基于MIM测试结构的电气系统与信息技术研究-Vaibhav杜比、Deepak库沙拉尼

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报1（2014）187基于MIM测试结构Vaibhav杜比，Deepak库沙拉尼电子&通信工程部，RCOEM，Nagpur Gittikhadan，Katol Road，Nagpur，Maharashtra 440013，印度2014年12月18日在线提供摘要氮化硅薄膜电容器用于电容式射频微机电系统（MEMS）开关，因为它们提供低插入损耗、良好隔离和低回波损耗。这些开关的寿命被认为受到氮化硅中的电荷捕获的不利本研究的目的是表征Si3N4基MIM（在室温下通过ICP化学气相沉积来沉积氮化硅膜通过反应离子刻蚀工艺（RIE）去除上部的Si3N4层，以提供到底部电极的在近化学计量比的薄膜，不同的电气特性进行研究的泄漏电流对不同的电气参数的依赖。结果表明，© 2014电子研究所（ERI）。制作和主办：Elsevier B.V.All rights reserved.关键词：MIM电容器; ICPCVD;氮化硅;电荷俘获; MEMS;可靠性1. 介绍微机电系统（MEMS）电容开关具有体积小、隔离度高、插入损耗低、功耗低等优点然而，由于可靠性问题，它们的商业化仍然被推迟。在这些器件中广泛使用的Si3N4介质中继续存在的问题之一研究MIM（金属-绝缘体-金属）电容器中的电荷输运现象是研究电荷俘获问题的一种实用方法。本论文的目的是通过对MIM电容器中电流输运的研究，来研究电容式MEMS开关中氮化硅介质中的电荷俘获。为了实现这一目标，导电机制进行了研究，以了解在介电氮化硅膜的漏电流的机制以下研究报告介绍了有关的背景资料，*通讯作者。电子邮件地址：dubeyvr@rknec.edu（五）Dubey），khushalanidg@rknec.edu（D.Khushalani）。电子研究所（ERI）负责同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2014.12.0022314-7172/© 2014电子研究所（ERI）。制作和主办：Elsevier B.V.All rights reserved.188诉Dubey，D.Khushalani/电气系统和信息技术杂志1（2014）187（）下一页Fig. 1. ICP-CVD系统示意图。实验过程中，薄膜的制备和表征，以及测量的实验结果的讨论。2. 制造流程用2片抗蚀率为1-10 ▲ cm的半导体p型100硅片作衬底。在标准RCA清洁之后，在1050° C的炉温度下通过干氧化在Si衬底上生长100 nm的SiO2膜104分钟。氧化层的目的是确保器件与硅衬底隔离100 nm铝膜的SiO2/Si衬底上作为底电极。采用电感耦合等离子体化学气相沉积（ICP-CVD）系统，以SiH4/N2/Ar混合气体为沉积介质，制备了厚度为100 nm的氮化硅薄膜SiH4、N2和Ar的流量分别固定在13.5、11和40sccm沉积在室温（28℃）下进行，同时腔室压力保持在4.1mPa。RF和ICP功率分别维持在40 W和1000 WICP-CVD沉积系统，示意性地示于图 1是来自Oxford Instruments Plasma Technology的Plasmalab System 100 ICP180。通过SENTECH椭偏仪表征沉积的膜的折射率和沉积速率，其分别测量为2.019和18.945 nm/min为了完成分层结构，沉积铝膜（100 nm）使用光刻法图案化顶部金属以制造MIM装置。与底部金属层的接触是通过选择性反应离子蚀刻（RIE）穿过氮化硅层创建窗口来实现的。该工艺使用CF4和CHF3的气体混合物进行，保持10：25的比率5分钟以蚀刻100 nm厚的氮化硅。3. 实验结果文献调查显示，仍然需要广泛的可靠性测试来评估标准可靠性问题，例如隧穿、电荷捕获和击穿强度等（deGroot等人，2009年）。制作的测试结构进行了不同的电气特性，如研究的通过恒流应力（CCS）和恒压应力（CVS）分析，对器件的可靠性进行了研究。我们还研究了MIM测试结构不同层的表面粗糙度，以映射器件性能与表面拓扑结构。使用原子力显微镜（AFM）图像的粗糙度参数进行了分析从这些特性的结果必须解释在一些有用的结论，以尽量减少电介质中的电荷捕获效应，从而提高MEMS开关的可靠性。3.1. 电容v/s电压特性为了研究氮化硅的特性，我们测量了所制造的测试结构的电容无论电压如何变化，器件的电容都保持恒定考虑到测量的电容和制作的测试结构的尺寸，ICPCVD沉积的氮化硅的相对介电常数诉Dubey，D.Khushalani/电气系统和信息技术杂志1（2014）187189图二. 