29772

Диэлектрические материалы

Контрольная

Химия и фармакология

Пассивные – это электроизоляторные и конденсаторные материалы. Пассивные неорганические диэлектрики применяемые в электронной технике можно разделить на стекловидные диэлектрики керамику монокристаллические диэлектрические материалы органические и композиционные материалы. Активные диэлектрики – это материалы свойствами которых можно управлять в широких пределах с помощью внешних воздействий.

Русский

2013-08-21

37.85 KB

103 чел.

Диэлектрические материалы.

Основные понятия. Электрофизические свойства диэлектриков

Диэлектрики – это вещества, плохо проводящие электрический ток. Их удельное электрическое сопротивление превышает , а ширина запрещённой зоны более 3 эВ. Электроны под действием обычных не слишком сильных электрических полей не могут преодолеть такую ширину запрещенной зоны. Действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности, что приводит к поляризации диэлектрика. В результате в однородном электрическом поле в диэлектрике создаётся внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему и ослабляющее, но не компенсирующее его. Величина, характеризующая степень ослабления напряжённости внешнего приложенного поля внутренним полем диэлектрика называется диэлектрической проницаемостью, обозначается  и равно , ,  – напряжённость электрического поля.  - ёмкость конденсатора с данным диэлектрическим материалом,  - ёмкость такого же конденсатора, когда вместо диэлектрика используется вакуум.

Электропроводность диэлектрика хоть и мала, но отличается от нуля, при этом электронная проводимость в обычных условиях мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость обусловлена перемещением собственных и примесных ионов. Возможность перемещения ионов связана с наличием структурных дефектов. Если в диэлектрике есть вакансии, то под действием поля соседний ион может занять эту вакансию, а во вновь образовавшуюся вакансию может перейти следующий ион.

С ростом температуры ионная проводимость возрастает. Находясь в электрическом поле, диэлектрик может потерять свойства изоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение.

Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называется пробоем диэлектрика. При пробое почти весь ток течёт по узкому каналу. Минимальное приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к пробою, называется пробивным напряжением. Величина его в первую очередь зависит от толщины диэлектрика, поэтому за величину, характеризующую электрическую прочность диэлектрика принимают отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика. - электрическая прочность диэлектрика.

Важнейшей характеристикой диэлектриков является диэлектрические потери, под которыми понимают электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. В формулу для рассеиваемой диэлектриком мощности входит тангенс угла диэлектрических потерь . Наиболее часто пользуются именно этой характеристикой. Угол диэлектрических потерь определяется сдвигом фаз между током и напряжением в ёмкостной цепи. Тангенс угла диэлектрических потерь определяется только свойствами материала и поэтому характеризует только свойства материала.

Классификация диэлектрических материалов

По функциям, выполняемых в приборах электронной техники диэлектрики можно разделить на пассивные и активные. Пассивные – это электроизоляторные и конденсаторные материалы. Пассивные неорганические диэлектрики, применяемые в электронной технике можно разделить на стекловидные диэлектрики, керамику, монокристаллические диэлектрические материалы, органические и композиционные материалы. Активные диэлектрики – это материалы, свойствами которых можно управлять в широких пределах с помощью внешних воздействий. Такими внешними воздействиями могут быть электрическое поле, механическое усилие, излучение, тепло. К числу активных диэлектриков относят, например, сегнетоэлектрики(обладают спонтанной поляризацией в отсутствие электрического поля), пьезоэлектрики (приобретают поляризацию под действием какого-либо механического усилия), пироэлектрики (приобретают поляризацию при нагреве), жидкие кристаллы и т.д. Активные диэлектрики позволяют осуществлять генерацию усиления, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание и преобразование информации. Резкая граница, однако, между пассивными и активными диэлектриками не существцует. Один и тот же материал в различных условиях эксплуатации может выполнять функции либо пассивного, либо активного элемента.

