1.3. Диэлектрические свойства пленок окиси кремния

Окислы кремния (моноокись и двуокись) всегда присутствуют в интегральных микросхемах на кремниевых кристаллах. Тонкие пленки окислов кремния выполняют здесь функции диэлектриков в пленочных конденсаторах, защитных и пассивирующих слоев, затворов в МОП-транзисторах, разделителей проводниковых дорожек в многослойной разводке. Широкое применение эти пленки нашли благодаря своим высоким изоляционным свойствам. Электрическая прочность пленок моноокиси и двуокиси кремния составляет (1-5)10⁶В/см. Эти материалы обладают низкими потерями в широком диапазоне частот и относятся к высокочастотным диэлектрикам. Их относительная диэлектрическая проницаемость равна =5-5,5. Немаловажным достоинством этих материалов является тот факт, что технология их формирования на поверхности кремниевых кристаллов удачно вписывается в технологический процесс изготовления кремниевых микросхем в целом.

2. Моделирование процесса пробоя в тонкопленочном материале

Проще всего пробой в диэлектрических тонкопленочных материалах изучать, помещая их между двумя металлическими обкладками цветных размеров, создавая своего рода тонкопленочный конденсатор. Исследуемый конденсатор (рис. 1) включается в качестве нагрузки в электрическую цепь. На нагрузке с помощью, например, потенциостата, повышается напряжение по линейному закону с наперед заданной скоростью. Последовательно с исследуемым конденсатором включают высокоомный резистор R₁.

Резистор R₁ необходим для того, чтобы гасить микроразряды в диэлектрической пленке, которые не являются причиной пробоя, а, напротив, могут увеличивать электрическую прочность образца. Кроме того, наличие в нагрузке резистора R₁ облегчает режим работы потенциостата после пробоя конденсатора. В электрической схеме испытательного стенда предусмотрено прекращение роста напряжения в момент пробоя. Следовательно, напряжение пробоя может быть зафиксировано оператором. Момент пробоя регистрируется по скачку напряжения на R₁ с помощью высоковольтного вольтметра. Более подробная информация о протекании пробоя, необходимая для выяснения его механизма, может быть получена с помощью осциллографа, включенного параллельно R₁ и регистрирующего микропробои, а также с помощью самописца.

Рис. 1. Схема исследуемого конденсатора

Испытания на пробой относятся к разрушающим испытаниям. Поэтому партия испытуемых конденсаторов является выборкой из партии изготовленных конденсаторов. Результаты испытаний обрабатываются с помощью статистических методов.

Конечной целью испытаний является определение величины максимального рабочего напряжения партии конденсаторов, соответствующего заданной надежности.

В настоящей лабораторной работе моделируется процесс измерения напряжения пробоя в четырех партиях пленочных конденсаторов на основе монооксида кремния.

Каждая партия отличается от остальных площадью рабочей поверхности S и/или толщиной пленки диэлектрика h, как следует из таблицы:

Таблица

Характеристики структур

N партии	S, мм кв	h, нм
1	0.8x0.8	20
2	2x2	20
3	0.8x0.8	80
4	2x2	80

Каждая партия содержит 25 конденсаторов. Напряжение на конденсаторах поднимается со скоростью 0,5 В/с.