[7] Диэлектрические Материалы (987507), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Изображенная на рисунке кривая называется иногда кривой ионизации, а точка A, соответствующая началу иони­зации включений воздуха -или других газов, -— точкой иони­зации. Для повышения качества электрической изоляции ее пропитывают, заполняя поры маслами, лаками, компаунда­ми и т. д.

Рис. 7.4.5

г) Резонансные потери

Резонансные потери происходят тогда, когда частота элек­трического поля приближается к частоте собственных коле­баний молекул или атомов самого вещества.

При резонансном механизме потерь зависимость tg=f() имеет максимум, однако в отличие от частоты релаксации резонансная частота стабильна, т. е. слабо зависит от темпе­ратуры и других факторов.

Резонансные потери при электронной поляризации имеют максимумы в оптическом диапазоне: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра (на частотах 10¹⁴— 10¹⁷Гц). С ними связано поглощение света веществом. Мак­симумы резонансных потерь ионной поляризации наблюда­ются в инфракрасном диапазоне на частотах 10¹³—10¹⁴ Гц.

7.4.3. Полный диэлектрический спектр

Общие удельные диэлектрические потери определяются суммой составляющих, вызванных различными механизмами потерь:

Р = Р_скв+Р_миг+Р_рел+Р_ион+Р_рез (7.4.20)

Поскольку каждая из составляющих Р_i=₀Е² (см. соот­ношение (7.4.13)), то мнимая компонента комплексной диэлек­трической проницаемости равна

=_скв+_миг+_рел+_ион+_рез

Для материалов, обладающих всеми механизмами потерь, частотная зависимость  (спектр п
оглощения) в слабом поле (_ион=0) представлена на рис. 7.4.6 (на этом же рисунке представлена зависимость =f().

Рис. 7.4.6

В гамма и рентгеновском диапазоне частот (выше 10¹⁷ Гц), когда длина волны электромагнитного излучения сравнима или меньше размеров атомов, явление поляризации в материалах не наблюдается (=1) и соответственно потери рав­ны нулю.

В ультрафиолетовой и видимой областях спектра (= 10¹⁴—10¹⁶ Гц) в веществах имеет место электронный вид поляризации. Если частота внешнего поля совпадает с одной из частот собственных колебаний электронов, атомов или ионов решетки (₀₃), наблюдаются узкие максимумы резо­нансных потерь, известных как оптические спектры погло­щения.

В инфракрасном диапазоне частот (= 10¹²—10¹⁴ Гц) на­ряду с электронной поляризацией обычно наблюдается ион­ная поляризация, обусловленная смещением относительно центра своего равновесия более тяжелых частиц — ионов.

На частотах резонанса ионов ₀₁,₀₂ наблюдаются максимумы резонансного поглощения.

В радиочастотном диапазоне (10³—10¹¹Гц) у полярных диэлектриков появляется дипольная поляризация. При нали­чии нескольких типов диполей или интервала распределения времени релаксации, эти потери занимают очень широкую область частот (3—6 порядков).

В неоднородных диэлектриках на низких частотах возни­кает миграционная поляризация; связанные с ней потери имеют максимум на частотах релаксации миграционной по­ляризации. Во всех материалах возникают потери сквозной электропроводности, уменьшающейся с повышением частоты по гиперболическому закону.

Требуемое на практике снижение диэлектрических потерь достигается путем выбора однородных (_миг=0), неполяр­ных (Е_D=0) диэлектриков с высоким удельным электричес­ким сопротивлением. К таким материалам относится поли­этилен, полистирол, политетрафторэтилен, кварц и др.

7.5. Физико-механические свойства диэлектриков

Диэлектрические материалы широко применяются в ка­честве изоляции между проводящими слоями, масок при диф­фузии и ионной имплантации, для диффузии из легированных окислов, в качестве герметизирующих покрытий легирован­ных пленок с целью предотвращения потери из них легирую­щего элемента, для геттерирования примесей и для пассиви­рования с целью защиты приборов от примесей, влаги и ме­ханических повреждений. Для этих целей широко используются окись кремния, по­ликристаллический кремний, стехиометрический нитрид крем­ния, нитрид кремния, полученный плазмохимическим осаж­дением. В технологии микроэлектроники нашли свое приме­нение пленки окиси кремния (легированные фосфором), ко­торые предотвращают диффузию примесей щелочных метал­лов, а кроме того, размягчаются и покрывают поверхность при температуре 1000—1100° С, формируя при этом гладкий рельеф, что благоприятно сказывается на последующем процессе металлизации.