Функции пассивных диэлектриков в микроэлектронике

Основные пассивные функции, которые могут выполнять диэлектрики в составе полупроводниковых интегральных схем следующие:

  1. Подложки интегральных схем, изготавливаемых по толстоплёночной или тонкоплёночной технологии
  2. Диэлектрические детали корпуса и кристаллодержателей. Применяются высокотеплопроводящая керамика, ситаллы, стёкла, композиционные материалы
  3. Диэлектрики в составе КНИ (кремний на изоляторе) структур, которые позволяют изготавливать интегральные схемы с полной диэлектрической изоляцией
  4. Диэлектрики в составе конденсаторов и резисторы, изготавливаемые по толстоплёночной и тонкоплёночной технологии. Для изготовления тонкоплёночных конденсаторов используют слои .
  5.  Защитные плёнки для бескорпусной защиты интегральных схем и толстоплёночных гибридных интегральных схемах. Используют тонкие плёнки на основе стёкол БСС (боросиликатные стёкла), ФСС (фосфоросиликатные стёкла), БФСС (борофосфоросиликатные стёкла), двухслойные структуры
  6.  Межслойная изоляция. Обычно используется  и те же диэлектрики, что и в предыдущем пункте
  7.  Пассивация и стабилизация полупроводниковой поверхности. Применятся стекловидные диэлектрические плёнки, БСС, ФСС, БФСС, которые способны выполнять роль геттеров (центр захвата) нежелательных легкоподвижных ионов . Они блокируют их в своём объёме и стабилизируют тем самым параметры приборов
  8. Планаризация развитого рельефа в многоуровневых интегральных схемах. Плёнки БСС и ФСС размягчаются при температуре и формируют гладкий рельеф. Использование БФСС позволяет снизить температуру размягчения ниже
  9. Подзатворный диэлектрик в МОП-транзисторов. Важнейшее требование в данном случае качество границ раздела полупроводник-диэлектрик, минимальная плотность заряда на них, поэтому обычно используют тонкие слои термически выращенного
  10.  Маскирующее покрытие. Сквозь специально сформированные окна в таких покрытиях осуществляется диффузии в полупроводник легирующей примеси, используются слои , .
  11.  Источник диффузионного легирования. Используют стёкла БСС в качестве источника акцепторной примеси бора и ФСС в качество донорной примеси фосфора.

Стекловидные диэлектрические материалы. Классификация стёкол

Среди пассивных диэлектриков наиболее важными в практическом отношении являются стекловидные диэлектрические материалы. Это стёкла, ситаллы, ситаллы-цементы и композиционные материалы на основе стеклянной матрицы и неорганического наполнителя.

Неорганические стёкла подразделяются на элементарные, оксидные, галогенидные, халькогенидные. Самый обширный класс неорганических стёкол составляют оксидные стёкла. Только эти стёкла обладают диэлектрическими свойствами. Оксидные стёкла классифицируются по виду стеклообразующего оксида, на силикатные на основе , боратные на основе , фосфатные на основе , германатные . Силикатные стёкла самый распространённый класс оксидных стёкол наиболее широко применяемой в микроэлектронике. Силикатные стёкла по составу, а следовательно и по электрическим свойствам можно разделить на три группы.

  1. Бесщелочные стёкла, в которых отсутствуют оксиды натрия и калия. В эту группу входят например кварцевое стекло. Стёкла данной группы обладают высокой термостойкостью, высокими диэлектрическими свойствами. Поскольку ионы щёлочных металлов являются быстро диффундирующими примесями кремния, и приводят к быстрому ухудшению его свойств, в микроэлектронике используются только стёкла этой группы.
  2. Щелочные стёкла без тяжёлых оксидов или с незначительным их содержанием. В эту группу входит большинство обычных стёкол. Они отличаются пониженной термостойкостью, имеют более худшие диэлектрические свойства.
  3. Щелочные стёкла с высоким содержанием тяжёлых оксидов, например, силикатно-свинцовые и бариевые. Эти стёкла имеют повышенные диэлектрические свойства, приближающиеся к свойствам стёкол первой группы. (Хрусталь)

Строение и свойства стёкол

Si

O

Si

Стёкла имеют сплошную атомную трёхмерную сетку, в которой отсутствует дальний порядок расположения атомов, но сохраняется ближний порядок. Основой строения силикатных стёкол являются комплексы . Это тетраэдры с очень прочными связями кремний кислород.

