Теоретические сведения. Пробой−явление в диэлектрике, приводящее к образованию канала высо­кой проводимо­сти

Пробой−явление в диэлектрике, приводящее к образованию канала высо­кой проводимо­сти. Численной характеристикой стойкости диэлектриков к пробою является электрическая прочность, или пробивная напряженность, электрического поля Е_пр.

1.1. Пробой твердых диэлектриков

У твердых диэлектриков наблюдаются все три основных механизма пробоя: электрический, тепловой и электрохимический.

Пробой одного и того же материала может происходить по тому или иному из указанных механизмов в зависимости:

а) от характера электрического поля – постоянного или переменного, импульс­ного, низкой или высокой частоты;

б) времени воздействия напряжения;

в) наличия в диэлектрике дефектов, в частности за­крытых пор;

г) толщины материала;

д) условий охлаждения.

Электрический пробой в однородных твердых диэлектри­ках, как и в газах, характеризуется весьма быстрым развитием и сопровожда­ется разрушением диэлектрика в очень узком канале.

По своей природе электрический пробой – чисто электронный процесс, заклю­чающийся в том, что из немногих начальных электронов в твердом теле созда­ется электронная лавина. Согласно современным представлениям, эти элек­троны рассеивают накопленную ими в электрическом поле энергию, возбуждая упругие колебания узлов кристаллической решетки. Достигнув определенной критической скорости, электроны отщепляют все новые и новые электроны, и стационарное состояние нарушается, т.е. возникает ударная ионизация в твердом теле.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние диэлек­трических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. Такие условия удается наблюдать у монокри­сталлов щелочно-галоидных соединений и у отдельных органических полиме­ров, у которых E_пр превышает 10⁹ В/м. При однородном поле и вполне одно­родной структуре материала пробивные напряженности при электриче­ском пробое могут служить мерой электрической прочности вещества как та­кового.

Если количество тепла, выделяющегося в диэлектрике под воздействием диэлектрических потерь, превышает количество тепла, которое в данных условиях может отводиться наружу, возникает тепло­вой пробой; при этом нарушается тепловое равновесие, и процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Про­бивная напряженность поля при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия, в противоположность электрическому пробою, где электрическая прочность служит характеристикой лишь материала. Про­бивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой изменения напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от нагревостойкости материала.

Электрохимический пробой имеет особо существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Он наблюдается как при постоянном напряжении, так и при переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются про­цессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический пробой случа­ется при высоких частотах, если в закрытых порах диэлектрика происходит ио­низация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и изменением химиче­ского состава материала (например, восстановлением окислов металлов пере­менной валентности, в частности ТiO₃, содержащихся в керамике).

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного вре­мени. Большую роль в возникновении электрохимического пробоя, наблюдае­мого на постоянном токе в условиях повышенных температур или высокой влажности воздуха, играет материал электрода. Например, серебро, способное диффундировать в керамику, понижает пробивное напряжение.

1.2. Причины, приводящие к возникновению пробоев

в тонкопленочных материалах

В устройствах микроэлектроники широко применяются тонкие пленки, изготовленные из диэлектрических материалов. Хорошими диэлектрическими свойствами обладают оксиды кремния, тантала, нитриды кремния и тантала, алюмосиликатные, фосфоросиликатные и алюмофосфоросиликатные стекла, керамики сложного состава, включающие несколько окислов, и некоторые другие неорганические материалы.

К важнейшим свойствам тонких диэлектрических пленок относятся высокая электрическая прочность, а также стабильность этого параметра во времени, в интервале температур и частоты приложенного сигнала, и воспроизводимость электрической прочности от образца к образцу. Все перечисленные свойства объединены одним общим физическим явлением – электрическим пробоем.

Электрическая прочность тонкопленочных материалов существенно выше, чем объемных диэлектриков той же природы, и достигает в лучших образцах величины порядка 10⁹ В/см. Причин этому явлению несколько. При лавинном пробое электрическая прочность тонких пленок повышается в силу закона Пашена [1, 2]. При тепловом пробое малая толщина диэлектрика способствует быстрому отводу выделяющегося в диэлектрике вследствие диэлектрических потерь тепла. Высокой электрической прочности диэлектрических тонкопленочных материалов способствуют также условия сверхчистой технологии их получения. По этим причинам при изготовлении из тонкопленочных материалов изделий микроэлектроники важнейшим фактором становится не электрическая прочность материала, а воспроизводимость этого параметра в партии изделий и по поверхности отдельного образца. Для пробоя сверхпрочной диэлектрической пленки достаточно, чтобы она содержала всего одно слабое место. Так называются участки диэлектрической пленки, пробивающиеся при значительно более низком напряжении, чем остальная поверхность образца.

Существует множество причин образования слабых мест в диэлектрических пленках неорганического происхождения. Поэтому проблема надежности пленочных изделий электронной техники продолжает оставаться весьма актуальной. Очевидно, что надежность увеличивается при уменьшении площади его поверхности и при увеличении толщины входящего в его состав диэлектрического слоя.

К причинам образования слабых мест в диэлектрических пленках относятся:

– дефекты различного характера на поверхности подложки (трещины и поры, посторонние включения, точечные дефекты, создающие глубокие потенциальные ямы);

– примеси посторонних веществ в материале диэлектрика, конденсируемом на поверхность подложки;

– загрязнения технологических сред (вакуума при конденсации в вакууме, газа при конденсации в тлеющем разряде, растворителя при электрохимических способах образования диэлектриков и т.п.);

– растрескивание диэлектрических пленок вследствие неполного согласования коэффициентов линейного расширения контактирующих материалов;

– процессы старения диэлектрических пленок, их кристаллизация с течением времени;

– дефекты статистического происхождения, т.е. степень беспорядка, определяемая физической природой материалов и температурой диэлектрика.

Существуют также различные способы вторичной обработки пленочных структур, целью которых является уменьшение плотности или заращивание слабых мест в диэлектрических пленках. Об этих способах можно прочитать в специальной литературе.

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) ּ10⁶ В/см. Эти материалы обладают низкими потерями в широком диапазоне частот и относятся к высокочастотным диэлектрикам. Их относительная диэлектрическая проницаемость e = 5,0–5,5. 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.