Материал: Физика тонких пленок. Современное состояние исследований и технические применения. Т. 6

нием и испарением диэлектрика.

Термический пробой наступает при увеличении электропро­ водности, обусловленном джоулевым разогревом, или в случае переменного тока — нагревом диэлектрика за счет потерь. В тонкой однородной пленке (без «слабых мест») пробой на­ ступает при определенном напряжении, причем одновременно на большей части сечения диэлектрика. В принципе напряже­ ние пробоя VT можно определить, не вызвав разрушения об­

разца, например наблюдая вольт-амперную характеристику (фиг. 26) до точки резкого нарастания тока (точка D), обуслов­

ленного термическим разогревом. Эта методика, по-видимому, применима к анодным пленкам, хотя до сих пор она использо­ валась только по отношению к напыленным пленкам S i0 2 [216].

Термический пробой АОП становится «самозалечивающимся» (см., например, работы Кеннеди [217] по АОП А120з и Янга [3,336] и Клейна [214] по Та20 5), если толщина одного из элек­

тродов меньше 1000—2000 А. Тонкий электрод испаряется на участках пробоя, предотвращая тем самым разрушение образ­ ца. Таким же путем может происходить и самозалечивание де­ фектов, устраняющее слабые места, что позволяет, по-видимому, исследовать характеристики пробоя фактически однородных пленок. Детальных исследований чисто теплового пробоя АОП не проводилось, но, как и в случае теплового пробоя в других материалах (например, в галогенидах щелочных металлов [218], SisN4 [219] и SiOx [214]), теоретическое рассмотрение этого

явления включает решение уравнения теплопроводности для об­ разца и контактирующих с ним тел.

Термин электрический пробой объединяет различные виды пробоя, наблюдающегося в массивных диэлектриках, а именно междузонный пробой, лавинный пробой и пробой, стимулиро­ ванный автоэлектронной эмиссией (подробности см. в [220, 221]).

б. Электрический пробой. Электрический пробой возникает при резком увеличении электропроводности диэлектрика в ре­ зультате, например, развития электронной лавины. Вследствие статистической природы пробоя он наступает в некоторой об­ ласти напряжений. Пробой разрушает только небольшую часть диэлектрика, и из-за высокой скорости процесса трудно уберечь образец от разрушения. Молено, однако, устранить вторичные разрушения, обусловленные протеканием больших послепробойных токов, применяя схемные элементы, ограничивающие или ответвляющие ток.

Электрический пробой АОП обычно индицируют по искро­ вым разрядам, возникающим при некотором напряжении в про­ цессе роста пленок в водных электролитах, или физическим по­ вреждениям, появляющимся при пробое в системе металл — окисная пленка — металл. Значения пробивной прочности для данной АОП обычно получаются из измерений на весьма огра­ ниченном количестве образцов. Поэтому при сильном разбросе величин пробивного напряжения АОП к полученным до сих пор результатам их усреднения, как и в случае массивных диэле­ ктриков [222], следует относиться с осторожностью. Тем не ме­ нее положено начало исследованиям диэлектрического пробоя АОП. Эти исследования уже наталкиваются на ряд трудностей, связанных с невоспроизводимостыо результатов, в частности, вследствие наличия примесей и неоднородности пленок.

в. Экспериментальные результаты. Вуд и Пирсон [223], на­ блюдавшие искрение в окисных пленках тантала и ниобия, по­ лученных в водных электролитах, обнаружили, что напряжение пробоя обратно пропорционально логарифму электропроводно­ сти электролита. Кроме того, напряжение пробоя зависело от природы электролита и анодируемого металла, причем чистота металла, по-видимому, не влияла на электрическую прочность АОП. Тепловые эффекты в этих опытах, очевидно, не играли заметной роли, поскольку пробивное напряжение не зависело от скорости перемешивания электролита.

Предположив, что концентрация дефектов в нарастающем окисле определяется чистотой металлической подложки, и учи­ тывая зависимость пробивного напряжения от температуры пла­ вления окислов (выращенных на Ш, Та, Nb, Zr, А1), Вуд и Пирсон пришли к заключению, что пробой лимитируется объ­ емными свойствами окисла и природой электролита, а не нали­

чием в пленках трещин. Реальный механизм пробоя, по мне­ нию этих авторов, связан с возникновением характерной элек­ тронной лавины, развивающейся в результате инжекции элек­ тронов из электролита в окисную пленку. Они высказали пред­ положение, что зависимость пробивного напряжения от природы электролита обусловлена различием инжектирующих свойств контакта окисел — электролит. Одним из доказательств влияния электролита является зависимость пробивной прочности пленок Ta2Os от концентрации кислоты в электролите [224]. При увели­ чении содержания Н3Р 0 4 в растворе пробивное напряжение

уменьшается, хотя отсутствие сведений о количестве исследован­ ных образцов лишает эти данные статистической достоверности. Влияние электролита в данном случае может быть связано не с его инжектирующей способностью, а с изменением структуры окисла, обусловленным внедрением электролита в окисную пленку. Известно, что для электролитов на основе этой кислоты подобные эффекты имеют место.