Соединяясь вершинами, тетраэдры образуют бесконечную пространственную структуру. Отдельные тетраэдры скрепляются в цепи с помощью мостикового кислорода.

Помимо  периодическую сетку могут образовывать и другие оксиды, которые называются стеклообразователями: , , ,  и т.д.

Компоненты стекла не способны самостоятельно образовывать непрерывную структурную сетку, называются модификаторами. К группе модификаторам относятся, например оксиды элементов первой и второй группы периодической системы. При введении в состав стекла модификаторов происходит разрушение части мостиковых связей, что сопровождается дроблении пространственной сетки. Вследствие этого свойства стекла меняются или модифицируются, откуда и название модификаторов.

У стёкол отсутствует определённая температура плавления. При охлаждении расплава стекла его вязкость начинает плавно возрастать и при значении  на кривой появляется первый перегиб. Температура, соответствующая этой вязкости обозначается  и называется температурой текучести. Выше этой температуры стекломасса имеет свойства жидкости. При вязкости в  на кривой наблюдается второй перегиб. Температура, соответствующая этой вязкости обозначается  и называется температурой стеклования. Ниже этой температуры стекло приобретает свойства твёрдого тела

,

. В интервале температур  стекломасса находится в высоко-эластичном состоянии. Стекло, как переохлаждённый расплав, находится в неравновесном метастабильном состоянии, однако вследствие высокой вязкости, препятствующей кристаллизации, стекло при нормальных условиях может существовать неопределённо долго. Большинство свойств силикатных стёкол аддитивны, т.е. определяются суммарным значением параметров входящих в него компонентов и плавно изменяются при изменении концентрации компонентов. Это позволяет с достаточной точностью заранее прогнозировать свойства стёкол того или иного состава.

Ситаллы и ситаллоцементы

Ситаллы или стеклокристаллические материалы – это поликристаллические вещества, получаемые регулируемой кристаллизацией стекла. Они занимают промежуточное положение между стеклом и керамикой. Ситаллы отличаются от стёкол тем, что в основном имеют кристаллическое строение, а от керамики – значительно меньшим размером кристаллических зёрен.

Для получения ситаллов в расплавленное стекло вводят катализаторы кристаллизации, на которых происходит рост кристаллов основной фазы. Содержание остаточной стекловидной фазы в ситалле может колебаться от 2 до 50%, размеры кристалла не превышают одного микрона. Физико-химические свойства ситаллов определяются содержанием и составом кристаллической фазы и могут изменяться в очень широких пределах. Изменяя состав исходного стекла, тип кристаллизатора и режим термообработки можно получать ситаллы с определёнными свойствами. Мелкозернистая объёмная кристаллизация стекла приводит к снижению электропроводности ситаллов на несколько порядков. Одной из причин этого является наличие границ раздела фаз кристалл-стекло, что затрудняет миграцию ионов. Кристаллизация в общем случае вызывает уменьшение (диэлектрической проницаемости) из-за более прочного закрепления ионов. В то же время управляемая кристаллизация позволяет получать ситаллы с повышенным значением , что важно для некоторых применений.

Ситаллоцементы или стеклокристаллические цементы отличаются от ситаллов содержанием кристаллической фазы. У ситаллоцементов количество кристаллической фазы значительно меньше 50%,т.е. больше стекло фазы. По техническому назначению ситаллы и ситаллоцементы можно разделить на установочные и конденсаторные. Установочные широко используются в качестве подложек гибридных интегральных схем и дискретных пассивных элементов, например резисторов. Конденсаторы на их основе обладают повышенной электрической прочностью по сравнению с керамическими конденсаторами.

