Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

соответствует экспозиции напряжения 10-4 с, а для неотожженных –

10 -5 с.

Хиппель и Алджер объяснили такую временную зависимость электрической прочности, исходя из того, что в кристалле может образоваться отрицательный объемный заряд за счет захвата электронов и положительный объемный заряд за счет движения ионов. Влияние этих зарядов считается таким же, как и при объяснении температурной зависимости Епр . При экспозиции менее 10-6 с возрастание Епр объясня-

ется тем, что не успевает образоваться ООЗ. Возрастание Епр при экс-

позиции 10-5 с и более объясняется тем, что уже успевает образоваться положительный объемный заряд, компенсирующий действие отрицательного заряда.

В настоящее время, учитывая электронно-термический механизм ЭПТД (использовались металлические электроды), можно дать объяснение наличию минимума во временной зависимости, исходя из наличия ООЗ. При экспозиции 10–5 с и более успевает образоваться ООЗ, препятствующий эмиссии электронов из катода. Чтобы начал формироваться электронно-термический пробой, необходимо повысить напряжение, приложенное к образцу. Повышение Епр при экспозиции

менее 10-6 с, как указано в начале параграфа, связано с запаздыванием разряда.

8.7. Пробой диэлектрических пленок

Пробой диэлектрических пленок, в основном щелочно-галоидных соединений, изучается с 50-х годов ХХ века с сугубо научной целью. Но в 60-х годах появились интегральные схемы, в которых стали использоваться диэлектрические пленки толщиной порядка 0.1 мкм. Поэтому актуальность вопроса о пробое диэлектрических пленок возросла. В настоящее время диэлектрические пленки толщиной в несколько микрон и менее находят широкое применение во многих устройствах

177

Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

микроэлектроники. В качестве изолирующих слоев они применяются в тонкопленочных системах металл–диэлектрик–металл (МДМ) и ме- талл–диэлектрик–полупроводник (МДП). Явление пробоя диэлектрической пленки в этих системах интересно не только с точки зрения более глубокого понимания пробоя твердых диэлектриков, но и с практической стороны, поскольку пробой диэлектрической пленки определяет надежность работы таких систем. Широкое применение нашли окисные пленки SiO2, Al2O3, Ta2O5, Si3N4, а также окислы редкоземельных металлов.

Диэлектрическая пленка на их основе характеризуется наличием определенной концентрации микро- и макродефектов. Если пленка поликристаллическая, то наиболее существенными дефектами являются межкристаллитные прослойки, являющиеся хорошими путями для диффузии примесей, влаги из атмосферы. Поэтому поликристаллические диэлектрические пленки не находят практического применения, а в основном применяются аморфные пленки. Аморфные пленки содержат микродефекты с концентрацией 1018-1021 см-3 в виде примесей, обрывов валентных связей, избытка одного из компонентов и др. Многие микродефекты являются электронными ловушками. В диэлектрической пленке содержатся также открытые и закрытые поры. Наличие закрытых пор экспериментально доказано, но о размерах пор и их концентрации данные отсутствуют. Количество открытых пор зависит от вида пленки, технологии ее изготовления и толщины. О количестве таких пор в различных пленках толщиной порядка десятых долей мкм дает представление табл. 8.1.

Электродные поверхности также не являются идеально гладкими и содержат различные неровности (углубления, бугорки), которые искажают электрическое поле в диэлектрике. Степень шероховатости нижнего электрода зависит от вида материала. Если это полупроводник, то степень шероховатости зависит от класса обработки. Если нижний электрод – металлическая пленка, то шероховатость зависит от металла и режима нанесения металлической пленки.

178

Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

На рис. 8.8, а представлена микрофотография поверхности алюминиевой пленки, осажденной термическим испарением в вакууме при температуре подложки ~60°С. Микрофотография получена в электронном микроскопе с реплики, оттененной платиной под малым углом. По длине оттенения (светлая полоса) судят о высоте микроострия. Проведенные измерения показали, что высота микроострия колеблется в пределах 1000Å. Соответствующие данные представлены на рис. 8.9.

