Диэлектрические пленки

Диэлектрические пленки – тонкий слой материала, обладающий высокими электроизоляционными свойствами, механической прочностью, гибкостью и устойчивостью против различных воздействий (воды, температуры).

ДП широко используются для различных целей: Для изготовления кабелей и конденсаторов В качестве упаковочного материала Для изготовления интегральных схем

Изготавливаются из полимеров: фторопласта- 4, полиэтилена, полипропилена, полистирола, полихлорвинила, триацетата целлюлозы и др. Для увеличения механической прочности изготавливаются в комбинации с другими материалами: пленкокартон, пленколакоткань, пленкослюдопласт и т.п. Основными пленками являются: Пленка фторопластовая конденсаторная (ГОСТ ). Толщина 8-40 мкм. r =1017 Ом см, tgd = 0,0003, e =1,8 - 2,2, Е пр =200 кВ/мм

Используются для изготовления высокочастотных конденсаторов. Конденсаторы изготавливаются из этой пленки, обладают высокой теплостойкостью (до 200). Для изготовления изоляции проводов и междуслойной изоляции используется более толстая пленка. Характеризуется более пониженными механическими свойствами.

Полиэтиленовая пленка (ГОСТ ). Используется в качестве упаковочного влагонепроницаемого материала. Стабилизированная, нестабилизированная, окрашенная. Очень мало влагопроницаема. Полипропиленовая пленка – для изоляции кабелей и пленочных конденсаторов. Высокая механическая прочность, электрические свойства, малая влагопроницаемость. Полистирольная пленка (ГОСТ ) ПСА – для конденсаторов ПСБ – для кабелей ПСВ – для изделий общего применения

Обладает теми же свойствами, что и вышеописанные, но еще и радиационной стойкостью. Триацетатная пленка (ТУ 1676). Слабопластифицированная и непластифицированная. Используется для изоляции проводов и кабелей высокого напряжения, обмоток электрических машин, трансформаторов. Повышение нагревостойкости (115° С) и повышенные электрические свойства по сравнению с х/б изоляцией. Полиэтилентерефталатная – 4-20 мкм. Высокая механическая прочность, высокие электрические свойства.

Функции диэлектрических пленок. 1. Пассивация поверхности полупроводника. 2. Защита п/п структур от повреждений (механических) и стабилизация параметров приборов. 3. Электрическая изоляция активных областей. 4. Изоляция затвора в полевых транзисторах. 5. Повышение радиационной стойкости приборов и некоторые другие функции, связанные с технологией изготовления ПП и ИС.

К ДП предъявляют ряд требований Хорошая адгезия к полупроводнику Хорошая адгезия к и металлу Механическая прочность Непроницаемость к нежелательным примесям (влаге, газам, ионам щелочей металлов) Высокая сплошность и однородность слоев Высокая химическая стойкость при наличии селективного травителя Высокие диэлектрические качества (tgd, Епр) Подходящая величина e Высокая радиационная стойкость

В последнее время для целй создания ПП и ИС использовались тонкие диэлектрические пленки двуокиси кремния SiO 2 и нитрида кремния Si 3 N 4.

достоинстваНедостатки SiO 2 1. Простота получения1. Пористость 2. Хорошая адгезия к п/п подложке и фоторезисту 2. Недостаточно хорошо защищен от влаги и озона 3. Малый tgd3. Проницаемость для ионов Na+ 4. Хорошая согласованность с п/п подложкой 4. Не обладает химической стойкостью при воздействии ряда травителей 5. Небольшая e 6. Недостаточная радиационная стойкость Si 3 N 4 1. Более высокая термостабильность 1. Низкая технологичность, увеличение трудоемкости отдельных операций 2. Высокая радиационная стойкость 2. Механическое напряжение на границе Si Ч Si 3 N 4 выше, чем у Si Ч SiO 2 3. Непроницаемость для ионов щелочных металлов, кислорода и влаги 4. Хорошие механические свойства 5. Более высокая e 6. Высокая химическая стойкость

Недостатки киждой из этих пленок привели к целесообразности использования слоеных систем: SiO 2 Ч Si 3 N 4, сочетающих достоинства обоих диэлектриков. Кстати эти пленки получили широкое распространение в качестве диэлектрика конденсаторов ИС.