Керамические материалы

Керамика – это большая группа стеклополикристаллических материалов, объединяемых схожим технологическим циклом. Технологическая схема керамического производства включает в себя следующие основные операции:

  1. Смешение исходных компонентов
  2. Предварительный обжиг
  3. Измельчение
  4. Приготовление пресс-порошков
  5. Формование изделий
  6. Сушка и удаление связок
  7. Спекание при высоких температурах

В общем случае керамический материал может состоять из нескольких фаз. Основными фазами являются кристаллическая одна или несколько и стекловидная, кроме того присутствует определённое количество воздушных включений. Основные свойства керамики - диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность в значительной степени определяется кристаллической фазой. Главными химическими компонентами керамических материалов являются оксиды различных элементов и другие. Они образуют группу кислородосодержащей керамики.

Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу, она определяет технологические свойства керамики: температуру спекания, степень пластичности керамической массы при формовании. Различные типы керамики отличаются количеством кристаллической и стекловидной фаз в очень широких пределах. В некоторых типах керамики стеклофаза практически отсутствует.

Керамические материалы широко применяются в электронной технике. Керамические материалы, применяемые в качестве пассивных диэлектриков по техническому назначению подразделяются на конденсаторную и установочную.

Конденсаторная керамика должна иметь высокую диэлектрическую проницаемость, малый тангенс угла диэлектрических потерь, высокие электрическую и механическую прочность, термостойкость.

Основу низкочастотной конденсаторной керамики составляют титанат бария  и твёрдые растворы с сегнетоэлектрическими свойствами. Конденсаторная сегнетокерамика обладает очень высокой диэлектрической проницаемостью от 900 до 8000, которая, однако, не отличается высокой температурной стабильностью и зависит от частоты и напряжённости электрического поля, Установочную керамику применяют для изготовления различного рода изоляторов и конструкционных деталей, держателей каркасов подложек интегральных схем. Например, из корундовой керамики, в состав которой входит более , изготавливают основание плоских корпусов микросхем, кристаллодержателей, подложки для толстоплёночных интегральных схем.

Разновидностью керамики на основе  является поликор, который обладает особо плотной структурой, что позволяет обеспечить очень высокую частоту обработки его поверхности.

Бериллиевая керамика называется брокерит, обладает очень высокой теплопроводностью на уровне теплопроводности алюминия. Она применяется для изготовления подложек и корпусов интегральных схем с высоким тепловыделением. Недостаток её – высокая токсичность , поэтому эту керамику стараются заменить другими высоко теплопроводящими керамическими материалами, например на бескислородную керамику на основе нитрида бора . Называется такая керамика боразон.

Диэлектрические материалы с высоким значением

К диэлектрическим материалам с высоким значением относятся материалы, у которых  превышает значение для , которое находится в диапазоне 3,9-4,2. В настоящее время в микроэлектронике они имеют следующие основные области применения:

  1. Подзатворный диэлектрик в полевых МОП транзисторах логических интегральных схем
  2. Диэлектрик конденсаторов в ячейках памяти запоминающих устройств

В течение более 40 лет по настоящее время основным материалом диэлектриков конденсаторов и затворов транзисторов является . Однако по мере увеличения степени интеграции размеры ячеек памяти динамических запоминающих устройств постоянно уменьшаются, при этом постоянно уменьшается и толщина подзатворного изолирующего слоя транзистора. Уменьшает и площадь занимаемая конденсаторами хранения информации, поэтому необходимо уменьшать толщину диэлектрика между обкладками конденсатора для сохранения ёмкости конденсаторов. В результате для уровня технологии 90 нм в полевых транзисторах логических интегральных схем толщина подзатворного термического диоксида кремния уменьшилась до критически малого значения 1,2-1,8 нм. Такие малые толщины подзатворного  приводит к возникновению ряда проблем:

