CC BY
165
Материаловедение
УДК 536.425
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ С ДИЭЛЕКТРИКОМ ИЗ ОКИСИ ТАНТАЛА, ПОЛУЧЕННЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ РЕАКТИВНЫМ
РАСПЫЛЕНИЕМ
В.Н. Гадалов, С.В. Сафонов, Б.Н. Квашнин, В.М. Рощупкин, В.В. Горецкий
Представлены исследования электрофизических характеристик диэлектрических слоев из окиси тантала Ключевые слова: окись тантала, тонкопленочные конденсаторы, распыление тантала
Окись тантала Та2О5 относится к числу простых окислов, которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалам для производства тонкопленочных конденсаторов [1].
Фазовый анализ электродов после электро-эрозионного (ЭЭ) диспергирования выявил наличие преимущественно B-WC и небольшого количества W2C. Необходимо отметить, что у данной структуры визуально не наблюдается карбидного скелета с кобальтовыми прослойками, характерного для системы a-WC-Co; структура электрода была однородна. Возможно, в данном случае имеет место образование твердого растворимого кобальта в высокотемпературном карбиде вольфрама.
После травления железосинеродистым калием перпендикулярного среза электрода, отработавшего в керосине, на его поверхности была обнаружена область красного цвета, являющаяся, по-видимому, фазой п Ввиду её небольшого содержания зафиксировать его наличие посредством рентгеноструктурного анализа не удалось. Однако система W-C-Co является псевдобинарной, наличие фаз W2C и Со одновременно невозможно и приводит к образованию сложного карбида вольфрама и кобальта - ^-фазы.1
Гадалов Владимир Николаевич - ЮЗГУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: [email protected] Сафонов Сергей Владимирович - ВГТУ, канд. пед. наук, доцент, e-mail: [email protected]
Квашнин Борис Николаевич - ВГУИТ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
Рощупкин Валерий Михайлович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
Горецкий Виталий Витальевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Распыление тантала производилось в аргон - кислородной атмосфере с соотношением газов 1:1 и давлением (2:4)' 10-3 мм рт. ст. Рабочая камера предварительно откачивалась до давления остаточных газов 510-6 мм рт. ст., а затем осуществлялся напуск аргона и кислорода с помощью натекателей тонкой подачи газов.
В качестве подложек использовались пластины термически окисленного кремния с напылёнными однослойными пленками алюминия, молибдена, тантала, и двухслойными - из титана-меди и молибдена-золота.
Титан и молибден обеспечивали высокую адгезию нижнего электрода к подложке.
Необходимость изучения
конденсаторов на основе одного диэлектрика Та2О5 но с различными материалами обкладок, обусловлена тем, что рабочие характеристики тонкопленочных конденсаторов чувствительны к диффузии ионов металла сквозь дефекты структуры диэлектрика.
Верхнюю обкладку конденсатора площадью 0,3, 0,5, 0,8 и 1,2 мм2 получали напылением алюминия толщиной 1000 нм. Исследование электрофизических
характеристик диэлектрических слоев
осуществлялось по стандартным методикам на 150 конденсаторах (по 30 шт. на каждый вид материала нижнего электрода). Изменение толщин металлических слоев выполнялось оптическим методом с использованием микроинтерферометра МИИ-4. Толщина слоев Та2О5 определялась методом шарового шлифа на пластинах из полированного кремния, на которые пленка наносилась одновременно с исследуемыми образцами. Параллельно
производились измерения толщины осадков окиси тантала на эллипсометре Э-3.
Относительная диэлектрическая
проницаемость измерялась резонансным методом на куметре Е9-4, измерение емкости проводилось прибором Л2-7 с задающим генератором ГКЗ- 40, тангенс угла потерь определяли с помощью цифрового измерителя емкости Е8-4. Для измерения токов использовали тераометр Е6-7и электрометр ЭД-О5М.
Рис. 1. Зависимость скорости осаждения тонких пленок Та205от ВЧ напряжения и расстояния мишень-подложка (И):
1-И=20мм; 2-И=30мм; 3-И=40мм; 4-И=50мм
Основной технологической
характеристикой процесса нанесения слоев диэлектрика является скорость их осаждения. Исследованиями установлено, что этот параметр зависит как от величины ВЧ - напряжения, так и от расстояния мишень-подложка. Полученные зависимости графически представлены на рисунке 1.