Шероховатости на поверхности верхнего электрода определяются состоянием верхней поверхности диэлектрической пленки. На поверхности диэлектрической пленки также могут возникнуть трещины за счет механических напряжений. На рис. 8.8, б показана микрофотогра-

а б

Рис. 8.9. Параметры микроострий, расположенных на пленке алюми-

ния при d = 2000 Å:

а) зависимость высоты микроострия от основания; б) зависимость радиуса закругления при вершине от высоты

а б

Рис. 8.8 Микрофотографии поверхности тонких пленок, полученные пу-

тем оттенения реплики: а) пленка алюминия, толщина d = 2000 Å×10000;

б) пленка SiO, d = 5000 Å×10000

фия трещины в пленке SiO. В процессе осаждения верхнего металлического электрода могут возникнуть локальные разогревы, приводящие также к появлению трещин в диэлектрической пленке. Эти трещины

179

Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

заполняются металлом и будут образовывать микроострия, свисающие внутрь диэлектрической пленки.

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. При этом учитываются следующие особен-

дают малой энергией и легко захватываются ловушками.

Необходимо отметить, что электрическая прочность диэлектрической пленки является несколько условной характеристикой, так как электрическое поле за счет микроострий, расположенных на электродах, может значительно отличаться от однородного. На рис. 8.10 представлены зависимости электрической прочности пленки SiO в системе Al–SiO–Al от ее толщины.

Из рис. 8.10 можно отметить две интересные закономерности. Вопервых, это эффект полярности, заключающийся в том, что электрическая прочность ниже, когда верхний электрод имеет отрицательную полярность. Для других пленок эффект полярности не наблюдался. Вовторых, при пробое диэлектрических пленок наблюдается эффект электрического упрочнения. Иногда из наличия электрического упрочнения делают вывод о том, что пробой диэлектрических пленок обусловлен ударной ионизацией. Однако, как показывают расчеты, величина αd получается значительно меньше единицы. Это говорит о том, что ударная ионизация не является определяющим механизмом пробоя диэлектрических пленок.

180

Часть II. Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков

Наиболее вероятным механизмом пробоя является разрушение диэлектрика током электронной эмиссии с микроострия. Поэтому при объяснении эффекта полярности нужно знать форму микроострий, расположенных на обоих электродах. Из рис. 8.9, а вытекает, что отношение высоты микроострия к его основанию составляет в среднем 0.4÷0.5; для трещины, расположенной на поверхности пленки SiO, подобное отношение близко к единице. Таким образом, можно считать, что на верхнем электроде расположены более «острые» микроострия, которые обеспечивают большую плотность тока электронной эмиссии, что требует для пробоя более низкого напряжения.

Рассматривая наличие открытых пор в диэлектрических пленках, Бенет Х.И. и Бенет Дж. предположили, что пора растет с анода в виде конусообразной формы. По стенкам поры диффундирует металл. Основанием для такого предположения послужил тот факт, что коэффициент диффузии по поверхности диэлектрической пленки на 5–6 порядков больше, чем по объему. Однако это предположение не выдерживает критики, т.к. открытые поры могут быть закорочены при нанесении металлического электрода.

Более предпочтительно второе предположение о влиянии на электрическую прочность размера и количества пор, которые зависят от технологии получения пленок. Так при ионно-реактивном способе (пленки SiO2, Al2O3, Ta2O5, Si3N4 и др.) Епр составляет (1÷2)108 В/м. Пленки, полученные термическим испарением в вакууме, имеют Епр

(3÷4)108 В/м. Качественные пленки, т.е. с малой пористостью, полученные плазмохимическим осаждением (SiO2), анодированием (Al2O3, Ta2O5), окислением поверхности кремния в сухом кислороде при температуре 400÷600 оС (SiO2), при толщине порядка 0.03÷0.05 мкм имеют Епр около 109 В/м.

На значительное влияние таких пор на электрическую прочность пленок указывает и факт многократности их пробоя (восстановления электрической прочности), обнаруженный рядом авторов. После пробоя пленки происходит изолирование канала пробоя за счет разрушения электродов протекающим током. При повторном приложении напряжения происходит пробой пленки уже в другом месте. При этом значение пробивного напряжение возрастает, т.е. пленка сначала пробивается в местах расположения грубых дефектов, обладающих меньшей электрической прочностью, а затем в более прочных местах. За счет этого электрическая прочность таких пленок имеет более низкие пробивные напряженности поля по сравнению с однородными пленками.

181