  1. Из-за эффекта прямого туннелирования через тонкий оксид возрастают токи утечки. При толщине подзатворного диоксида кремния менее 1 нм туннельные токи утечки через затвор растут по экспоненте, и резко увеличивается тепловыделение. В современных чипах до 40% энергии может теряться из-за утечек. Это делает принципиально невозможным создание быстродействующих транзисторов меньших размеров.
  2. Увеличивается диффузионное проникновение бора из высоколегированного поликремния затвора p-типа в область канала, что приводит к нежелательному сдвигу порогового напряжения.
  3. Несмотря на высокое легирование поликремниевых затворов, возникающее сильное электрическое поле, прикладываемое к тонкому подзатворному оксиду, приводит к образованию обеднённой области в поликремнии на границе раздела поликремний-, а это увеличивает эффективную толщину оксида и приводит к нестабильной работе интегральных схем. Поэтому легированный поликремний затвора должен быть заменён более высоко проводящими материалами, такими как тугоплавкие металлы и их нитриды, однако в полной мере это проблему не решает.

В связи с перечисленными проблемами возникла необходимость в замене в транзисторах и ячейках памяти на диэлектрик с более высоким значением . Увеличение  диэлектрика по сравнению с  позволяет пропорционально увеличить его толщину, при этом сохраняются величина ёмкости и характеристики транзистора, а токи утечки уменьшаются.

Перспективными материалами в качестве подзатворного диэлектрика являются , также их комбинации  и их соединения типа алюминатор , силикатор , алюмооксинитридов  и кремний оксинитридов .

В конденсаторах ячеек памяти динамических оперативных запоминающих устройств необходимо использовать такие диэлектрики как . Однако замена диоксида кремния связана с решением ряда серьёзных технологических проблем. Проблемы при использовании таких диэлектриков является переход из аморфного в кристаллическое состояние при относительно низких температурах и утечки по границам зёрен. Кроме того возможно взаимодействие нового подзатворного диэлектрика с поликристаллическим кремнием, используемым в настоящее время в качестве проводящего материала самого затвора, в результате увеличивается пороговое напряжение из-за чего становится невозможным использовать стандартные низкие рабочие напряжения порядка 1 В. Поэтому затвор транзистора должен быть выполнен из металла, совместимого с материалом подзатворного диэлектрика. Требуется использование высокоточных методов нанесения диэлектрика, таких как метод атомного слоевого осаждения. В этом методе плёнка наносится последовательными слоями атомной толщины.

Несмотря на существующие технологические проблемы, компания Intel уже изготовила транзисторы с размерами 45 нм, при этом использовались подзатворный диэлектрик  и металлический затвор. Токи утечки удалось снизить на два порядка. Этот технологический прорыв рассматривается в настоящее время как одно из самых радикальных изменений в структуре транзистора, начиная с 60 годов XX века. Благодаря этому становится реальным производство микросхем с нормами не только 45 нм, но и 32 и даже 22 нм. Подобная технология может быть использована при изготовлении флэш-памяти.

Диэлектрические материалы с низким значением

С увеличением степени интеграции и уменьшением ширины линии менее 25 микрон время задержки, обусловленное – цепочкой начинает определять быстродействие интегральной схемы. Решением проблемы может быть использование новых материалов и технологий.

Такими материалами являются медь, удельное сопротивление которой приблизительно на 35% меньше чем у алюминия, и диэлектрические материалы с меньшим, чем у  .