电容v/s电压图。εr= 7.5。该结果与参考初始文献调查计算的预期值相匹配（Sah，2005）。同一衬底上的不同器件在测量的电容中显示出小的变化，考虑到电介质的表面粗糙度导致电介质表面的有效面积增加，可以证明电容值的这些小的变化是合理的。使用原子力显微镜观察到对于5 μm的扫描面积的氮化硅膜的表面粗糙度为2.835nm（rms值）。3.1.1. 电流v/s电压特性图 3显示了0-30V电压扫描的IV曲线。理想情况下，测试结构中不应有任何电流，但如图1所示，只有非常小的电流流过测试结构。这个可忽略的电流继续在电介质中流动，直到发生电介质击穿。一旦达到击穿电压，电流就会急剧增加。如图所示，测试结构的击穿电压约为36 V。 二、经计算，器械的预期击穿电压超过30 V。 这些计算是基于对不同薄膜沉积条件下氮化硅薄膜击穿电压的研究（Thomas，2010）（图10）。4）.表1示出了沉积温度对ICP-CVD氮化硅膜的击穿电压的影响我们在室温下沉积氮化硅薄膜因此，选择表2中所示的圆圈值进行计算。利用电压场关系电压（V）=电场（E）×距离（d）图三. 电流v/s电压图。190诉Dubey，D.Khushalani/电气系统和信息技术杂志1（2014）187KT见图4。 ICP-CVD氮化硅薄膜的击穿特性计算如下：Vbreak>3 MV/ cm（Ebreak）×100 nm因此，Vbreak>30 V所观察到的电流与电压的曲线可以分为几个不同的区域，可以与不同的电子传导机制。高电场中的线性区域可以解释为：肖特基和Frenkel-Poole电子发射的协同效应。弗伦克尔-普尔发射是由于被俘获的它具有以下表达式：J=AEexp<$−（φB−<$qE/4πε）<$表1不同沉积温度下产生的击穿场（de Groot等人， 2009年）。温度（℃）击穿电压ICP-CVD MV/cm击穿电压PE-CVD MV/cm20>3–150>7>3200–>4个300–>5表2选择用于计算的细分字段。温度（℃）击穿电压ICP-CVD MV/cm击穿电压PE-CVD MV/cm20>3–150>7>3200–>4个300–>5诉Dubey，D.Khushalani/电气系统和信息技术杂志1（2014）187191图五.图显示了其中φ B是硅/电介质界面处的势垒高度，ε是绝缘体介电常数（Xu等人，2009年）。根据该方程，对于因此，为了观察这种效应，我们将电流和电压的测量值分别转换为电流密度的自然对数和电场的平方根。 然后绘制这两个参数之间的曲线图，显示以下结果（图1）。 5）。如图所示，在较高电场下，两个参数都遵循线性关系，因此可以得出结论，3.1.2. 随温度变化的电流v/s电压特性在这里，我们进行了简单的电流v/s电压特性，但在不同的温度。温度范围从室温到120° C以离散的温度阶跃变化。据观察，在任何给定的电压下，温度的增加导致电流增加。 这些变化可以在下面的IV图中观察到（图1）。 6）。见图6。不同温度下样品的电流v/s电压比较。192诉Dubey，D.Khushalani/电气系统和信息技术杂志1（2014）187见图7。强制降解前后IV图的比较（1 nA）。不同的作者已经示出了在变化的温度下MEMS开关的拉入电压的偏移的影响（Zhu等人， 2003年）。 高温也导致了设备的早期故障。上述特性有助于我们设计一个开关的驱动电压在击穿极限的氮化硅。在下一组表征中，器械经受应力条件。3.2. 恒流应力用恒定电流强制降解对样品进行表征。这种技术对于研究当电流实际流过器件时，即当电荷可以隧穿到电介质中时电介质的行为非常有帮助。最初，用1 nA的恒定电流对器件施加应力施加的电流导致器件两端的电压呈指数增加。对于1 nA的电流应力，电压的指数上升是从初始0 V到约20 V的最终恒定值。施加应力时存储在电介质中的电荷导致IV曲线从原始非应力IV特性偏移。这些被捕获的电荷被发现是时间的函数。通过提供一些弛豫时间，使电荷从电介质中脱离，我们能够恢复原始的IV特性。下图显示了给定器件的新鲜、应力和弛豫电流电压图的比较（图1）。 7）。该研究以测量新器械的IV曲线开始，即在强调之前。然后，用1 nA的恒定电流对从图中可以看出，IV曲线在应力后下移换句话说，应力循环后电流减小通过用正恒定电流对器件施加应力，IV下移。这是电介质中捕获的电荷载流子的指示。由于正电流应力而被捕获在电介质中的电荷对抗由于正电压而导致的电流流动。这就是为什么在施加相同电压值时IV曲线向下移动的原因。通过向受应力的器件提供一些弛豫时间，观察到电流的偏移可以恢复。为器械提供5分钟的已经观察到，电流在弛豫之后恢复回到接近其初始值每个应力的相应电压v/s时间图如图8所示。在用正电流对器件施加应力时，器件两端的电压最初增加，然后相对于时间稳定到恒定值。器件两端的电压保持恒定。