Литература / (тоже супер) физосновы для экз

иусловий осаждения. Так, для диэлектрических пленок из сульфида цинка наблюдается уменьшение этой толщины при снижении температуры подложки. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют, что наиболее широко применяемые аморфные пленки оксидов становятся полностью сплошными начиная с толщины 20–50 Å. Пленки оксидов, полученные путем анодирования, являются более совершенными, чем пленки образующиеся в процессе непосредственного окисления. Диэлектрическая проницаемость пленок, полученных анодированием, при толщине более 50 Å становится такой же, как и для массивного материала.

Восажденных диэлектрических пленках обычно имеются большие внутренние механические напряжения, которые тем не менее оказывают незначительное влияние на свойства пленок. Если под действием механических напряжений такие пленки начинают растрескиваться

ишелушиться, то их эффективная диэлектрическая проницаемость уменьшается.

Зависимость диэлектрической проницаемости пленок от толщины для очень тонких пленок можно объяснить изменением эффективной толщины диэлектрика. Увеличение этой толщины связано с проникновением электрического поля в металлические электроды. Однако влияние этого фактора очень незначительно. Обнаружено, что для типичных металлических пленок, используемых в качестве электродов, проникновение электрического поля не превышает 1 Å. В практических случаях чаще наблюдается уменьшение эффективной толщины диэлектрической пленки, которое можно объяснить такими причинами:

1) проникновение подвижных атомов металла в процессе осаждения металлических электродов;

2) присутствие в диэлектрике ионизированных примесных атомов и ловушек.

При использовании диэлектрических пленок в качестве конструктивных элементов в приборах интегральных микросхем напряженность электрического поля в пленке достигает значений порядка 106–107 В/см, что обычно близко к напряжению пробоя массивного диэлектрика.

Поэтому можно предположить, что в тонких диэлектрических пленках действуют те же механизмы токового пробоя, что и в массивном диэлектрике. В самом общем случае для твердых тел характерны следующие виды токового пробоя:

1)тепловой пробой, при котором повышение температуры от выделяемой джоулевой теплоты приводит к термической ионизации атомов всего диэлектрика;

2)лавинный пробой, при котором ударная ионизация атомов решетки электронами с высокой кинетической энергией сопровождается лавинным размножением подвижных носителей заряда;

3)пробой по дефектам структуры, обусловленный ионизацией примесных атомов или другими нарушениями;

4)внутренний пробой вследствие автоэлектронной эмиссии через тонкие пленки.

В конденсаторах интегральных микросхем используют достаточно толстые диэлектрические пленки. Толщина предназначенных для этой цели анодированных пленок составляет обычно более 100 Å, а толщина оксидных пленок — более 500 Å. Необходимость использования сравнительно толстых диэлектрических пленок обусловлена тем, что получение сплошных пленок малой толщины

спостоянными параметрами является весьма сложным. Оценку диэлектрических свойств пленок обычно проводят по результатам одновременного измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь на некоторой определенной частоте. Измеренный коэффициент потерь складывается из диэлектрических потерь относительно различных механизмов, а также потерь, возникающих за счет последовательного соединения электродов с диэлектриком. Вклад в суммарные потери под влиянием второго из перечисленных механизмов характеризуется частотной зависимостью. Следовательно, для уменьшения коэффициента диэлектрических потерь на достаточно высоких частотах электроды необходимо выполнять из металлов с малым удельным сопротивлением.

Кроме рассмотренных пленок SiO2 для изготовления конденсаторов интегральных микросхем можно, в част-

ности, использовать полученные анодированием пленки Ta2O5 и напыленные пленки SiO. Конденсаторы на основе пленок Ta2O5 имеют высокую диэлектрическую проницаемость (около 25), большую рабочую напряженность электрического поля (порядка 106 В/см), низкий коэффициент диэлектрических потерь (около 0,01 на частоте до 10 КГц) и сравнительно небольшой температурный коэффициент емкости (примерно 2,5 10–4 град–1) в интервале температур от –196 до +100°С. Такие конденсаторы можно изготовлять одновременно с резисторами из тантала и нитрида тантала.

Свойство пленок SiO2, изготовляемых методом термовакуумного напыления, сильно зависят от условий их нанесения. К недостаткам таких пленок относятся нестехиометричность, дальнейшее окисление после окончания процесса нанесения, а также шелушение или растрескивание под действием больших внутренних механических напряжений. Несмотря на указанные недостатки, напыленные пленки моноокиси кремния в настоящее время применяют как для изготовления конденсаторов, так и для изоляции в пленочных микросхемах.