Широко используемые диэлектрические плёнки на основе , осаждаемые плазмохимическим методом, имеют  3,9-4,2. По многим показателям – это идеальный диэлектрик для целой микроэлектроники, однако для интегральных схем с шириной разводки 0,25 микрон и 5-ю уровнями металлизации необходим диэлектрик с  порядка 3,5. Такой диэлектрик может быть получен за счёт модернизации старых технологических схем и осаждения фторированного . Однако для интегральных схем с шириной разводки 0,18 мкм и 5-6 уровнями металлизации требуется уже диэлектрик с  порядка 2,5. При дальнейшем уменьшении ширины разводки понадобиться диэлектрик с  меньше 2-х. Диэлектрические слои со значением  меньше 3,5 могут быть получены только за счёт использования новых материалов и разработки новых технологий.

В настоящее время в технологиях интегральных  схем уже применяются диэлектрики с пониженным значением  3,7-1,7. Используются и разрабатываются следующие материалы: фторированный  с  до 3,5, пористые материалы, прежде всего пористый , аморфный углерод,  в том числе фторированный, органические материалы и полимеры, неорганические полимеры и смеси органических и неорганических материалов.

Важное значение имеет разработка технологии фторирования диэлектрических материалов. Фтор имеет максимальную электроотицательность из всех элементов, поэтому образуемые им связи в мепньшей степени поляризуются в электрическом поле и поэтому можно получить меньшее значение .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71971. Мандрівка у королівство Здоров’я 56 KB
  Мета: формувати та закріплювати раніше набуті знання дітей про значення здоров’я, необхідності вести здоровий спосіб життя. Прищеплювати гігієнічні навички. Знайомити з народними традиціями збереження власного здоров’я.
71972. Життєвий та творчий шлях (на прикладі збірки «Людський вертеп») Марії Долі (Валерії Гуртовенко) 684 KB
  Тут народилась я і друзів маю В нім корені життя мої. Від слова жито яке означає той злакщо дає життя людям. Вже пізніше вона напише вірш Моїй няні і присвятить його їйлюдиніспогад про яку протягом всього життя повертатиме її в дитинство.
71973. ВЕСЕЛА МАСЛЯНА 78.5 KB
  Розвиток естетичних поглядів та смаків, що ґрунтуються на народній естетиці та найкращих надбаннях цивілізації. Виховання гармонійно розвиненої особистості з високим національно – культурним потенціалом, розвинутим почуттям прекрасного.
71974. ВІВАТ, МАТЕМАТИКА! 81.5 KB
  Доброго дня дорогі друзі Я рада вітати всіх хто знає математику хто любить математику хто в майбутньому спиратиметься на знання одержані в школі. Ведучий: Сьогодні будуть незвичайні уроки математики.
71975. Счастливый случай в математике 67.5 KB
  Цели: Повышение интереса к изучению математики, развитие творческих способностей учащихся, логического мышления. Обучение решению арифметических задач различного типа. Формирование приемов умственной и исследовательской деятельности. Воспитание интереса навыков учебного труда.
71976. Неделя математики. Брейн – ринг для учащихся 9-х классов 45.5 KB
  Первыми садятся за игровой стол команды, которым досталась фишка с номером 1. После игры проигравшие покидают игровой стол, а их место занимает команда № 2. И так далее. Жюри фиксирует количество выигранных боёв и количество отгаданных вопросов, определяет победителей.
71977. МАТЕМАТИЧНИЙ КВК (для 5-6 кл.) 120 KB
  Мета: розвивати логічне мислення, кмітливість, культуру математичного мовлення, пам’ять, виховувати вміння і навички міркування, самостійність, інтерес до предмета, впевненість у собі. Формувати соціальні, полікультурні, комунікативні та інформаційні компетентності.
71978. Математична мозаїка 52.5 KB
  Людина із задоволенням працює, якщо захоплена роботою та любить її. Уміння бачити цікаве і дивуватися приносить дітям радість, стимулює до творчих пошуків, розвиває уяву, що особливо важливо на уроках математики. Таке вміння потрібно виховувати і розвивати в учнів систематично як на уроках, так і в позакласній роботі.