7.5.1. Маскирующие свойства SiO₂

Способность слоя двуокиси кремния служить в качестве локального маскирующего покрытия при диффузии атомов легирующей примеси при повышенных температурах — очень полезное свойство для технологии формирования ИС. Загон­ка, или осаждение легирующей примеси путем ионной им­плантации, химической диффузии или методами центрифуги­рования обычно приводит к образованию источника легирую­щей примеси на поверхности окисной пленки или вблизи нее. Для того чтобы легирующая примесь не диффундировала через окисную пленку в маскированных областях и не дости­гала поверхности кремния, необходимо, чтобы в ходе этапа высокотемпературной разгонки диффузия этой примеси в окисле была достаточно медленной по отношению к диффузии в кремнии. Нужное значение толщины может быть установле­но экспериментальным путем при определенных температуре и времени диффузии как толщина окисла, требуемая для предотвращения инверсии типа проводимости слаболегиро­ванной подложки кремния. Для надежности в производстве используют пленки, толщина которых увеличена с опреде­ленным коэффициентом. В процессе маскирования поверхно­сти кремния от диффузии примеси окисел превращается в стеклообразную фазу, так называемое примесносиликатное стекло.

Значения диффузионных констант для различных легирующих примесей в SiО₂ зависят от концентрации примеси, свойств и структуры SiO₂. Поэтому неудивительно, что при­водимые в литературе значения существенно отличаются. В табл. 7.5.1 указаны диффузионные константы для разных, наиболее часто используемых легирующих примесей. Наиболее часто для создания в кремнии областей с про­водимостью n-типа применяют Р, Sb и As, а для формиро­вания областей р-типа— В. Эти примеси обладают малыми коэффициентами диффузии в окисле, поэтому окисел может применяться для маскирования при диффузии примесей в кремний.

Таблица 7.5.1 Коэффициенты диффузии в SiO₂

Легирующая примесь Коэффициент диффузии при 1100* С, см²/с

В 3,4*10^-17—2,0*10^-14

Ga 5,3*10^-11

Р 2,9*10^-16—2,0*10^-13

As 1,2*10^-16—3,5*10^-15

Sb 9,9*10^-17

Что же касается галлия и алюминия (данные для алюминия в таблице не приведены), то при их использовании применять окисел для маскирования нельзя. Чаще всего пленки окисла, используемые для маскирования традицион­ных примесей в стандартных технологических процессах фор­мирования полупроводниковых приборов, имеют толщину 0,5—0,7 мкм.

7.5.2. Заряд в окисле

Граница раздела Si—SiO₂ представляет собой переходную область между кристаллическим кремнием и аморфным квар­цевым стеклом как в отношении положения атомов, так и в отношении стехиометрии. Различные по природе заряды и ловушки носителей заряда сопутствуют термически окислен­ному кремнию, часть из них связана с переходной областью. Заряд на границе раздела может индуцировать заряд проти­воположной полярности в расположенной под ней областью кремния, оказывая влияние на идеальность характеристик МОП — прибора и тем самым па выход годных изделий и их надежность.

На рис. 7.5.1 показаны основные виды зарядов, связанных с окислом. Эти заряды записываются в виде N=Q/q, где Q, (Кл/см²) — результирующий эффективный заряд на еди­ницу площади на границе раздела Si—SiO₃; N(см^-2)—ре­зультирующее число зарядов на единицу площади на границе раздела Si—SiO₂, a q — заряд электрона. Теперь кратко рас­смотрим различные заряды, возникающие в окисле.