Как следует из рис. 1 , при идентичных условиях эксперимента увеличение
высокочастотного распыляющего напряжения в пределах от 1 до 3,5 кВ сопровождается практически линейным возрастанием скорости конденсации. Увеличение расстояния мишень-подложка приводит к уменьшению скорости осаждения. В целом полученные значения превышают приведенные авторами работы [4], распыляющими танталовый катод в разряде постоянного тока в атмосфере кислорода, а также использовавшими комбинированный метод распыления с одновременным наложением постоянного и высокочастотного электрических полей. Более высокие скорости роста пленок получены при распылении окиси тантала в атмосфере аргона с содержанием кислорода 1,2 % [3]. Наблюдаемые различия в быстроте осаждения обусловлены, по-видимому, различием способов распыления и составов атмосферы. Известно, что тяжелые ионы аргона более эффективны, чем ионы кислорода.
Все получаемые авторами пленки окиси тантала обладали высокой адгезией к подложкам и достаточной механической прочностью, исключающей их
самопроизвольное отслаивание при длительном хранении, климатических и механических воздействиях.
Вычисленная по емкости и геометрическим размерам диэлектрическая проницаемость пленок Та2О5 на частоте 1 МГц при 200С составляет 25±1, а температурный коэффициент электроемкости исследованных образцов в интервале температур от -20 до +1250С оказался равным 510-4 1/град.
Рис. 2. Зависимость напряженности поля пробоя структур Мо-Аи-Та205от скорости осаждения при толщине пленки Та205 400нм
Т.И. Данилиной [6] реактивным распылением с помощью разряда в магнитном поле получены пленки окиси тантала с е=20. Аналогичные данные приводят Д. Седон и У. Тейки [1]. Авторы [3] получали слои Та2О5 диэлектрической проницаемостью 26. Это увеличение е, вероятно, связано с ростом скорости осаждения диэлектрика.
Исследованиями зависимости
напряженности поля пробоя структурМо-Аи-Та2О5-А1 установлено, что напряженность поля пробоя Епр существенным образом зависит от скорости осаждения окисла (рис.2).
При малых скоростях осаждая
диэлектрики (3-8 нм/мин), пробивное
напряжение постоянно и составляет
12,5106 В/см. Увеличение скорости осаждения в интервале 8-20 нм/мин сопровождается
линейным убыванием напряженности поля пробоя до 2.105 В/см при скорости осаждения 20 нм/мин. Уменьшение Епр с увеличением скорости осаждения, по-видимому, связано с увеличением дефектности структур при
высоких скоростях осаждения.
Экспериментальные результаты
позволяют определить оптимальные скорости нанесения Та2О5 в пределах 8-10 нм/мин и
толщину Та2О5 порядка 400 нм. Эти параметры нанесения пленок диэлектрика выбраны для партии конденсаторов с электродами из различных материалов. Исследованиями установлено существенное влияние материала обкладки на такие параметры, как электрическая прочность, тангенс угла потерь, процент выхода годных изделий.
Таблица 1
Основные характеристики конденсаторов с диэлектриком из окиси тантала
Материал нижнего электрода Епр, В/см Tg б при/=1 кГц % выхода
А1 0,5106 0,045 70
Ті-Си 1,0106 0,055 72
Мо-Аи 1,3106 0,035 90
Мо 1,2106 0,045 92
Та 1,3106 0,048 95
Таблица 2
Процент выхода годных структур в зависимости от материала нижнего электрода и площади обкладок
Материал нижнего электрода % выхода
Площадь электродов, мм2
0,3 0,5 0,8 1,2
А1 83 78 75 70
Ті-Си 82 80 75 72
Мо-Аи 95 93 92 90
Мо 95 93 93 92
Та 98 96 96 95
Из данных таблицы 1 следует, что электрическая прочность для исследуемого диэлектрика толщиной 400 нм составляет соответственно 0,5, 1,0, 1,3, 1,2 и 1,3х105 В/см для А1, Ті-Си, Мо-Аи, Мо и Та.
В той же последовательности возрастает процент выхода годных конденсаторов, принимающий соответственно значения 70, 72, 90, 92 и 95%. За критерий годности принималось отсутствие короткого замыкания при напряжениях, составляющих 70% от пробивного, и величин тангенса угла потерь, не превышающем 0,06, на частоте 1 кГц.
Тангенс угла потерь на частоте 1 кГц составляет 0,045, 0,055, 0,035, 0,045, 0,048 соответственно для конденсаторов с нижней обкладкой из А1, Ті-Си, Мо-Аи, Мо, Та. По данным других авторов [1, 3, 4, 6], принимает меньшие значения для диэлектрика Та2О5. Увеличение конденсаторов вызвано
сопротивлением обкладок и выводов [2].
