ПРОБОЙ ПОРИСТЫХ ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК

АННОТАЦИЯ

В данной статье будет проводиться исследование электрической прочности пористых оксидных пленок. Исследования проводились при различных температурах поверхности подложки МДМ – системы Al – SiO₂ – Al с различной степенью модификации.

Ключевые слова: пробой ТПК, МДМ – системы Al – SiO₂ – Al, углерод.

Перспективным материалом в области микро-, нано- и оптоэлектроники являются пористые оксидные пленки. Область применение данных материалов крайне разнообразна, они применяются в светодиодах, фотодетекторах, катодах вакуумной микроэлектроники, датчиках газов, мембранах, в качестве межслойной изоляции в интегральных микросхемах [1].

Использование этих пленок в качестве межслойной изоляции позволяет заметно повышать скорость распространения электрических сигналов, а также снижать диэлектрические потери за счет более низкой по сравнению с аналогичными не пористыми диэлектриками диэлектрической проницаемости. Снижение диэлектрической проницаемости происходит за счет внедрения в твердые диэлектрики воздуха в виде пор.

Добавление графитовых дисков на мишень в процессе реактивного ионно-плазменного распыления приводит к образованию в оксидных пленках пор. Появление пор обусловлено протеканием химической реакции углерода с кислородом, в результате которой образующийся углекислый газ покидает оксидную пленку. В составе структур типа металл – диэлектрик – металл пористые оксидные пленки приобретают новые свойства, такие как: эффект переключения и памяти, пониженные по сравнению с исходным материалом диэлектрическую проницаемость и тангенс диэлектрических потерь, высокую чувствительность к газам [2].

Технология формирования пористых оксидных пленок относительно проста и совместима с существующей полупроводниковой интегральной технологией, она позволяет проводить микроминиатюризацию, не изменяя в значительной степени существующую технологию изготовления интегральных микросхем. На сегодняшний день проведено значительное количество всесторонних исследований пористых материалов, однако в этих исследованиях рассматриваются массивные образцы и в большинстве случаев полученные результаты нельзя применить к тонким пленкам.

В связи с интересом к использованию пористых пленок в качестве межслойной изоляции, целью настоящей работы является исследование электрической прочности пористых оксидных пленок

Пробой пленок осуществлялся с помощью прибора, разработанного на кафедре физической электроники. Данный прибор позволяет 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 (пробоя) [3] прибор фиксирует значение напряжения, при котором произошел пробой. Через фиксированный временной промежуток (3-5 с.) измерение повторяется вновь. Зная толщину диэлектрической пленки и напряжение, при котором произошел пробой можно рассчитать среднюю пробивную напряженность (электрическую прочность).

Измерения электрической прочности проводилось на нескольких конденсаторах в матрице, после чего производилось усреднение значений и статистическая обработка результатов, что позволило снизить погрешность измерений [3].

Исследования проводились при различных температурах поверхности подложки. Для нагрева подложки до требуемой температуры ее помещали на массивный металлический брусок с помещенной внутрь нихромовой спиралью, которая подключалась лабораторному источнику питания. Измерение температуры подложки осуществлялось с помощью термопары.

Характер пор в пленках, полученных описанным выше методом, может быть представлен в виде плотной упаковки стержней с различными координационными числами, о чем свидетельствуют микрофотографии скола пленок диоксида кремния, модифицированных углеродом.

Рисунок 1. Микрофотография скола пленок SiO₂ при уровне модификации S_c = 42 %

Примечательно, что такая структура состоит из стержней, в промежутках между которыми образуются поры, и сплошной пленки, называемой «остовом» [4].

При осаждении пленки верхнего электрода на такую структуру, она проникает вглубь пор. О чем свидетельствует микрофотография скола модифицированной пленки SiO₂ с нанесенным алюминиевым верхним электродом, представленная на рисунке 2.

Рисунок 2. Микрофотография скола модифицированной пленки SiO₂ с нанесенным алюминиевым верхним электродом

В результате чего электрическое поле в такой структуре должно быть неоднородным. Неоднородность поля в свою очередь должно сказаться на электрической прочности исследуемых структур [3, 5, 6]. Что подтверждается результатами моделирования.

Для моделирования электрического поля в пористой структуре использовалась программа ELCUT 5.1 Professional, предназначенная для проведения инженерного анализа и двумерного моделирования методом конечных элементов. Исходными данными для модели служила геометрическая модель пористой структуры, потенциалы на верхнем и нижнем электродах и диэлектрические проницаемости материала диэлектрика и пор. Результатом расчета является картина электрического поля с возможностью определения напряженности электрического поля в любой точке, а также построения графика зависимости напряженности электрического поля от координаты в любой плоскости.

Ниже представлены результаты моделирования электрического поля в структурах на основе SiO₂ с порами, заполненными воздухом и водой.

Рисунок 3. Электрическое поле в пористых пленках SiO₂ с порами, заполненными воздухом

На рисунке 3 можно отметить значительное усиление электрического поля в области пор, что подтверждается литературными данными [7]. Важно учитывать, что особенностью мезопористых систем является наличие капиллярной конденсации [4, 8, 9], что приводит к заполнению пор водой, что, в свою очередь, должно приводить к изменению распределения электрического поля.

Рисунок 4. Электрическое поле в пористых пленках SiO₂с порами, заполненными водой

Как следует из картины поля, представленной на рисунке 4, в случае, когда поры заполнены водой, электрическое поле локализуется в области остова, что должно оказывать значительное влияние на электрическую прочность пористых структур [3, 5, 6].

