迈克尔·N·格茨（Michael N. Getz）|阿贝莉亚·埃林森（Abélia Ellingsen）|鲁纳尔·达尔-汉森（Runar Dahl-Hansen）|恩里克·埃斯科贝多-库辛（Enrique Escobedo-Cousin）|埃利扎维塔·韦列什查吉娜（Elizaveta Vereshchagina）
挪威奥斯陆0314，SINTEF Digital的微系统与纳米技术系（MiNaLab）
摘要
随着对微型化和数字集成系统需求的增长，微机电系统（MEMS）在高压应用中的采用速度加快，这些应用包括电分离、微等离子体和电喷雾技术。由于这些应用通常在千伏（kV）范围内运行，介电可靠性成为设计中的关键考虑因素。本研究通过使用具有相似膜厚的电容测试结构，对热氧化硅（thermal SiO₂）、等离子体增强化学气相沉积氧化硅（plasma-enhanced chemical vapour deposition SiO₂）、低压化学气相沉积氮化硅（Low-pressure chemical vapour deposition SiNₓ）和原子层沉积（ALD）-氧化铝（ALD）-氧化铝（ALD-Al₂O₃）的击穿行为、泄漏电流和工艺兼容性进行了受控的对比分析。热氧化硅表现出最高的介电强度，54纳米厚的干氧化膜在高达24 MV/cm的电场下仍能保持稳定，但其≥1000°C的加工温度限制了后金属化阶段的兼容性。在低温选项中，ALD-Al₂O₃表现出最佳性能，其中一种工艺变体的中位击穿场强为14.8 MV/cm，中位泄漏电流为11 nA/cm²（在220°C下沉积并在450°C下退火的61纳米薄膜）。这些数值超过了同类厚度材料的已知数据，突显了介电性能对沉积和退火条件的敏感性。研究结果为选择确保高压MEMS应用中基板绝缘可靠性的介电材料提供了实际指导，同时兼顾了电气性能和制造限制。
引言
基于微机电系统（MEMS）技术的传感器、执行器和分析系统在数字化和微型化的推动下，在各种应用领域和市场中变得越来越重要。这一趋势也提高了对高度定制的MEMS组件及其可靠性的需求，包括在数百甚至数千伏特高压下工作的设备[1]。硅（Si）仍然是首选的基板材料，因为它在微观和纳米尺度上都有成熟的加工技术，并且适用于微型化集成。然而，可靠的介电绝缘对于将高压元件与基板及周围结构隔离开来至关重要。按工作电压递增顺序，基于硅的典型应用包括微型化电分离设备（40-300 V）[2, [3], [4]、微等离子体（1-3 kV）[2,5]和电喷雾接口（3-5 kV）[6,7]。介电材料不仅用于电气绝缘，还在MEMS中充当结构层、牺牲层、光学层、掩蔽层和封装层[8]。在高压应用中，这些材料的介电强度、热稳定性、机械完整性和工艺兼容性成为关键的可靠性指标。
本研究调查了六种常用薄膜介电材料的介电击穿特性：干法或湿法氧化生长的热氧化硅（thermal SiO₂）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）-氧化硅（PECVD-SiO₂）、原子层沉积（ALD）-氧化铝（ALD-Al₂O₃）和低压化学气相沉积（LPCVD）-氮化硅（LPCVD-SiNₓ）。所有材料的名义厚度约为60纳米。
热氧化硅（thermal SiO₂） 可以通过干法或湿法氧化制备。干法氧化生成的薄膜密度更高、质量更好，但介电强度较低；而湿法氧化生长速度快，但介电强度有所下降。通常会添加氯化氧化剂（如二氯乙烯（DCE）以防止硅晶圆受到炉内污染。
PECVD-SiO₂ 是一种低温制备方法，可以在金属层上沉积介电材料，适用于产生等离子体的设备。尽管缺陷密度和杂质含量较高，但由于其多功能性仍被广泛使用。
ALD-Al₂O₃ 是一种高介电常数的材料，具有优异的化学稳定性、紫外透明性和表面钝化性能[9, [10], [11], [12], [13]。其低温沉积特性使其能够与金属层集成（例如用于电极钝化）。ALD-Al₂O₃的性能显著受沉积温度、氧化剂选择以及沉积后退火参数的影响[14,15]。本研究在不同温度条件下使用水和臭氧作为氧化剂制备ALD-Al₂O₃薄膜，以评估其作为高压绝缘材料的适用性。
LPCVD-SiNₓ 因优异的绝缘性能、机械强度、热稳定性和化学稳定性[16,17]以及表面钝化特性而在半导体技术中得到广泛应用[18,19]。SiNₓ的击穿特性取决于其组成是富硅型还是化学计量型的Si₃N₄[20]。本研究使用的SiNₓ配方旨在获得接近化学计量比的组成。
