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

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 = ε_rε₀S/d,     (1)

где ε_r — 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.

Рис. 1. Эквивалентная схема конденсатора: составляющая L учитывает индуктивность выводов; параллельное сопротивление R_p позволяет учесть ток утечки через диэлектрик и поверхностные токи утечки; R_s — 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).

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.

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.).

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

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.