第３３卷 第３期 ２０１３年６月 固体电子学研究与进展 ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＰＲＯＧＲＥＳＳ ＯＦ ＳＳＥ Ｖ０１．３３。Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．，２０１３ 、 、 ．材料与Ｔ艺 、 、Ｐ 低漏电 －、同 ＿Ｃ＿．ｊ Ｉ— 击穿电容的ＨＤＰＣＶＤ工艺研究 刘海琪 王泉慧 栗 锐 任春江 陈堂胜 （南京电子器件研究所，南京，２１００１６） ２０１３—０１—０７收稿，２ｏ１３一Ｏｌ一２３收改稿 摘要：介绍了一种低漏电、高击穿电容的ＨＤＰＣＶＤ（ＩＣＰＣＶＤ）工艺，并对制备的电容进行了电性能分析和失效 分析。通过优化确定了工艺的最佳反应条件，研制出的电容其击穿场强达到８．７ ＭＶ／ｃｍ，在电压加到２００ Ｖ时其电 容漏电小于０．５ Ａ。通过与传统的ＰＥＣＶＤ工艺进行对比，充分体现了ＨＤＰＣＶＤ（ＩＣＰＣＶＤ）工艺生长介质的低温生 长、低漏电、较高击穿场强、无Ｈ工艺等优点。随后的失效分析表明，电容上下电极金属对电容成品率有着很大影 响。 关键词：高密度等离子体化学气相淀积；低漏电；高击穿电场；电容 中图分类号：ＴＮ３０４．０５５；ＴＮ３０５；ＴＮ３０６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—３８１９（２０１３）０３—０２８０—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＨＤＰＣＶＤ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｅａｋａｇｅ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ＩＡＵ Ｈａｉｑｉ ＷＡＮＧ Ｑｕａｎｈｕｉ ＬＩ Ｒｕｉ ＲＥＮ Ｃｈｕｎｊｉａｎｇ ＣＨＥＮ Ｔａｎｇｓｈｅｎｇ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，ＣＨＮ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ＨＤＰＣＶＤ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｌｏｗ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｅａｋａｇｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｃａ— ｐａｃｉｔｏｒｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａ１ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｓ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ８．７ ＭＶ／ｃｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｗ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｅａｋａｇｅ ｏｆ ｂｅｌｏｗ ０．５ Ａ ａｔ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｕｐ ｔｏ ２ ００ Ｖ；Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＥＣＶＤ ｐｒｏｃｅｓｓ，ＨＤＰＣＶＤ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｈｏｗ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｍｅｒｉｔｓ：ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｌｏｗ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｅａｋａｇｅ，ｈｉｇｈ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｎｏ Ｈ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｌｍ．Ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍｅｔａｌｓ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｓ ｙｉｅｌｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｌａｓｍａ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＨＤＰＣＶＤ）；ｌｏｗ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｅａｋａｇｅ； ｈｉｇｈ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ；ｃａｐａｃｉｔｏｒ ＥＥＡＣＣ：Ｏ５２ＯＦ；０５９０；２８１０Ｄ 关键的组成部分。