Диэлектрические потери относятся к числу наиболее важных параметров пленок, используемых для изготовления конденсаторов. Поэтому представляется целесообразным более подробно исследовать физическую природу этого параметра. Потери возникают в диэлектрике

втом случае, если вектор поляризации в нем не успевает следовать за изменяющимся электрическим полем. Вклад

вдиэлектрические потери вносят релаксационные процессы, присущие электронной, ионной или дипольной поляризации. Диэлектрические потери относятся к объемным свойствам материала и не должны зависеть от толщины, если только структурные дефекты не участвуют в том или ином механизме релаксации или если пленка не настолько тонка, чтобы ее поверхность оказывала влияние на периориентацию диполей. Диэлектрические потери можно контролируемым образом изменять путем соответствующего изменения отклонений от стехиометрии. Поэтому такие потери сильно зависят от условий осаждения.

В диапазоне звуковых частот коэффициент потерь пленок, полученных анодированием, обычно сохраняется постоянным. Отсюда можно сделать вывод о наличии целого спектра времен релаксации, что экспериментально подтверждается для аморфных и сильно разупорядоченных пленок. В области низких частот диэлектрические потери возрастают, причем причиной потерь в этом случае может быть поляризация на границах раздела и перемещение ионов. При повышенных температурах, составляющих 200–400°С, атомы материала электродов интенсивно диффундируют в диэлектрическую пленку, что приводит к сильному возрастанию потерь. На рисунке 2.21 приведена частотная зависимость коэффициента

Рис. 2.21

Изменение коэффициента потерь напыленных в вакууме конденсаторов на основе пленок SiO, MgF2 и ZnS в зависимости от частоты

потерь для пленок моноокиси кремния, фтористого магния и сульфида цинка. Сплошными линиями представлены экспериментальные кривые без поправок, а пунктирными — с учетом поправок на последовательное сопротивление металлических электродов. Из анализа кривых можно заключить, что увеличение потерь на высоких частотах обусловлено неучтенным сопротивлением электродов. Температурная зависимость диэлектрических потерь сульфида цинка имеет максимумы при температурах 210 и 475 К, что соответствует энергиям активации 0,16 и 1,18 эВ.

Исследование коэффициента потерь, проведенное в широком диапазоне частот для различных по химическому составу диэлектрических пленок, позволило выявить следующие общие закономерности:

1)диэлектрические потери уменьшаются по мере старения пленок;

2)на частотах ниже 100 КГц коэффициент потерь уменьшается с ростом частоты;

3)коэффициент потерь увеличивается при адсорбировании пленками влаги.

Физические параметры тонких пленок ряда диэлектрических материалов приведены в таблице 2.5.

Кроме перечисленных в таблице 2.5 параметров важным свойством является также термическое напряжение. Термическое напряжение в диэлектрических пленках обусловлено различием температурных коэффициентов расширения материала пленки и подложки, причем с увеличением толщины пленки термические напряжения возрастают. Эти напряжения подразделяются на сжимающие

ирастягивающие в зависимости от соотношения термических коэффициентов пленки и подложки, а также от условий роста пленки и концентрации адсорбированных атомов кислорода. При высоких концентрациях атомов кислорода, как правило, наблюдаются сжимающие напряжения, а по мере снижения концентрации напряжение спадает до нуля и затем становится растягивающим. На величину растягивающих напряжений оказывает влияние также температура подложки, причем с увеличением температуры подложки растягивающие напряжения уменьшаются.

Электрические и оптические свойства тонких диэлектрических пленок независимо от способа их получения существенно отличаются от аналогичных свойств массивного материала. Это объясняется различием структур пленок и массивного материала. Основными параметрами, характеризующими диэлектрические пленки, являются удельное сопротивление, потери и электрическая прочность. Удельное сопротивление пленок, получаемых различными способами, значительно отличается друг от друга. Наиболее сильное влияние на удельное сопротивление оказывает совершенствование технологического процесса получения пленок. Так, удельное сопротивление пле-

нок, полученных термическим окислением, составляет порядка 1016 Ом см, тогда как анодные и пиролитические

пленки, в большей степени подверженные загрязнениям, имеют удельное сопротивление 107–108 Ом см.

Оксидные пленки кремния, широко применяемые в качестве конструктивного материала интегральных микросхем, оказывают весьма существенное влияние на параметры кремния, используемого в качестве подложки. Это объясняется тем, что поверхностный потенциал термически окисленного кремния является положительным и тем самым способствует образованию на поверхности материала n-типа обогащенного слоя, а на поверхности материала p-типа — инверсного слоя. Следует отметить, что при пиролитическом осаждении оксидной пленки инверсный n-слой является менее выраженным, а при термовакуумном напылении отсутствует вообще. Причина возникновения инверсныхслоевзаключаетсявперемещенииионовпоповерхности оксида. Положительные ионы накапливаются вблизи отрицательно заряженных поверхностей, а отрицательные — вблизи положительно заряженных. Накопленные ионные заряды приводят к образованию инверсного слоя.