Данные Элвита и Вия [225] довольно хорошо совпадают с рассмотренными выше результатами Вуда и Пирсона [223]. Исключение составляют АОП А120 3, пробивная прочность кото­

рых выше, чем у АОП Zr02. Таким образом, пробивная проч­ ность АОП убывает в ряду А120 3, Zr02l Ta2Os и Nb2Os, не

обнаруживая прямой связи с температурами плавления окис­ лов, которую отмечали Вуд и Пирсон. С другой стороны, была установлена корреляция между напряжением искрения и теплотами образования окислов и обратными величинами их диэлек­ трической проницаемости. Однако напряжение искрения пред­ ставляет собой довольно неопределенную характеристику слож­ ного явления диэлектрического пробоя и поэтому физический смысл полученных соотношений пока неясен.

Между тем ряд авторов [165, 168, 214] считает, что на элек­ трический пробой сильное влияние оказывает неоднородность АОП. Аксельрод и Шварц [165], используя дифференциальную интерференционную микроскопию, непосредственно наблюдали при приложении напряжения картину распределения макроде­ фектов в окисле системы Та—Та20 5, полученной катодным рас­

пылением. В качестве верхнего электрода использовался как металл, так и электролит. Распределение макродефектов зави­ село от полярности напряжения, так же как и электропровод­ ность и пробивное напряжение (фиг. 27). Кроме того, напряже­ ние пробоя зависело от природы верхнего электрода (напылен­ ная металлическая пленка или электролит).

Эти закономерности могут быть связаны с наличием влаги в пленках. При исследовании образцов с верхним металличе­ ским электродом, полученным испарением в вакууме, в усло­ виях различной влажности Аксельрод и Шварц обнаружили с

Фиг. 27. Сравнение вольт-амперных характеристик для системы Та—Та20 5

сразличными верхними электродами [165].

а— Аи — электрод; б — водный раствор электролита (8 н. HsSO*). Емкость системы 0.035 мкФ, положительный потенциал на Та.

увеличением влажности уменьшение «катодного» пробивного напряжения (отрицательный потенциал на Та). При этом «анод­ ное» пробивное напряжение (плюс на Та) не изменялось. В осушенных образцах наблюдалась почти полная симметрия характеристик. Катодное пробивное напряжение изменялось обратно пропорционально площади напыленного контакта (фиг. 28), что свидетельствовало о пробое вдоль макродефек­ тов окисла. Экспериментальные данные отвечали модели окис­ ла, содержащего один макродефект на 0,05 мм2. Интервал из­ менения пробивного напряжения изменялся от образца к об­ разцу, по-видимому, вследствие слабой зависимости плотности макродефектов от параметров анодирования. При высокой плот­ ности макродефектов катодное пробивное напряжение переста­ вало зависеть от площади контакта. Силкокс и Майсел [168] наблюдали резкое увеличение анодного пробивного напряжения при уменьшении поверхности электрода, подтвердив тем самым влияние трещин на проводимость окисла при данной полярности

смещения. Клейн [214] наблюдал электрический пробой в А120 3, НЮ2 и Та205, обусловленный наличием слабых мест в окисле.

Напряжение, приложенное к образцу, повышалось в течение нескольких секунд до пробивного значения, затем резко снижа­ лось, снова повышалось до пробивного значения и т. д..

Эти опыты показали, что начальные пробивные напряжения были низки, а затем постепенно повышались до постоянного значения Vs, флуктуировавшего в пределах нескольких процен­ тов. Первоначальные пробои, по-видимому, были связаны с раз­ рушением слабых мест окисла; на последующих стадиях проис­ ходил пробой объема окисла. Частота повторения пробоев за­ висела от величины постоянного напряжения VD■Так, если при VD —0,60Vs пробой повторялся через несколько часов, то при VD— 1,20Vs имело место большое число пробоев в секунду. Од­

нако при низких значениях VD пробой не является, по-видимому, чисто электрическим и в нем начинают сказываться тепловые эффекты.

Из проведенного анализа следует, что наличие макродефек­ тов в окисле оказывает самое существенное влияние на пробой

Фиг. 28. Зависимость катодного пробивного напряжения VA от емкости С

для двух печатных конденсаторов [148].

АОП Та*06 формировались при 100 В и 110° С ;’Та — электрод отрицателен.