НОВЫЕ ДАННЫЕ О ЗАВИСИМОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ ПРОБОЯ ОТ ЧИСЛА ПРОБОЕВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье будут рассматриваться новые данные о зависимости напряжения пробоя от числа пробоев, а также возможные причины поведения того, что при каждом первом пробои при смене полярности происходит снижение электрической прочности.

Ключевые слова: пробой ТПК, МДМ – системы Al – SiO₂ – Al, отрицательный объемный заряд, смена полярности.

Тонкопленочные системы металл – диэлектрик – металл (ТПС МДМ) широко используются в микроэлектронике, в частности, в интегральных схемах.

Общеизвестен факт, что при пробое тонкопленочных конденсаторов (ТПК) наблюдается эффект «самозалечивания», заключающийся в том, что разрушение верхнего электрода происходит на площади большей, чем площадь диаметра канала пробоя в диэлектрике, канал пробоя изолируется от электрического поля и ТПС может функционировать дальше [1].

Поскольку ТПК после пробоя не закорачиваются, а продолжают функционировать. На одном ТПК можно производить десятки и даже сотни пробоев. При этом, в большинстве случаев наблюдается увеличение пробивного напряжения U_пр при увеличении числа пробоев на одном ТПК (рисунок 1) [2].

Рисунок 1. Зависимость U_пр от числа пробоев

Это связано с тем, что пробой происходит в наиболее слабом месте и с увеличением числа пробоев эти слабые места выбиваются. Но такая зависимость (рисунок 1) наблюдается при одинаковой полярности, например, верхнего электрода.

В проделанной работе были исследованы зависимости напряжения пробоя от количества пробоев при одной полярности, а также при смене полярности напряжения на электродах ТПК.

В качестве образцов использовалась МДМ – системы Al – SiO₂ – Al, с толщиной диэлектрика 190 нм, верхнего и нижнего электрода 80 нм.

Однако увеличение U_пр при увеличении числа пробоев наблюдается не всегда.

По результатам эксперимента были построены графики зависимости напряжения пробоя от их количества без смены полярности (рисунок 2) и при смене полярности электродов (рисунок 3).

Рисунок 2. Зависимость напряжения пробоя от количества пробоев при +ВЭ для одного ТПК

Из данного графика (рисунок 2) видно, что при увеличении количества пробоев, напряжение пробоя растет при одной полярности электродов (+ВЭ).

Рисунок 3. Зависимость напряжения пробоя от количества пробоев с учетом смены полярности на одном ТПК

Из данной зависимости (рисунок 3) видно, что при смене полярности уменьшается напряжение каждого первого пробоя.

Возможны две причины, объясняющие этот факт:

1) Опасное микроострие имеет большую напряженность электрического поля, но при положительной полярности тока эмиссии из него нет и пробой не происходит. При смене полярности эмиссионный ток достигает критической плотности даже при меньшей напряженности электрического поля на этом острие и поэтому U_пр ниже.

2) Вторая причина связана с поведением отрицательного объемного заряда (ООЗ), образующегося вблизи микроострия, находящемся под отрицательным потенциалом (рисунок 4). ООЗ уменьшает напряженность электрического поля на вершине отрицательного острия и увеличивает E_пр (рисунок 4 (а)). При смене полярности наблюдается скачок тока, связанный с образованием нового ООЗ (время образования ООЗ ), и разрушением ООЗ вблизи бывшего отрицательного острия (рисунок 4 (б)) [3].

Рисунок 4. Схематическое изображение образования и разрушения ООЗ: а) до смены полярности напряжения; б) сразу после смены полярности

На рисунке 4, стрелками показано направление эмиссионных токов при смене полярности.

В дальнейшем зависимость U_пр от числа пробоев стандартна: происходит увеличение U_пр при увеличении числа пробоев (рисунок 3).

Заключение:

В проделанной работе были исследованы зависимости напряжения пробоя от количества пробоев при одной полярности, а так же при смене полярности напряжения на электродах ТПК. Однако увеличение U_пр при увеличении числа пробоев наблюдается не всегда, как можно наблюдать в зависимостях без смены полярности. Обнаружено уменьшение первого значения U_пр после смены полярности.

Были предложены две основные причины, почему это может возникать: 1) при смене полярности эмиссионный ток достигает критической плотности даже при меньшей напряженности электрического поля на этом острие и поэтому U_пр ниже; 2) вторая причина связана с поведением отрицательного объемного заряда (ООЗ), образующегося вблизи микроострия.

Список литературы:

1. Воробьев Г.А., Мухачев В.А. Пробой тонких диэлектрических пленок. – М.: «Сов. радио», 1977. – 72 с.
2. Воробьев Г.А., Мухачев В.А., Руднев А.Н. О механизме пробоя диэлектрической пленки моноокиси кремния. – «ЖТФ», 1968. – 5 с.
3. Воробьев Г.А., Похолков Ю.П., Королев Ю.Д., Меркулов В.И. Физика диэлектриков (область сильных полей): учебное пособие. Изд – во Томского политехнического университета, 2011. – 245 с.