ＧａＡｓ ＭＭＩＣ的工作电压大约为 士 丘 １Ｏ Ｖ，ＧａＮ ＭＭＩＣ的工作电压大约为３０ Ｖ。为了保 证可靠性，ＧａＮ ＭＭＩＣ中电容的峰值工作电压至少 金属一绝缘体一金属（ＭＩＭ）电容在基于ＧａＡｓ ＧａＮ技术的微波集成单片电路（ＭＭＩＣ）中是十 要超过１５０ Ｖ，因此高质量的电容十分重要。 传统高性能的ＧａＮ ＭＭＩＣ电容大都采用 联系作者：Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｈｑｋｉｄ＠１６３．ｃｏｒｎ ３期 刘海琪等：低漏电、高击穿电容的ＨＤＰＣＶＤ工艺研究 ２８１ ＰＥＣＶＤ淀积ＳｉＮ介质，反应气体为Ｓｉｌ ／ＮＨ。／Ｎ ， 温度在２００ ３００。Ｃ之间，以保证实现高的击穿场 强。随着ＭＭＩＣ性能的不断提升，高质量薄膜也出 现了一系列新的要求，诸如介质的高致密性、低氢含 量以避免杂质和水汽、低温淀积从而减小表面损伤 以及低本征应力以减少晶格缺陷等Ｌ１］。对于ＰＥＣＶＤ 淀积的ＳｉＮ介质而言，Ｈ含量较高且有可能在后续 的工艺中被释放出来；此外ＰＥＣＶＤ生长的介质不 够致密，无法保证有效阻止水汽及外界Ｈ原子的渗 透，从而影响器件的可靠性Ｌ２ ］。 ＨＤＰＣＶＤ（高密度等离子体化学气相淀积），又 称作ＩＣＰＣＶＤ，作为一种新的介质淀积方法，由于其 具有低温生长、低漏电、较高击穿场强以及无Ｈ工艺 等优点，而引起广泛关注［４］。文中通过优化ＨＤ— ＰＣＶＤ淀积工艺，研制出的电容其击穿场强达到８．７ ＭＶ／ｃｍ，在电压加到２００ Ｖ时其电容漏电小于０．５ ｇＡ，较好地体现了ＨＤＰＣＶＤ的优势，提升了ＭＭＩＣ 的性能及可靠性。 １ 电容制备流程 实验中制备的是典型的金属一绝缘体一金属 （ＭＩＭ）电容，如图１所示。工艺首先在半绝缘的 ＧａＡｓ衬底上通过ＰＥＣＶＤ方法生长１００ ｎｍ ＳｉＮ；接 着采用电子束蒸发Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｔｉ多层金属作为电容 下电极，总厚度约为６００ ｎｍ；电容介质层的生长，采 用Ｐｌａｓｍａ Ｔｈｅｒｍ公司的ＶＬＮ—ＬＬ—ＨＤＰＣＶＤ介质 生长台，厚度约为２３５ ａｍ；电容上电极通过溅射２００ ｎｍ ＷＴｉ／Ａｕ／Ｔｉ多层金属来形成；最后电镀Ａｕ层 对电极进行加厚完成电容的制作。对所生长的ＳｉＮ 介质进行了ＢＯＥ腐蚀，测试得介质膜的腐蚀速率为 １３ Ａ／ｍｉｎ，体现良好的致密性。 图１ ＭＩＭ电容示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＭＩＭ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ２ 淀积工艺优化及电容性能测试 标准Ｓｉ。Ｎ 的Ｓｉ／Ｎ比例为０．７５，为了优化工艺， 找出最适合的介质生长条件，选取了一系列不同的Ｓｉ／ Ｎ比分别进行了测试。各测试条件及参数如表１所示。 表１不同Ｓｉ／Ｎ比下ＳｉＮ的参数 Ｔａｂ．１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＳｉＮ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｓｉ／Ｎ ｒａｔｉｏ 对各条件分别进行了电容制备，并进行了电容 漏电和电容击穿的测试，测试数据如表２所示。由测 试数据可知，当生长的ＳｉＮ介质膜Ｓｉ／Ｎ比在０．６７８ ５ 附近时，其特性较为理想，所制备的电容可以耐高 压，同时在高压下漏电较小，为ｎＡ级别。）））））Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ｎ Ｍ 表２不同Ｓｉ／Ｎ比下电容的电性能 Ｔａｂ．２ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ加船ｕ ｍ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ２ ｖ｜ ｄ／ｎＡ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ ｏ ｏ。 Ｃｕ（ｕ Ｃｕ 。 ５ ５ ５ ５ ０ ｎ ＬＯＷ ｖｏｌｔａｇｅ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ＣＵｒｒｅｎｔ ｌｅａｋａｇｅ 在确定了反应气体的组分比后，综合考虑对反 应气体的流量、生长气压、生长功率和生长温度进行 了确定。反应气体中的Ａｒ气在反应中的作用是使得 起辉更加稳定充分；在保证反应气体充分电离的情 况下，维持腔体低气压有利于充分发挥ＨＤＰＣＶＤ细 小图形较好填充性的特点。最终实验中电容介质制 备的具体工艺条件为：Ｓｉｌ ／Ａｒ／Ｎ ：９．５／１５／７ ｍｌ／ｍｉｎ，上下电极功率为１ ３００／０ Ｗ，气压６６６．６１ Ｍ＂ × ；，缸５