Р
ис. 7.5.1

Расположенный на границе раздела фаз Si—SiO₂ заряд поверхностных состояний Q_if вносит энергетические уровни в запрещенную золу кремния и может электрически взаимо­действовать с расположенным под ним кремнием. Как пред­полагается, возникновение этого заряда вызвано несколькими причинами, среди которых можно назвать структурные де­фекты, связанные с процессом окисления, металлические при­меси или процессы разрыва химических связей. Обжиг в во­дороде при низкой температуре (450° С) приводит к эффек­тивной нейтрализации заряда поверхностных состояний. Плот­ность этого заряда обычно выражается как число частиц на единицу площади и единицу энергии в запрещенной зоне кремния (см^-2*ЭВ^-1). Для определения заряда поверхностных состояний обычно используют методы, основанные на обра­ботке вольт-фарадных (квазистатических, высоко- или низко­частотных) характеристик и зависимостей проводимости от напряжения. Для заряда поверхностных состояний наблюда­лись значения 10¹⁰ см^-2*ЭВ^-1 и ниже.

Постоянный заряд в окисле Q_f (обычно положительный) расположен на расстоянии около 3 нм от границы раздела Si—SiO₂. Упомянутый заряд не сможет увеличиваться или уменьшаться. Плотность этого заряда находится в диапазоне от 10¹⁰—10¹²см^-2 и зависит от режима окисления и условий обжига, а так же от ориентации подложки. Возникновение Q_fсвязано непосредственно с самим процессом окисления. По результатам электрических измерений может рассматривать­ся как поверхностный заряд на границе раздела фаз Si—SiO₂. Величина этого заряда может быть определена путем анализа вольт-фарадных характеристик с использованием следующего уравнения:

Q_f/q= (-V_FB+_Ms)Со/q= (-V_FB+_Ms)s/qd₀

где V_FB — напряжение плоских зон, _Ms — разность работ вы­хода электрона между металлом и кремнием,  — диэлектри­ческая проницаемость полупроводника, d₀ — толщина окисла и С₀ — емкость окисла единичной площади. Значения для подложек кремния, ориентированных на плоскости (100), меньше по сравнению с подложками, ориентированными по плоскости (111). Эта разница обусловлена числом имеющих­ся связей на единицу площади поверхности кремния.

В технологическом плане заряд Q_f, связан как с темпера­турой, так и с атмосферой, в которой проводится окисление. В атмосфере кислорода величина этого заряда определяется последней высокотемпературной термообработкой. При быст­ром охлаждении от высокой температуры получают более малые значения Q_f. Обжиг в инертной атмосфере так же при­водит к небольшим значениям Q_f, однако при низких темпе­ратурах требуется достаточно большое время для достиже­ния равновесия.

Заряд подвижных ионов Q_m связан с присутствием в окис­ле ионов щелочных металлов таких, как натрий, калий и литий; отрицательно заряженных ионов и ионов тяжелых металлов. При наличии электрического поля ионы щелочных металлов обладают подвижностью даже при комнатной тем­пературе. Плотность такого заряда лежит в диапазоне 10¹⁰см^-2—10¹² см^-2 и выше, а его источником являются ма­териалы, используемые в технологическом процессе, хими­ческие реактивы, окружающая среда и предметы, контакти­рующие с подложкой. Вследствие большого полного радиуса и более низкой подвижности более тяжелые элементы (по сравнению с менее тяжелыми) вносят меньший вклад в дрейф этого заряда. Величину заряда можно установить либо путем снятия вольт-фарадных (C—V) характеристик, когда проис­ходит изменение поверхностного потенциала кремния, либо с помощью измерения тока в окисле, связанного с движением ионов. При этом как заряд поверхностных состояний, так и заряд, обусловленный захватом носителей в окисле, необходимо предварительно обжигать, чтобы быть уверенным, что они не вносят своего вклада в измеряемый заряд подвижных ионов. Поскольку ионы щелочных металлов могут распола­гаться в разных местах окисла, МОП-конденсаторы подвер­гаются специальным тестовым испытаниям при повышенной температуре и приложенном электрическом напряжении, а ре­зультаты измерений сравниваются со стандартными С-V характеристиками. Заряд подвижных ионов рассчитывается по величине сдвига напряжения плоских зон в одной кривой относительно другой. Традиционные методы, направленные на уменьшение этого заряда, заключаются в очистке поверхности реакционной трубы хлористым водородом, генерировании ионов фосфорно-силикатным стеклом и использовании маски­рующих слоев, таких как нитрид кремния. Хотя хлор и при­сутствует в окисляющей атмосфере и, следовательно, может связывать ионы натрия, температуры, при которых этот про­цесс является эффективным, превышают температуры нор­мального технологического процесса.

Характеристики

Список файлов учебной работы