Диэлектрическая прочность
полученных пленок Та2О5 соответствует данным других авторов (1.3.4.6).
Таблица 2 иллюстрирует зависимость выхода годных структур от площади электродов конденсаторов для разных материалов нижнего электрода. Как видно из приведенных данных, наилучшим материалом нижней обкладки являются тантал и молибден-золото. Для всех конденсаторов с увеличением площади обкладок наблюдаем некоторое уменьшение выхода годных изделий, что связано с большей вероятностью получения дефектов структуры при большей поверхности электрода.
Рис. 3. Зависимость 1§6 от частоты для конденсаторов, имеющих различный материал нижнего электрода
На рисунке 3 показаны зависимости тангенса угла потерь от частоты прилагаемого напряжения для конденсаторов с различным материалом нижней обкладки. Все конденсаторы обнаруживают возрастание угла 1§5 с частотой по кривым, близким к параболам. Наименьшие потери на высоких частотах имеют структуры с Мо-Аи и А1 электродами.
Возрастание потерь с увеличением частоты обусловлено влиянием сопротивления обкладок и выводов и свойствами диэлектрика.
Опытами установлено, что значение емкости тангенса угла потерь не изменялись при подаче на образец постоянного напряжения практически до пробоя.
Рис. 4. Вольтамперная структуры Мо-Аи-Та205-АЬ
характеристика
На рис. 4 показана вольт - амперная характеристика структуры Мо-Аи- Та2О5-А1 с площадью электродов 0,5 мм2 и толщиной окисла 400 нм, осажденного со скоростью 8нм/мин при отрицательном напряжении на верхнем электроде. Изменение напряжения от нуля до 5 В сопровождается очень медленным ростом плотности тока. Более быстрое увеличение j происходит при и большем 5 В.
При обратной полярности в области напряжений до 5В ВАХ совпадают. При напряжении 7В и выше наблюдается заметная ассиметрия характеристик с различием величины токов утечки в 2 раза. Это явление обусловлено, по-видимому, локальными неоднородностями, приводящими к
униполярности тока.
В заключении следует отметить, что предварительные исследования некоторых электро - физических свойств тонких пленок Та2О5 (адгезия, механическая прочность, пробивные напряжения, 1§5) показали, что пленки окиси тантала, полученные ВЧ реактивным распылением, пригодны для изготовления тонкопленочных конденсаторов. Определена оптимальная скорость осаждения -
8 нм/мин. Установлено, что процент выхода годных конденсаторов зависит от материалов нижнего электрода.
Литература
1. Седон Д., Тейки У. Диэлектрические пленки для конденсаторов // Технология толстых и тонких пленок. М.: Мир, 1972. С. 65-72.
2. Герштенберг Д. Тонкопленочные конденсаторы // Технология тонких пленок. М.: Сов. радио, 1974. Т. 2. С. 623-665.
3. Херрон П.Д., Камнелл Д.С. Диэлектрические свойства тонких пленок // Технология тонких пленок. М.: Сов. радио, 1977. Т. 2. С. 623-665.
4. Гришин О.Ф., Карпович И.А. Нанесение диэлектрических пленок методом высокочастотного распыления // Обзоры по электронной технике. М.: Изд-во института «Электроника», 1968. Вып. 42.
5. Т.К. Венер, Дж.С. Андерсон. Физический механизм ионного распыления // Технология тонких пленок. М.: Сов. радио, 1977. Т. 1. С. 352-404.
6. Данилина Т. И. Исследование некоторых ионно-плазменных методов получения диэлектрических пленок: автореф. дис. канд. техн. наук. Томск: Изд-во ТПИ, 1970.
7. Пономарев Д. В. Исследование переходной зоны титан-алюминий при диффузионной сварке / Д.В. Пономарев, В.Н. Гадалов, А.В. Башурин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4. № 9. С. 121-124.
Юго-Западный государственный университет (г. Курск) Воронежский государственный технический университет Воронежский государственный университет инженерных технологий
STUDY OF THIN FILM CAPACITOR WITH DIELECTRIC OF TANTALUM OXIDE OBTAINED
BY RF REACTIVE SPUTTERING
V.N. Gadalov, S.V. Safonov, B.N. Kvashnin, V.M. Roshupkin, V.V. Goreckiy
Research of electro physical characteristics are dielectric layers of tantalum oxide Key words: tantalum oxide, thin-film capacitors, tantalum sputtering