Возникновение инверсных слоев связано также с явлением поляризации оксида, которое обусловлено следующими основными причинами. В оксидной пленке локализованы примесные атомы с большими электрическими моментами диполя, которые ориентируются под воздействием электрического поля; эти атомы подвижны и могут группироваться вблизи поверхности, создавая поверхностный заряд. Граница раздела между кремнием и двуокисью кремния обогащена положительно заряженными ионами кремния, а концентрация отрицательно заряженных ионов кислорода вблизи этой границы невелика. Наконец, сильное влияние на образование инверсных слоев оказывает присутствие в пленке SiO2 беспорядочно распределенных положительных ионов щелочных металлов, которые создают в ней объемный заряд, оказывающий влияние на распределение подвижных электронов и дырок в приповерхностных слоях кремния. Образование инверсных слоев оказывает очень сильное влияние на параметры элементов интегральных микросхем, что необходимо учитывать при разработке изделий микроэлектроники.

ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ

Задача 2.1. Расчет и проектирование пленочных резисторов. Исходными для расчета пленочных элементов являются схемотехнические данные и технологические возможности изготовления.

Цель расчета — выбор материалов и определение геометрических размеров и формы пленочных элементов, обеспечивающих получение элементов с воспроизводимыми и стабильными параметрами. Поэтому геометрические размеры пассивных пленочных элементов рассчитывают с учетом технологических характеристик производства и условий эксплуатации ИМС. Исходными данными для проектирования топологии пленочных элементов являются значения геометрических размеров, шаг координатной сетки и масштаб, в котором выполняется чертеж.

Конструктивно-технологические особенности и основные параметры. Пленочные резисторы являются наиболее распространенными элементами ИМС. Пленочные резисторы в структурном отношении представляют собой узкую полоску резистивной пленки, снабженную пленочными контактными площадками с низким сопротивлением. Они характеризуются такими основными параметрами, как номинальное значение сопротивления R, допуск на сопротивление ±δR, мощность рассеяния P, температурный коэффициент сопротивления ТКС, коэффициент старения KстR, интервал рабочих температур T = T – Tн, надежность и др. Требуемые значения параметров определяются схемотехническим решением и условиями эксплуатации ИМС. Кроме того, параметры пленочных резисторов зависят от материала резистивной пленки, способа нанесения пленки на подложку, способа получения необходимой конфигурации

идругих технологических факторов.

Взависимости от применяемой схемы требования к параметрам пленочных резисторов могут

быть различными. Общим требованием является минимальная площадь, занимаемая резистором.

В ИМС используют тонкопленочные и толстопленочные резисторы различной конструкции с простой прямоугольной и сложной формой. Наиболее распространенной является конструкция резисторов прямоугольной формы (рис. 2.22) как наиболее простая в конструктивном и технологическом решении.

Рис. 2.22

Конструкция тонкопленочного (а) и толстопленочного (б) резисторов прямоугольной формы:

1 — резистивная пленка; 2 — пленочный проводник; 3 — области контактов.

Значение сопротивления пленочного резистора определяют с помощью известного выражения

а для высокоомных резисторов, когда сопротивление областей контактов значительно меньше сопротивления резистивной пленки,

R = ρ0l/S = ρ0l/bd,

где ρ0 — удельное объемное сопротивление резистивного материала; l, b, d — длина, ширина и толщина резистивной пленки (S = bd); Rк — переход-

ное сопротивление областей контактов резистивной и проводящей пленок.

Для изготовления пленочных резисторов используют разные материалы: металлы, сплавы, соединения, керметы, удовлетворяющие требованиям по металлургической совместимости, адгезии, технологичности и стабильности. Характерной особенностью пленок является зависимость удельного сопротивления материала пленки от ее толщины, причем такая зависимость для всех материалов связана с условиями нанесения пленок. С точки зрения технологичности нанесения пленки, воспроизводимости и стабильности ее свойств, в том числе и ρ0, каждый материал характеризуется определенной толщиной, для которого удельное сопротивление материала является оптимальным. Поэтому в технологии микроэлектроники для каждого материала отношение ρ0/d = ρS — величина постоянная. Условно ρS определяют как удельное поверхностное сопротивление квадратной резистивной пленки, не зависящее от размеров квадрата, и оценивают в Ом-метрах (Ом м).

При этом сопротивление пленочного резистора (2.1.1) является функцией сопротивления ρS и геометрических размеров в плане:

где Kф = l/b — коэффициент формы резистора. Использование ρS в качестве параметра рези-

стивной пленки удобно и тем, что для получения резисторов с различными сопротивлениями можно наносить один и тот же материал, изменяя только отношение l/b.

Допуск на номинальное сопротивление δR

определяется относительным изменением сопротивления пленочного резистора, вызванным любыми дестабилизирующими факторами и обусловленными технологическими погрешностями производства. Его максимальное значение опреде-