ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Диэлектрики для тонкопленочных гибридных интегральных схем из "Материалы в приборостроении и автоматике " Диэлектрические материалы должны обладать хорошей адгезией к материалам подложки, обкладок конденсаторов и коммутационных слоев, обеспечивать надежную электрическую изоляцию при минимальной толщине пленки, обладать малыми электрическими потерями, малым термическим коэффициентом емкости. В тонкопленочных конденсаторах необходимо использовать диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью е о целью уменьшения площади конденсатора, при изоляции мест пересечения коммутационных слоев е должно быть минимальным для уменьшения паразитных связей в микросхеме. Наиболее сложной технической задачей является обеспечение надежной изоляции. [c.449] Даже при отсутствии дефектов через пленки диэлектриков протекают значительно большие токи, чем можно ожидать исходя из свойств массивного образца. Механизмы проводимости в сильных электрических полях можно подразделить на четыре вида-. [c.451] Поскольку выщеописанные процессы обусловлены прохождением электронов через диэлектрик, такая возможность существует также и для ионов, присутствующих в примесях или дефектах и перемещающихся в диэлектриках под влиянием электрического поля (ионная проводимость). [c.451] Донорными центрами в пленке могут служить атомы кремния, а также вакансии в диэлектрике. [c.451] Примесями в пленке могут быть атомы остаточного газа, захваченные при формировании пленки, а также продукты возгонки материала испарителя. Захват одной молекулы остаточного газа либо одной частицы из испарителя на миллион осаждаемых частиц материала пленки приводит к появлению примесей с концентрацией порядка 10 см . [c.451] Другим важным фактором, который нужно учитывать при рассмотрении проводимости тонкопленочного диэлектрика, является наличие в нем лову-щек . Они, в частности, образуются на границах кристаллов, на дефектах кристаллической рещетки. При размерах кристаллитов порядка 10 нм концентрация ловущек может достигать 10 см . Дополнительные центры ловушек могут создаваться в пленках при наличии значительных внутренних напряжений. [c.451] При наличии слабых полей туннелирование может происходить лишь при очень малых толщинах пленки, обычно меньших 3 нм. Подобные пленки очень трудно получить без механических дефектов—микропор, являющихся основной причиной коротких замыканий. Поэтому в микроэлектронике в основном используются диэлектрические пленки толщиной свыше 50 нм, в которых процессы туннелирования практически отсутствуют в слабых полях. [c.451] В слабых полях большинство материалов обычно подчиняется закону Ома и имеет удельную проводимость, не зависящую от толщины образца и природы электродов, т. е. определяемую объемными свойствами диэлектрика. Наиболее вероятные механизмы проводимости в большинстве диэлектрических пленок, которые находятся в аморфном состоянии, при температурах, близких к 20°С — электроннопримесная и ионная. [c.451] Для более высоких концентраций примесей расстояния между узлами уменьшаются и проводимость примесь — зона может рассматриваться как проводимость металла. [c.452] Для Eel кТ количество носителей тока значительно увеличивается, поэтому трудно из общей проводимости выделить электронную и ионную составляющие. Энергия активации, меньшая 0,1 эВ, и высокая подвижность зарядов обычно характеризуют электронную проводимость, при энергии активации, большей 0,6 эВ, и низкой подвижности зарядов преобладает ионная проводимость. Однако подвижность электронов иногда может быть такой же низкой, как и подвижность ионов. [c.452] В случае несобственной ионной проводимости Q—энергия иона, необходимая для перескока. Аналогичное выражение определяет несобственную электронную проводимость. Если электронная проводимость обусловлена переходом электронов в зону проводимости, то можно применить элементарную зонную теорию полупроводников, при этом Q /2, где Е — ширина запрещенной зоны. Собственная ионная проводимость требует не только образования, но и перемещения ионов собственной проводимости. Поэтому для двойного соединения Q = Q,72 -f-+ QnePe K. где Qi — энергия, необходимая для образования дефектной пары. [c.452] При переменном токе на рассмотренную выше проводимость при постоянном поле накладываются пики проводимости переменного тока, обусловленные релаксационными процессами. По мере увеличения температуры эти пики смещаются в область более высоких частот. Для большинства диэлектриков потери не зависят от частоты в диапазоне 100 Гц—10 МГц. При более низких частотах могут возникнуть пики потерь, связанные с эффектами межфазной поляризации, т. е. с релаксацией заряда на границах раздела, например кремния и моно- и двуокиси кремния в пленках моноокиси кремния. [c.452] Кроме того, ионы или электроны могут скапливаться на одной поверхности пленки, если скорость поступления превышает скорость их исчезновения При наложении переменного поля пик потерь будет наблюдаться вблизи частоты, соответствующей времени, которое требуется носителю заряда для прохождения с одной стороны пленки на другую. Примерами являются пленки с адсорбированными слоями влаги и пористые пленки окиси алюминия. [c.452] Несобственная диэлектрическая проницаемость составляет ту часть диэлектрической проницаемости, которая не связана с ионами и электронами материала. Она, как правило, бывает меньше 1 %. [c.453] Электронная составляющая проводимости играет основное значение в тех случаях, когда ионы имеют малые размеры и являются относительно недеформируемыми. Электронная составляющая проницаемости также доминирует, когда в материале имеется избыток электронов проводимости, как, например, у кремния или германия. Многочисленные полимеры, применяемые в микроэлектронике, имеют электронную составляющую проводимости. [c.453] В связи с тем, что количество примесей в диэлектрической пленке весьма сильно зависит от конкретных условий формирования пленки, в экспериментальных результатах наблюдается значительный разброс. [c.453] К случаю собственного поведения относятся лишь пленки двуокиси кремния, полученные ВЧ-распыле-ниями и имеющие tg б 0,001, а также пленки нитрида кремния, полученные при 1000 °С за счет реакции 51С14 и МНз. [c.453] На рис. 20 приведен ряд экспериментальных результатов зависимости ТКЕ от диэлектрической проницаемости при tg б 0,001. [c.453] Почти все химические соединения (табл. 34), обладающие высокой прочностью связи, особенно окислы кремния, тугоплавких металлов, алюминия, щелочных, редкоземельных металлов, являются диэлектриками, пригодными для использования в интегральных микросхемах. Получение пленок термодинамически стабильных соединений возможно с помощью различных методов вакуумного осаждения и при различных маршрутах химических реакций. [c.454] Вернуться к основной статье