我们针对不同的应力电流值对器件施加应力，并且已经看到，当我们增加应力电流时，所得到的曲线图显示出更急剧的上升以达到恒定值对于更高的应力电流，器件稳定到更高的恒定电压。图9给出了不同电流应力的比较。应力电流的增加导致陷阱电荷的增加 图图10显示了10 nA电流应力的IV比较。从电流应力结果的比较中可以观察到，在施加增加的应力电流之后，由IV曲线中的较大偏移指示的捕获电荷密度更多。诉Dubey，D.Khushalani/电气系统和信息技术杂志1（2014）187193见图8。1 nA电流应力的电压v/s时间样本。见图9。不同电流应力下电压v/s时间样本的比较。见图10。强制降解前后IV图的比较（10 nA）。194诉Dubey，D.Khushalani/电气系统和信息技术杂志1（2014）187见图11。15 V电压应力的电流v/s时间样本。3.3. 恒压应力电流v/s时间曲线图显示，通过器件的电流随时间的增加呈指数下降，最终达到一个恒定的可忽略值。 图图11示出了对于15 V的恒定电压偏置的一个这样的IT图。用15 V电压偏置对器件施加应力7分钟，并绘制应力之前和之后的可以观察到，再加应力装置使IT曲线向上移动这意味着电流需要更长的时间才能稳定下来。使受应力的器件松弛2分钟，并再次通过施加相同的15V电压偏置来观察IT特性。据观察，一旦我们允许器件松弛，电流曲线就从应力值向下移动，并与无应力值相匹配。下图显示了这些值之间的比较（图1）。 12）。电压应力的IV偏移与恒定电流应力情况下观察到的IV偏移相同;图1中显示了一个这样的曲线图。 13岁从所有上述表征中，很明显，电介质中的电荷捕获是可以在器件操作参数中产生大的变化的主要现象。见图12。应力前、样品应力后和松弛后IT图的比较。诉Dubey，D.Khushalani/电气系统和信息技术杂志1（2014）187195图十三.强制降解（15 V）前后IV图的比较。3.4. 数字信号在表征常规电压和电流源的器件之后，我们将10 V脉冲施加到测试结构，以便可以观察到电荷捕获的即时效果。图14示出了所施加的电压脉冲的电流图。图的初始部分显示了测试电容器的充电;当电容器充电到固定值时，流经器械的电流稳定在一个小得多的值。图的后半部分显示了脉冲下降沿一出现，器件就放电。反向电流的大小以皮安为单位，这会使工作条件发生很大变化接下来，为了观察老化效应，向测试结构施加10 V峰值的方波。观察到的曲线如图所示。 十五岁见图14。Current–time plot for 10 V196诉Dubey，D.Khushalani/电气系统和信息技术杂志1（2014）187图15.方波的电流v/s时间图。在这里，我们观察到下降的正峰和上升的负峰与每一个下一个波脉冲。因此，我们可以得出结论，在电介质中存在负电荷的积累，这导致正峰的高度下降因此，当器件经历的开关活动越大时，与电介质相关联的陷阱的数量越大。该结果验证了在文献调查中观察到的基于模拟的结论（Dekate等人， 2010年）。 如果允许器件具有弛豫时间，则电介质充电的影响减小，如在基于应力的表征中所观察到的并且由作者使用不同的定量测量所报道的（Zaghloul等人，2010年）。在表征过程中，还观察到，如果在器件弛豫时间期间向器件施加小幅度的相反电压，则可以更快地使电介质充电的影响最小化。4. 结论研制了一种ICPCVD淀积氮化硅薄膜介质电容器。沉积的还观察到，在较高电场下，电流密度的自然对数和电场的平方根遵循线性关系，因此可以得出结论，Frenkel-Poole是在较高电场下ICPCVD膜中的主导电流控制机制。氮化硅的击穿与温度有关。在较高温度下，介电击穿发生在较低温度下，因此开关的致动电压必须考虑开关的所有操作条件而适当地设计。从不同的应力结果，很明显，在电介质中的电荷捕获是一个主导的现象，可以产生很大的变化，在器件的工作参数。器件的时间弛豫使俘获电荷的影响随着MEMS器件在商业领域获得越来越多的动力，基础研究仍然有空间，可以帮助其他研究人员进行比较研究和未来的创新。确认这项工作是在印度孟买理工学院（IITB）印度纳米电子用户计划（INUP）注册的“MEMS悬臂开关的可靠性表征”项目下进行的诉Dubey，D.Khushalani/电气系统和信息技术杂志1（2014）187197引用de Groot，W.A.，韦伯斯特，J.R.，Felnhofer，D.，Gusev，E.P.，2009.综述了静电驱动MEMS器件的器件和可靠性物理。IEEE Trans.器械材料。可靠性 9（2），190 http://dx.doi.org/10.1109/TDMR.2009.2020565。Dekate，K.，古普塔，A.，潘德河，2010. 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