尽管已有许多研究探讨了单种材料的介电性能，但在高压条件下使用一致测试结构对SiO₂、SiNₓ和Al₂O₃进行直接对比的研究仍较少。所有介电薄膜都是在受控条件下内部制备的，这使得本研究成为一项系统的基准测试。
随着沉积技术和工具的不断发展以及介电行为的复杂性，迫切需要更新有关介电材料击穿特性的数据，以服务于各种CMOS/MEMS应用的可靠性需求[8]。所研究的介电材料在现代设备和传感器中仍占据重要地位，因此额外的击穿数据对广大研究领域具有重要意义。此外，材料和沉积技术的最新进展，特别是我们获得的关于ALD沉积氧化铝的数据（这些数据较为罕见），为进一步研究提供了宝贵见解。本研究的目标是：(i) 制备用于介电击穿评估的标准化电容测试结构；(ii) 分析和比较六种广泛应用于高压MEMS的薄膜介电材料的室温泄漏电流和击穿行为；(iii) 提出基于基板绝缘可靠性的介电材料选择建议。研究结果为高压MEMS设计中的材料选择提供了支持。
制造过程
作为基板使用了直径150毫米、厚度675微米、电阻率为1-10 Ω·cm的P型硅（100）晶圆（来自丹麦Frederikssund的Topsil公司）。处理的晶圆数量列于表1中。在每个晶圆上制备了电容测试结构。首先在硅表面上热生长或沉积薄膜介电层，然后沉积并图案化铝顶层电极；底层电极则是未图案化的铝层，沉积在晶圆背面。
热氧化硅（thermal SiO₂）
评估了三种热生长氧化硅的IV特性：
• 干法氧化（54纳米 - 图2a，72纳米 - 图A2）
• 湿法氧化（61纳米 - 图2b，图A3）
• 添加DCE的干法氧化（61纳米 - 图A4）
所有热氧化硅薄膜表现出相似的整体IV特性：在约30伏以下时泄漏电流较低（<10 nA）；在30-50伏之间电流逐渐增加；最终在120-140伏附近发生指数级上升并导致击穿。观察到两种不同的击穿模式：
结论
本研究对用于高压MEMS应用的介电材料进行了比较评估，重点关注了击穿行为和工艺限制。热生长氧化硅（thermal SiO₂）表现出最佳的电气性能，具有较高的击穿场强（>20 MV/cm）和较低的泄漏电流，但其应用受到高加工温度和硅基板需要直接氧化的限制。ALD-Al₂O₃在电气性能和成本之间提供了最佳的平衡。
CRediT作者声明
迈克尔·N·格茨（Michael N. Getz）： 概念构思、方法论设计、数据分析、数据整理、初稿撰写、审阅与编辑、可视化
阿贝莉亚·埃林森（Abélia Ellingsen）： 数据分析、初稿撰写
鲁纳尔·达尔-汉森（Runar Dahl-Hansen）： 审阅与编辑、监督
恩里克·埃斯科贝多-库辛（Enrique Escobedo-Cousin）： 审阅与编辑、监督
埃利扎维塔·韦列什查吉娜（Elizaveta Vereshchagina）： 概念构思、撰写、审阅与编辑、监督、项目管理、资金筹集。
未引用参考文献
[43,46, [53], [54], [55]
CRediT作者贡献声明
迈克尔·N·格茨（Michael N. Getz）： 撰写、审阅与编辑、初稿撰写、可视化、方法论设计、数据分析、概念构思
阿贝莉亚·埃林森（Abélia Ellingsen）： 初稿撰写、数据分析
鲁纳尔·达尔-汉森（Runar Dahl-Hansen）： 审阅与编辑、监督
恩里克·埃斯科贝多-库辛（Enrique Escobedo-Cousin）： 审阅与编辑、监督
埃利扎维塔·韦列什查吉娜（Elizaveta Vereshchagina）： 撰写、审阅与编辑、监督、项目管理、资金筹集
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项目由Horizon Europe（项目协议编号101115028）资助。作者感谢D. C. H. Hoang（SINTEF Digital）和P. Wittendorp（SINTEF Digital）在测试结构制备方面的帮助；感谢G. Sordo（SINTEF Digital）和M. Povoli（SINTEF Digital）在测量设置方面的协助；感谢L. Breivik（SINTEF Digital）在介电材料击穿特性讨论中的宝贵意见；以及感谢J. G. E. Gardeniers（特文特大学）的评论。
打赏
