固态介质薄膜的电击穿场强偏心轴

固态介质薄膜的电击穿场强

固态介质薄膜的电击穿场强 2011： 　　中图分类号:TM215.014＋4　　文献标识码：A　　文章编号：1001-2028(1999)06-0027-04　　电介质的含义有广义和狭义之分,介质薄膜也有广义和狭义之别,前者是指所有电阻率很大的薄膜,后者仅指用作电容器介质的薄膜〔1〕。　　按广义说,电介质具有多种特性，所以介质薄膜在微电子元器件(分立的和集成的)和光电子元器件(分立的和集成的)中用途很广〔1〕。在众多用途中,电击穿场强是衡量介质薄膜性能的一个重要的参数。因此,现在许多研究者一方面想法能准确地测出介质薄膜的电击穿场强,另一方面又在努力提高这类薄膜的击穿强度,以适应对薄膜质量迅速提高的要求。　　薄膜的电击穿场强之所以成为一个研究的重点,还因为击穿场强属于薄膜的强度参数,它与薄膜的宏观和微观缺陷密切相关,因而如何测定薄膜的击穿场强和怎样使薄膜具有它的固有场强，都成为研究者所面临的重要问题。　　在介质薄膜的击穿中，有瞬时电击穿、热击穿和老化性击穿。在瞬时性电击穿中，又分为本征性击穿和非本征性击穿〔2〕。前者是结构完美的薄膜在电场瞬时作用下发生的电击穿,后者是结构中含有缺陷的薄膜在同样条件下发生的击穿。与此相对应的击穿场强称为薄膜的本征性击穿场强和非本征性击穿场强。本征性击穿场强是薄膜的固有击穿场强，取决于薄膜本身，非本征性击穿场强取决于薄膜中的缺陷情况,不属于薄膜的固有特性。　　由于薄膜的缺陷情况和缺陷分布不同,它的非本征性击穿场强具有很强的分散性。另外,因测试方法和测试技术的差异,对同一种薄膜,所测出的场强数值也会有所差别。随着薄膜制造技术的不断发展和迅速提高,薄膜的质量在逐渐优化,因而所测到的最高击穿场强正在迅速趋近于本征性击穿场强。1　测试技术1.1　测试样品　　为了测得薄膜的实有击穿场强,在测试样品上采取两个措施。一个是把样品制得很小,如目前常用的样品上电极面积为0.002 5～0.840 0 mm2,有圆形和方形两种形状,前者的直径为0.2～1.0 mm。另一个措施是在同一大面积的基片上制作成百个上电极,即是成百个样品,因下电极是共有的大电极。显然,这样的测试样品阵列是用照相制版光刻制成的。　　现在常用样品的结构是MIS(金属-绝缘层-半导体)型或MIM型微型电容器,基片多用单晶Si或GaAs,有的也用玻璃。用单晶Si的原因是经抛光后它的表面特别光滑,可淀积很薄的介质(绝缘)薄膜，由此可测试很薄的薄膜的电击穿场强。此外,样品单位面积的比电容量也相应增大,便于测量它的电荷量等。用Si基片还可使样品适于集成化,而且也可检验所进行的研究是否能与集成化工艺相匹配。　　样品的金属电极多用Al,厚度为亚微米级,有的用耐氧化的金属,如Au、Pt、Pa,有的还用Cr或透明导电氧化物电极，如铟锡氧化物（ITO)电极。　　所研究的介质薄膜有氧化物、氮化物等薄膜，有单一薄膜，也有复合薄膜。在复合薄膜中，有层状复合的，也有成分复合的。样品中介质薄膜的厚度多为5.5～500.0 nm。1.2　测试方法　　介质薄膜电击穿场强的测试方法很多,其中最常用的是连续升压击穿(RVB)法,简称升压法,有时也用步进法。升压法的优点是简单、明确，很快测得薄膜的瞬时击穿场强，缺点是不能揭示与击穿紧密相关的薄膜的其他性能，也不能显示出击穿过程和击穿机理。此外,该法对介质薄膜中的偶然缺陷还不够敏感。因此,又产生了不少其他的测试方法,如恒压击穿(CVB)法、恒流击穿（CCB)法〔3〕、电晕放电(CD)法〔4〕、随机噪声信号(RTN)法〔5〕等。　　升压法测试介质薄膜的电击穿场强一般是用直流电源在室温下进行。升压速率，快可达5 V/s,慢可至0.1 V/s。后者是为了满足准静态测试的要求。在测试时,判断样品是否已被破坏性击穿的标准因试样情况不同而有些差别,但都是随所加电压的升高,测量流经样品的电流,即测其I-V特性。当电流在某一电压下突然增大到某一规定值时,即认为样品已经发生击穿(见图1〔6〕)。这一规定值即是判定样品击穿的标准。因样品情况不同,特别是面积和介质厚度的差别,所以这一规定值相互间的差别很大,低者竟小到0.1 nA,高者则到10 mA,相互间的差别有八个数量级。比较多的规定为 μA级。1——在微波等离子体中生长的薄膜,厚度16 nm；2——低压化学气相淀积形成的薄膜,厚度30 nm图1　氮化硅薄膜的I-V特性　　恒压击穿法是在样品上加上恒定的电压,观察通过样品的电流，随着加电压后时间的增长,电流有所增大。当电流上升到某一规定值时,定义为样品发生击穿。显然用这个测试方法所得出的击穿场强不是瞬时击穿场强。为了使其接近瞬时击穿场强,通常所加的电压要达到高场强,如1 V/nm。　　恒流击穿法是在样品上加上恒定的电流,观察试样端电压随着时间的变化。当端电压下降到50%时,即认为样

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