Influence of voltage polarity on electric strength of thin film capacitors.pdf Введение Тонкие диэлектрические пленки в связи с развитием микроэлектроники получили самое широкое распространение. Они применяются для создания емкостных элементов, межслойной изоляции, пассивации поверхности, изготовления контактных масок и т.д. Среди диэлектрических пленок особым образом выделяются пленки диоксида кремния (SiO2) и диоксида титана (TiO2), которые нашли обширное использование в микроэлектронной индустрии в качестве диэлектрических слоев в МДМ (металл - диэлектрик - металл)- и МДП (металл - диэлектрик - полупроводник)-структурах [1]. Одной из распространенных причин выхода из строя приборов микроэлектроники является электрический пробой диэлектрических слоев. Электрическая прочность диэлектрических пленок в значимой степени определяет долговечность и функциональность тонкопленочных приборов микроэлектроники [1]. Известен факт, что при пробое тонкопленочных конденсаторов (ТПК) присутствует эффект «самозалечивания», заключающийся в том, что разрушение верхнего электрода совершается на площади большей, чем площадь диаметра канала пробоя в диэлектрике. Канал пробоя таким образом изолируется от электрического поля, и ТПК имеет возможность работать далее. Поскольку ТПК вследствие пробоя не выходят из строя, а продолжают функционировать, то на одном ТПК возможно производить десятки и сотни пробоев. Это связано с тем, что пробой обычно происходит по точечным дефектам, которые характеризуются большими токами утечки. С наращиванием числа пробоев по таким дефектам количество пробоев уменьшается. При этом происходит увеличение пробивного напряжения Uпр при увеличении числа пробоев на одном ТПК. Но такая зависимость замечается исключительно при одинаковой полярности, например, верхнего электрода [1]. В предыдущих исследованиях на конденсаторных структурах типа Al-SiO2-Al [2] нами было выявлено, что при смене полярности уменьшается величина напряжения каждого первого пробоя, и были высказаны предположения, что это связано с тем, что каждый предшествующий пробой представляет собой новые «слабые» места с новыми эмиссионными центрами. Целью данных исследований является изучение влияния толщины диэлектрических слоев SiO2 и TiO2 на зависимость электрической прочности от числа пробоев при смене полярности верхнего электрода (ВЭ). При смене полярности ВЭ полярность нижнего электрода (НЭ) изменяется соответственно. Исследование зависимости пробивного напряжения конденсаторных структур типа Al-SiO2-Al и Al-TiO2-Al от числа пробоев при смене полярности верхнего электрода Рис. 1. Зависимость напряжения пробоя МДМ-структуры Al-TiO2-Al от числа пробоев при смене полярности при толщине диэлектрика 180 нм Рис. 2. Зависимость напряжения пробоя МДМ-структуры Al-TiO2-Al от числа пробоев при смене полярности при толщине диэлектрика 200 нм Рис. 3. Зависимость напряжения пробоя МДМ-структуры Al-TiO2-Al от числа пробоев при смене полярности при толщине диэлектрика 350 нм Экспериментальные конденсаторные структуры изготавливались при помощи вакуумной установки УВН-2М [3]. Перед проведением измерений производилось разделение ВЭ для исключения влияния на результаты измерений соседних конденсаторов. Пробой ТПК осуществлялся с помощью прибора, позволяющего генерировать линейно нарастающее напряжение от 1 до 250 В при коэффициенте нелинейности менее 1% и скорости нарастания напряжения от 0.1 до 100 В/с. В момент резкого увеличения тока, проходящего через структуру [4], прибор фиксировал значение напряжения, при котором происходил пробой. Через фиксированный временной промежуток измерение повторялось. На рис. 1 - 3 представлены результаты пробоя МДМ-структур Al-TiO2-Al при смене полярности ВЭ. Измерения проводились на нескольких конденсаторах в матрице, после этого производилось усреднение значений и статическая обработка результатов, что позволило снизить погрешность измерений [4]. Из данных зависимостей видно, что при смене полярности уменьшается напряжение каждого первого пробоя. Следует сказать, что количественная теория пробоя диэлектрических пленок отсутствует. Однако качественные представления о механизме пробоя диэлектрической пленки имеются, и картина пробоя в первом приближении ясна [5]. При этом учитываются следующие особенности структуры тонкопленочной системы: наличие микроострий на катоде, из которых происходит эмиссия электронов в диэлектрик; наличие потенциального барьера на границе электрод - диэлектрик; наличие электронных ловушек в диэлектрической пленке, которые захватывают электроны, и при этом образуется отрицательный объемный заряд (ООЗ). Исследования показали, что ООЗ сосредоточен в прикатодном слое толщиной не более 10-5 см. Это связано с тем, что эмитированные из катода электроны обладают малой энергией и легко захватываются ловушками [5]. Полученные нами результаты исследования зависимости напряжения пробоя МДМ-структуры Al-TiO2-Al от числа пробоев при смене полярности (рис. 4) подтверждают это заключение. ООЗ, образующийся вблизи микроострия электрода, находящегося под отрицательным потенциалом, уменьшает напряженность электрического поля на его вершине и увеличивает Eпр (рис. 4, а). При смене полярности наблюдается скачок тока, связанный с образованием нового ООЗ (время образования Рис. 4. Схематическое изображение образования и разрушения ООЗ до смены полярности (а) и сразу после смены полярности (б) ООЗ τ ≈ 10-7 с) на противоположном электроде и разрушением ООЗ вблизи бывшего отрицательного острия (рис. 4, б). На рис. 4, б стрелками показано направление эмиссионных токов при смене полярности. В дальнейшем зависимость Uпр от числа пробоев стандартна: происходит увеличение Uпр при увеличении числа пробоев. Стоит также отметить, что электрическая прочность пленок уменьшается с ростом толщины, что объясняется большим количеством