Следует отметить, что методы получения этих пленок следующие: Напыление в вакууме Катодное напыление Химические методы осаждения (из газовой фазы) Плазменное анодирование

Из 15 новых типов пленок остановимся на некоторых, которые хорошо изучены и имеют перспективное применение. К ним относятся: Окись алюминия Нитрид алюминия Нитрид германия Двуокись титана Пятиокись тантала Нитрид тантала Пятиокись ниобия Нитрид ниобия

Основные параметры, достоинства, недостатки и возможности использования. 1. Окись алюминия Al 2 O 3 r =1014ё 1015 ОмЧ см, e =8ё 9, Епр=(0,1ё 4)Ч 106 В/см, tgd =0,0008, tпл=2050° С

Некоторые преимущества: Высокая радиационная стойкость Стабильность Непроницаемость к щелочным ионам Хорошая технологичность Основные недостатки: Высокие механические напряжения на границе раздела с п/п Возможные области применения: Изолятор затвора в полевых транзисторах Тонкопленочные конденсаторы Диэлектрик для активных приборов и ИС с высокой радиационной стойкостью

2. Нитрид алюминия AlN r =1014 ОмЧ см, e =9ё 10, tgd =0,02, t пл =2200° С

Преимущества: Хорошие диэлектрические свойства Стабильность при повышении t° Низкие диэлектрические потери Хорошие частотные свойства Недостатки: Не изучено Применение: Тонкопленочные конденсаторы Изолирующая пленка Маска при диффузии Применяется в МДП транзисторах – приводит к повышению предельной частоты усиления

3. Нитрид германия Ge3N4 r =10 14 ё ОмЧ см, t пл =2050° С Остальных данных нет. Достоинства: хорошая "согласованность" с Ge Недостатки: легколетучесть Применение: защитная пленка в технологии Ge приборов

4. Двуокись титана TiO2 r =1015ё 1018 ОмЧ см, e =30ё 100, Епр=(0,2ё 1?2)Ч 105 В/см, tgd =0,02, tпл=1640° С Преимущества: Высокая e Стабильность при воздействии Недостатки: Легко переходит в поликристаллическое состояние Применение: Пассивные элементы в ИС В технологии СВЧ приборов Варакторы Изоляторы затвора в МДП полевых приборов

5. Пятиокись тантала Ta2O5 и нитрид тантала TaN r =1,35Ч 1012ё (1014ё 1016) ОмЧ см, e =21ё 27, Епр=(1ё 68)Ч 106 В/см, tgd =0,02, tпл=1470° С (для TaN – 3090° С) Достоинства: Высокая радиационная стойкость Низкий tgd Высокое пробивное напряжение Недостатки: Сложность нанесения пленок и их обработка Большие диэлектрические потери на ВЧ Применение: Изолятор затвора в полевых Si МДП транзисторах Резистивный и емкостный элемент в тонкопленочных ИС В видикондах высокой разрешающей способности

Пятиокись ниобия Nb 6 O 5 и нитрид ниобия NbN r =1013ё 1015 ОмЧ см, (6Ч 10 6 NbN) e =11ё 40, Епр=(1ё 5)Ч 106 В/см, tgd =0,02, t пл =1520° С (2300 для NbN) Преимущества: Высокая плотность поверхностных состояний на границе раздела с Si Термостабильность Подходящая e Недостатки: не изучены Применение: Изоляторы затвора в полевых Si МДП транзисторах Резистивный и емкостный элемент в тонкопленочных схемах

Основным диэлектрическим материалом, особенно в производстве кремниевых приборов, по-прежнему будет оставаться Расширение использования новых материалов следует ожидать в первую очередь, приборов Для технологии ИС наиболее перспективным является Al 2 O 3 и AlN, для приборов, работающих на эффекте поля – TiO 2 и Ta 2 O 5 в сочетании с SiO 2 и Si 3 N 4, для приборов СВЧ – нитрид бора BN(tgd =0,5Ч при f=6 Гц) и TiO 2.