Результаты эксперимента по многократному пробою МДМ – структур на основе пленок диоксида кремния (SiO₂) разной степени модификации при различных температурах представлены ниже.

Рисунок 5. Зависимость электрической прочности пленок SiO₂ разной степени модификации от числа пробоев N при различных температурах: а - Sc = 0%; б - Sc = 10%; в - Sc = 30%

Рисунок 6. Зависимость электрической прочности пленок SiO₂ от степени модификации углеродом при различных температурах

Анализируя представленные на рисунке 5 графики можно заметить, что с ростом числа пробоев электрическая прочность возрастает, что связанно с эффектом «самозалечивания», который наблюдается в тонкопленочных конденсаторах [6]. Как следует из графика, представленного на рисунке 6, электрическая прочность с увеличением пористости имеет немонотонный характер, что может быть связано с гигроскопичностью пленок SiO₂, это также позволяет объяснить рост электрической прочности с увеличением температуры.

Для пленок диоксида кремния зафиксирована аномальная температурная зависимость электрической прочности, с ростом температуры электрическая прочность увеличивается. Предположительно, причиной такой зависимости является адсорбированная исследуемыми структурами диоксида кремния вода из окружающей среды. При нагревании структур происходит десорбция паров воды и, как следствие, увеличение электрической прочности.

Такое предположение так же позволяет объяснить и более сильную температурную зависимость электрической прочности у не модифицированных пленок. Поскольку пленки, модифицированные углеродом, имеют пористую структуру, то из-за капиллярного эффекта десорбция паров воды происходит значительно медленнее и при более высоких температурах [10].

Для подтверждения выдвинутой гипотезы при помощи Фурье-спектрометра «Infralum FT-801» были сняты ИК - спектры пропускания модифицированных и не модифицированных пленок диоксида кремния, нанесенных на кремниевую подложку. Полученные спектры представлены на рисунке 7.

Рисунок 7. ИК - спектр пропускания модифицированной и не модифицированной пленок SiO₂

В полученных спектрах фиксируются характерные для воды пики поглощения на 3725 и 3627 см^-1, соответствующие симметричным и антисимметричным колебаниям O – H группы, 1600 см^-1, соответствующие деформационным колебаниям H – O – H [11].

В модифицированных углеродом пленках помимо характерных для воды полос поглощения фиксируются полосы поглощения на 2350 см^-1, характерные для связей C – O. Аналогичные исследования были проведены в [9], где так же было выявлено наличие связей C – O и O – H в модифицированных пленках диоксида кремния.

Полосы поглощения связей C – O ярко выражены на модифицированных образцах, что говорит о присутствии в пленках газовых включений, появившихся в результате происходящей в процессе реактивного ионно – плазменного распыления составной мишени реакции углерода с кислородом, в результате которой образуются летучие соединения CO и CO₂, которые покидают пленку и образуют поры [9].

Наличие полос поглощения O – H свидетельствует о присутствии воды в исследуемых образцах, что вызвано капиллярным эффектом и гигроскопичностью пленок SiO₂. Амплитуда пиков, соответствующих пикам поглощения воды на модифицированных пленках SiO₂ больше, что говорит о большем количестве адсорбированной из окружающей среды воды за счет капиллярного эффекта, вызванного пористостью структуры. Таким образом, гипотезу можно считать подтвержденной.

Заключение:

Было выявлено, что электрическая прочность пленок снижается с увеличением пористости и температуры. В среднем снижение составляло от 7% (Sc = 70%) до 30% (Sc = 10%) для SiO₂ по сравнению с не пористыми диэлектриками, что является следствием комплексного воздействия, связанного как с неоднородностью электрического поля, так и с частичным проникновением верхнего электрода вглубь пор. При этом, пленки SiO₂ имеют нелинейный ход зависимости электрической прочности от температуры, что вероятнее всего связано с их гигроскопичностью.

В связи с чем, для использования данных пленок в качестве межслойной изоляции рекомендуется предварительно наносить на поверхность структуры плотную пленку диэлектрика аналогичного состава, что позволит изолировать поры от внешней среды [24].

Список литературы:

1. Hogarth C.A. The voltage-current characteristics of thin MIM sandwiches with SiO/BiO as the insulator. – J. of Mater. Sciense, 1985. – Vol. 20, N 10. – P.3590-3596.
2. Троян П.Е. Исследование свойств пленок пористого диоксида кремния нанометровой толщины. – Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники Ч.2. Томск, 2010. – C.118-122.
3. Сканави, Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). ч.2. – М.:Изд-вофиз.-мат.лит-ры, 1958. – 907 с.
4. Карнаухов, А. П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. – Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1999. — 456 с.
5. Воробьев, Г.А. Физика диэлектриков (область сильных полей) Текст.: Учебное пособие. – Томск: ТПУ, 2003. – 244с.
6. Воробьев, Г.А., Мухачев, В.А. Пробой тонких диэлектрических пленок. – М.: «Советское радио», 1977. – 72 с.
7. Кислякова, Е.В. Электрическое поле в диэлектриках с неоднородной структурой. – Молодой ученый, 2012. – №12. – С. 6-10.
8. Черемской, П. Г., Слезов В. В., Бетехин В. И. Поры в твердом теле. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 376 с.
9. Сахаров, Ю. В. Технология синтеза и свойства пористых оксидных пленок. – Доклады ТУСУР, 2015. – № 4(38). – С. 72-75.
10. Ягодовский В.Д Адсорбция. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015 — 216 с.
11. Юхневич, Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды. – М. «Советское радио», 1973 – 207 с.