических пленок, используемых в микроэлектронике.
2. Выявлено, что отжиг диэлектрика не оказывает влияния на тенденцию снижения напряжения первого пробоя, возникающего в тонкопленочном конденсаторе при смене полярности верхнего электрода, хотя и приводят к общему его увеличению.
3. Моделирование процесса пробоя в тонкопленочном конденсаторе
показало увеличение электрического поля в диэлектрическом слое при смене полярности приложенного напряжения, что объясняется разным радиусом закругления микроострий на верхнем и нижнем электродах.
Поученные данные могут найти практическое применение в микроэлектронной промышленности и служить основой для корректировки толщин диэлектрических слоев, работающих в условиях смены полярности на электродах.
Научная новизна
1. Выявлены фундаментальные особенности протекания процесса пробоя в тонкопленочном конденсаторе при смене полярности напряжения на его обкладках.
2. Установленные особенности протекания процесса пробоя в тонкопленочном конденсаторе при смене полярности напряжения на его обкладках имеют универсальный характер.
Положения, выносимые на защиту:
1. Смена полярности напряжения на обкладках тонкопленочного конденсатора приводит к снижению на 5-8% напряжения первого пробоя.
2. Предварительный отжиг пленки диэлектрика не влияет на уменьшение напряжения каждого первого пробоя при смене полярности на обкладках тонкопленочного конденсатора.
3. Смена полярности на обкладках конденсатора приводит к изменению электрического поля в диэлектрическом слое.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 92 страницы машинного текста, включая 49 рисунков, 6 формул, 11 таблиц и списка литературы из 57 наименований. В соответствии с поставленными задачами вся диссертационная работа разделена на три главы.
Первая глава посвящена обзору литературы, в котором рассмотрены основные способы получения МДМ-конденсаторов, а в частности получение диэлектриков нестехиометрического состава, материалы, принимаемые для тонкопленочных конденсаторов. Еще в предоставленной главе рассмотрены главные механизмы пробоя и его зависимости. Исследована физика процесса пробоя тонкопленочных систем, а также найдены способы очистки подложек. В итоге анализа литературы сформированы цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрены способы получения тонкопленочных конденсаторов Al-SiO2-Al и Al-TiO2-Al. Для изготовления опытных образцов использовалось технологическое оснащение на основе вакуумной напылительной установке УВМ-2. Также рассмотрены методы контроля полученных ТПК, а именно для контроля толщины полученных пленок рассмотрена установка микроинтерферометр Линника МИИ-4. Для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь МДМ-конденсаторов применяется анализатор иммитанса широкополосный Е7-20. Элементный состав изучался с помощью ИК спектрометра Фурье Infralum FT-801с приставкой на пропускание и растрового электронного микроскопа Hitachi TM- 1000 с микроанализатором Bruker Quantax 50 EDX.Так же проводился анализ для определения наличий микроострий на верхнем электроде и в диэлектрике применялся сканирующий зондовый микроскоп СЗМ NT-MDT «Nanoeducator 1». Применяя данное оборудование, будут проводиться последующие эксперименты.
В основной части диссертации приводятся экспериментальные данные очистки стеклянных подложек для улучшения адгезии нижнего электрода к стеклянным подложкам, чтобы не происходило отрыва нижнего электрода . Также в предоставленной главе рассматривается отработка режимов напыления диэлектриков нестехиометрического состава для МДМ-конденсаторов. Впоследствии получения МДМ-конденсаторов была исследована зависимость электрической прочности от количества пробоев при смене полярности верхнего электрода. Проведено моделирование распределения электрического поля в процессе пробоя, для подтверждения экспериментальных данных.
Проанализировав проведенную работу можно сделать выводы:
1. о практической работоспособности любого из вышеописанных методов очистки подложек для улучшения адгезии нижнего электрода к стеклянным подложкам;
2. были отработаны режимы получения МДМ-систем, а именно Al- SiO2-Alи Al-TiO2-Alна вакуумной напылительной установке УВМ-2;
Основной целью было исследование электрической прочности от числа пробоев при смене полярности верхнего электрода. Результаты были подтверждены и выявлены причины снижения электрической прочности после смены полярности верхнего электрода. Выявлено, что резкое уменьшение первого пробоя после смены полярности можно объяснить более сильным увеличением плотности тока как за счет разрушения старого ООЗ (оставшегося, когда это острие было под отрицательным потенциалом) и за счет большей плотности тока из острия, ставшем «критическим». Так же было доказано наличие микроострий и их влияние на пробой тонкопленочного конденсатора.
Для расчетов диаметра разрушения в верхнем электроде была уточнена формула (3.2) [54], в которой не была учтена энергия, тратящаяся на разрушение в верхнем электроде. Именно по уточненной формуле были сделаны расчеты для последующего моделирования процесса пробоя;
В процессе моделирования были сделаны выводы, что величина электрического поля в канале при смене полярности увеличивается, что объясняется тем, что при отрицательной полярности приложенного напряжения снижение электрической прочности более значительно из-за частичного проникновения материала верхнего электрода вглубь диэлектрика, что приводит к формированию микроострий на верхнем электроде. Микроострия в этом случае вызывают усиление электрического поля, а их вершинах, что увеличивает инжекцию электронов в диэлектрике, при условии отрицательного потенциала на них. Это доказывает результаты экспериментов и говорит о том, что при смене полярности наиболее вероятен пробой, а на верхнем электроде находится более острое микроострие.
1. о практической работоспособности любого из вышеописанных методов очистки подложек для улучшения адгезии нижнего электрода к стеклянным подложкам;
2. были отработаны режимы получения МДМ-систем, а именно Al- SiO2-Alи Al-TiO2-Alна вакуумной напылительной установке УВМ-2;
Основной целью было исследование электрической прочности от числа пробоев при смене полярности верхнего электрода. Результаты были подтверждены и выявлены причины снижения электрической прочности после смены полярности верхнего электрода. Выявлено, что резкое уменьшение первого пробоя после смены полярности можно объяснить более сильным увеличением плотности тока как за счет разрушения старого ООЗ (оставшегося, когда это острие было под отрицательным потенциалом) и за счет большей плотности тока из острия, ставшем «критическим». Так же было доказано наличие микроострий и их влияние на пробой тонкопленочного конденсатора.
Для расчетов диаметра разрушения в верхнем электроде была уточнена формула (3.2) [54], в которой не была учтена энергия, тратящаяся на разрушение в верхнем электроде. Именно по уточненной формуле были сделаны расчеты для последующего моделирования процесса пробоя;
В процессе моделирования были сделаны выводы, что величина электрического поля в канале при смене полярности увеличивается, что объясняется тем, что при отрицательной полярности приложенного напряжения снижение электрической прочности более значительно из-за частичного проникновения материала верхнего электрода вглубь диэлектрика, что приводит к формированию микроострий на верхнем электроде. Микроострия в этом случае вызывают усиление электрического поля, а их вершинах, что увеличивает инжекцию электронов в диэлектрике, при условии отрицательного потенциала на них. Это доказывает результаты экспериментов и говорит о том, что при смене полярности наиболее вероятен пробой, а на верхнем электроде находится более острое микроострие.