Применение тонких пленок оксида алюминия в технологическом процессе изготовления МИС СВЧ на основе GaN

№ 4’2020
PDF версия
Внедрение новых конструкторско-технологических решений в производство СВЧ МИС требует всестороннего анализа результатов новых технологических процессов. В этой статье рассматривается анализ пленок оксида алюминия с целью внедрения в технологический процесс изготовления МИС СВЧ.

Атомно-слоевое осаждение (Atomic Layer Deposition, ALD) — тонкопленочная технология, которая получила широкое распространение в микроэлектронике благодаря ряду преимуществ: конформности, однородности, точному контролю толщины покрытия, хорошо воспроизводимому процессу, в т. ч. при низких температурах.

Тонкие пленки оксида алюминия, полученные методом ALD, широко распространены в технологическом процессе изготовления МИС СВЧ — это подзатворные диэлектрики, изолирующие слои, защита МИС от коррозии. Оценка пассивации изготовленного кристалла в частотном диапазоне до 64 ГГц с помощью математического моделирования показывает, что пленка Al2O3 толщиной 40 нм не оказывает влияния на рабочие характеристики.

В конструкциях СВЧ МИС наиболее распространены МДМ-конденсаторы. На текущий момент для формирования МДМ-конденсаторов широкое применение получили диэлектрики с высокой (более 4) диэлектрической проницаемостью, в частности Al2O3, полученный методом ALD.

Для изготовления конденсатора расчетной емкости согласно формуле (1) изменяют два параметра — площадь обкладки или толщину диэлектрика:

C = εrε0S/d,     (1)

где εr — диэлектрическая проницаемость материала; ε0 — электрическая постоянная; S — площадь электродов; d — толщина диэлектрика.

Из эквивалентной схемы конденсатора (рис. 1) видно, что увеличение площади обкладок возможно до определенного предела для каждого диапазона частот. Это связано с ростом индуктивности реального элемента. Следовательно, изготовление конденсаторов с высокой удельной емкостью позволяет повысить емкость конденсатора. С этой целью уменьшается толщина диэлектрика или применяются диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью. При уменьшении толщины диэлектрика снижается значение пробойного напряжения; при этом рабочее напряжение может сильно отличаться от пробойного. Это связано с тем, что при подаче напряжения на конденсатор вблизи пробойного значения происходит образование и развитие канала тока утечки, который вызывает нагрев окружающего диэлектрика, что может привести к пробою.

Эквивалентная схема конденсатора: составляющая L учитывает индуктивность выводов; параллельное сопротивление Rp позволяет учесть ток утечки через диэлектрик и поверхностные токи утечки; Rs — эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) характеризует активные потери в цепи переменного тока

Рис. 1. Эквивалентная схема конденсатора: составляющая L учитывает индуктивность выводов; параллельное сопротивление Rp позволяет учесть ток утечки через диэлектрик и поверхностные токи утечки; Rs — эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) характеризует активные потери в цепи переменного тока

В рамках анализа результатов осаждения пленки Al2O3 в ИСВЧПЭ РАН был изготовлен классический планарный пленочный конденсатор с рабочим размером обкладок 140×182 мкм (рис. 2).

Конструкция конденсатора

Рис. 2. Конструкция конденсатора

Для изготовления конденсаторов использовалась кремниевая пластина с ориентацией (100) p‑типа. Для снижения токов утечки через кремниевую пластину перед началом изготовления конденсаторов был нанесен слой нитрида кремния при температуре 250 °C толщиной 230 нм методом ICPCVD. Далее была сформирована нижняя обкладка конденсатора методом «взрывной» фотолитографии из металлов Cr–300A, Au–3000A, напыленных путем электронно-лучевого испарения. Затем методом ALD был осажден Al2O3 на пластине 1 при температуре 300 °C толщиной 300 А, на пластине 2 при 75 °C — толщиной 50 А, далее при 150 °C толщиной 250 А («ламинированный» диэлектрик). Для формирования рисунка на пленке оксида алюминия использовался метод обтрава по маске фоторезиста S1813 в буферном травителе, и методом взрывной фотолитографии была сформирована вторая обкладка конденсатора из металлов Ti–300A, Au–3000A, напыленных путем электронно-лучевого испарения.