неоднородностей структуры в толстых пленках, возникающих в процессе их синтезирования [5]. Для уточнения основной причины поведения зависимости электрической прочности конденсаторных структур от числа пробоев при смене полярности ВЭ были исследованы две конденсаторные структуры типа Al-SiO2-Al с толщинами диэлектриков 180 и 250 нм, с поверхности которых были удалены адсорбированные молекулы воды. Решение удалить с поверхности ТПК адсорбированные молекулы воды было сделано на основании выводов [6]. В данной работе рассматривалась температурная зависимость электрической прочности конденсаторной структуры Al-SiO-Al. Из данной зависимости было видно наличие максимума, который обусловлен присутствием абсорбированных молекул воды на поверхности пленки диэлектрика. Рис. 5. Зависимость электрической прочности МДМ-струк¬туры Al-SiO2-Al с исключением паров воды с поверхности ТПК от числа пробоев при смене полярности при толщине диэлектрика 180 нм Рис. 6. Зависимость электрической прочности МДМ-струк¬туры Al-SiO2-Al с исключением паров воды с поверхности ТПК от числа пробоев при смене полярности при толщине диэлектрика 250 нм Удаление молекул воды с поверхности пленки диэлектрика проводилось с помощью нагрева и температурной выдержки при 120 °С в течение 20 мин в вакуумной камере сразу после ее осаждения. После такой температурной выдержки производилось осаждение ВЭ. Далее проводился пробой изготовленных структур при смене полярности приложенного к электродам напряжения. Результаты данных экспериментов представлены на рис. 5 и 6. В предыдущих исследованиях на конденсаторных структурах типа Al-SiO2-Al [2] без исключения паров воды с поверхности ТПК наблюдалось меньшее напряжение пробоя, чем в приведенных зависимостях на рис. 5 и 6. Из данных зависимостей видно, что с исключением паров воды с поверхности ТПК значение напряжения пробоя возрастает, а зависимость ведет себя так же, как и с парами воды, т.е. происходит уменьшение каждого первого пробоя при смене полярности. Значит можно сказать, что пары воды не влияют на уменьшение напряжения пробоя при смене полярности ВЭ. Предположение о микроостриях было сделано на основании того, что тонкопленочные системы нельзя рассматривать состоящими из однородного тонкого слоя диэлектрика и прилегающих к нему электродов с безупречно ровными поверхностями. При толщине диэлектрической пленки, равной 10-6-10-4 см, размеры внутренних неоднородностей этой пленки и неровностей на поверхности электродов сравнимы с указанной толщиной и оказывают существенное влияние на пробой диэлектрической пленки. Рост металлической пленки электродов начинается с образования центров конденсации, которые превращаются в отдельные островки, сливающиеся при определенной толщине в сплошную пленку. Такой механизм роста приводит к тому, что осажденные пленки нижнего электрода представляют собой холмистую поверхность (микроострия шарообразной и конусообразной формы) [7]. При осаждении слоя диэлектрика на такую поверхность пленки металла диэлектрик сглаживает невысокие микроострия (загрунтовывает), но, в основном, повторяет рельеф нижнего электрода. Кроме того, сама пленка диэлектрика вносит собственные неоднородности в рельеф системы: микротрещины из-за разницы в коэффициентах линейного расширения металлической и диэлектрической пленок. Верхний электрод, даже если он не вносит дополнительных дефектов в структуру, повторяет рельеф поверхности диэлектрика. Но также в процессе осаждения верхнего электрода могут возникнуть локальные разогревы, приводящие к появлению трещин в объеме диэлектрической пленки [7]. Для подтверждения наличия микроострий на поверхности верхнего электрода были проведены исследования на сканирующем зондовом микроскопе СЗМ NT-MDT «Nanoeducator 1». На рис. 7 представлено изображение морфологии поверхности верхнего электрода (Al). Рис. 7. Изображение морфологии поверхности верхнего электрода Al Изображение морфологии поверхности верхнего электрода Al (рис. 7) показывает наличие углублений конусообразной сферической формы. Таким образом, конденсирующийся металл не только заполняет микронеровности на поверхности диэлектрической пленки, что подтвержают литературные данные, но и частично внедряется в нее, образуя микроотверстия, проникающие в глубь диэлектрической пленки и заполненные металлом [7]. Указанные микроотверстия, заполненные металлом, являются точечными дефектами, в области которых напряженность электрического поля значительно превышает ее усредненное по площади ТПК значение. А при превышении напряженности электрического поля в области микроострий значения электрической прочности происходит электрический пробой ТПК. В свою очередь, резкое уменьшение напряжения первого пробоя после смены полярности можно объяснить более сильным увеличением плотности тока за счет разрушения сохранившегося ООЗ, накопленного, когда это острие было под отрицательным потенциалом. Заключение В результате проведенных исследований были экспериментально выявлены особенности влияния смены полярности приложенного к обкладкам ТПК напряжения на их пробивное напряжение. Установлено, что уменьшение напряжения электрического пробоя ТПК при смене полярности на обкладках не связано с адсорбцией на структуре паров воды. Резкое уменьшение напряжения первого пробоя после смены полярности обусловлено сильным увеличением плотности тока за счет разрушения сохранившегося ООЗ, накопленного, когда это микроострие было под отрицательным потенциалом. Микроострия в этом случае вызывают усиление напряженности электрического поля на их вершинах при условии их нахождения под отрицательным потенциалом, что увеличивает инжекцию электронов в диэлектрик. Такое описание механизмов пробоя тонкопленочных конденсаторов при смене полярности полностью согласуется с результатами проведенных экспериментов.

Скачать электронную версию публикации