Емкости изготовленных конденсаторов измерялись на LCR-метре HP 4284 А и составили 69±1 пФ.

Полученные зависимости токов утечки от напряжения представлены на рис. 3 с использованием анализатора полупроводниковых приборов Keysight B1500A.

Зависимость токов утечки от напряжения

Рис. 3. Зависимость токов утечки от напряжения:
а) пластина с «ламинированным» диэлектриком Al2O3, 150°С, 300 А;
б) пластина с диэлектриком Al2O3, 300°С, 300 А

Из рисунка 3 видно, что напряжение пробоя для пластины с «ламинированным» диэлектриком Al2O3, 150 °C, 300 А, составило 21,8 В, а для пластины с ди­электриком Al2O3, 300 °C, 300 А — 19,8 В.

На этом, как правило, изучение свойств пленки диэлектрика завершается, однако этого не достаточно для оценки применения ее в технологическом цикле изготовления СВЧ МИС, т. к. большое значение имеет рабочее напряжение конденсатора.

Исходя из линейной модели, описанной в [1–2], можно определить время жизни конденсаторов в зависимости от приложенного напряжения согласно формуле (2):

t(V) ~ exp(–γV),        (2)

где t(V) — время жизни в зависимости от напряжения; γ — коэффициент напряженности поля; V — напряжение.

На представленных на рис. 4 зависимостях, полученных при комнатной температуре, видно, что рабочее напряжение конденсатора с «ламинированным» диэлектриком Al2O3 при наработке 3000 ч составляет 13,5 В, при 9000 ч — 13 В; пробойное напряжение этих конденсаторов равно 21,8 В. У конденсаторов с диэлектриком Al2O3, 300 °C, 300 А рабочее напряжение при наработке 3000 ч равно 8,6 В, при 9000 ч — 7,8 В; пробойное напряжение — 19,8 В (табл.).

Зависимость время жизни конденсаторов от приложенного напряжения при 22 °С

Рис. 4. Зависимость время жизни конденсаторов от приложенного напряжения при 22 °С

Таблица. Сводные параметры, полученные в эксперименте

 

Пробойное напряжение, В

Рабочее напряжение при наработке 3000 ч, В

Рабочее напряжение при наработке 9000 ч, В

«ламинированный» Al2O3 — 150°С, 300 А

21,8

13,5

13

Al2O3 — 300°С, 300 А

19,8

8,6

7,8

Примечание. Измерения проводились при температуре 22°С.

Рабочее напряжение конденсатора и его пробойное напряжение связаны между собой, но по пробойному напряжению невозможно определить рабочее.

Рабочее напряжение конденсатора уменьшается при увеличении времени наработки, что связано с температурной деградацией диэлектрика. При комнатной температуре у «ламинированного» диэлектрика Al2O3, 150 °C, 300 А результаты оказались выше.

Однако для применения в технологическом процессе изготовления МИС СВЧ с требованиями обеспечить работоспособность при повышенных температурах планируется в ИСВЧПЭ РАН провести исследования температурной деградации конденсаторов при 85 и 150 °C.

Кроме того, планируется провести исследования по получению низкотемпературных (Т = 75 °C) пленок Al2O3. Отработаны процессы нанесения пленок оксида гафния, оксида титана. Имеется возможность наносить тонкие пленки оксида иридия, нитрида алюминия, нитрида титана.

Особую благодарность выражаем Енюшкиной Е. Н. за процессы фотолитографии и химобработку пластины, Слаповскому Д. и Клековкину А. за процессы напыления металлов, Зуеву А. В. за проведение измерений.

Литература
  1.  Berman, 1981 Int. Reliab. Phys. Symp., p. 204 (1981).
  2.  Yeates, IEEE Trans. Electron Dev. 45, p. 939 (1998).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.