УДК 621.315.61
ГОРОХ Г.Г., ФЕЙЗУЛЛАЕВ Р.Э., КОШИН Ю.А.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ АНОДНОГО ОКСИДА
АЛЮМИНИЯ С ПОНИЖЕННОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ
Белорусский Государственный университет информатики и радиоэлектроники, РБ, г. Минск,
ул. П. Бровки 6, тел.: 2398047, fax: 2310914, e-mail: gorokh@bsuir.unibel.by
Разработка
новых
диэлектрических
материалов
с
пониженной
диэлектрической проницаемостью или низкоконстантных диэлектриков (НКД)
является одной из важнейших задач. Применение таких материалов позволит
значительно снизить емкостные связи между элементами и, тем самым, повысить
быстродействие разрабатываемых приборов. Пленки пористого анодного оксида
алюминия (АОА), характеризующиеся регулярной ячеисто-пористой структурой, в
которой диаметр пор и плотность расположения пор могут варьироваться в
зависимости от условий анодирования в пределах 10 - 200 нм и 1012 - 108 см-2,
соответственно, обладают высокими диэлектрическими свойствами и находят
широкое применение в микроэлектронике и оптоэлектронике. В настоящей работе
разработаны физико-химические методы модификации ячеисто-пористой структуры
путем увеличения объемной пористости пленок АОА, а также методы
капсулирования пор, и исследованы свойства этих пленок.
Экспериментальные образцы, представляли собой слои Al (99,99
%),
толщиной 1,5 мкм, напыленные в вакууме на ситалловые подложки. Пленки АОА
формировали методом электрохимического анодирования слоев Al в 0,4 М водных
растворах щавелевой (ЩК), малоновой (МК), ортофосфорной (ОФК), винной (ВК)
кислот (291+1 К) при постоянной плотности тока равной 6 мА/см2. Увеличение
объемной пористости пленок АОА, сформированного в различных электролитах,
осуществляли методом частичного химического растворения стенок оксидных ячеек
в 50 % растворе ортофосфорной кислоты. При этом время травления варьировалось
в зависимости от размеров диаметра и стенок ячеек от 5 до 180 мин. Температура
раствора поддерживалась равной 293 К. Структуры анодных оксидов изучали в

сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-806". Для измерения
электрофизических свойств АОА были изготовлены МДМ - структуры с размером
контактных площадок 22 мм2. Емкость тестовых структур и тангенс угла
диэлектрических потерь измеряли на измерителе емкости Е8-4 на частоте 1 кГц.
Пробивные напряжения и электрическую прочность, а также токи утечки АОА
регистрировали с помощью измерителя Л2-56. Диэлектрическую проницаемость
АОА определяли расчетным путем, используя данные измерений емкости
соответствующих структур.
В результате исследований установлено, что диэлектрические свойства пленок
анодного оксида Al2O3 определяются природой электролита анодирования Аl, а
диэлектрическая проницаемость исследуемых анодных оксидов может принимать
значения от 6,8 до 13,0. Экспериментальные данные представлены в таблице 1.
Наблюдается корре ляция изменений
Таблица 1
ЩК
МК
ОФК
ВК
исх.
45
125
210
230
Dп, нм
мод
65
245
290
335
Двойная
толщина исх.
60
180
200
330
стенок, нм.
мод
40
120
120
115
исх.
55
145
195
270
Толщина БОС, нм
мод
40
105
155
200
Плотность пор, см-2
1,27*1010
1,5*109 1,24*109
3,54*108
Объемная
исх.
19,05
15,72
34,55
10,73
пористость, %
мод
40,39
63,26
69,17
24,95
исх.
7,35
8,0
6,8
13,0

мод
4,1
4,2
4,0
4,5
исх.
2,4
2,8
2,6
3,1
Eпр*10-6,В/см
мод
1,5
2,1
2,5
3,2
исх.
7,0
8,0
6,0
9,2
tg *10-3
мод
15,0
6,0
7,2
12,0
от размеров структурных элементов пористого АОА, заключающаяся в том,
что пленки более крупноячеистого анодного оксида обладают и большей
диэлектрической проницаемостью. Поскольку увеличение размеров оксидных ячеек
и пор сопровождается уменьшением пористости АОА (соотношение объема пор и
объема оксидной пленки), то можно предположить, что увеличение в ряду оксидов

ОФКЩКМКВК обусловлено в определенной степени снижением их
пористости. Следует отметить, что вследствие специфического соотношения
диаметров пор и оксидных ячеек, ОФК - анодный оксид, имея крупноячеистую
структуру (между МК и ВК-АОА), обладает высокой пористостью, которая,
вероятно, и определяет его малое значение .
Анализ экспериментальных данных, полученных после технологических
операций по объемному увеличению пористости, показывает, что средний диаметр пор
в АОА линейно возрастает при увеличении времени травления. Одновременно
удвоенная толщина стенок оксидных ячеек уменьшается пропорционально времени
обработки. В табл. 1 приведены численные значения параметров пористой структуры
разных типов анодных оксидов до и после химической обработки и их
диэлектрические характеристики.
Исследования
морфологии
поверхности
пленок,
подвергнутых
технологической операции расширения пор, показали, что диаметры пор у
поверхности (входы в пору) оказываются меньше диаметров пор в объеме оксида.
Эта тенденция сохраняется до тех пор, пока толщина двойной стенки оксидных
ячеек составляет не менее 0,3 толщины стенок ячеек исходной пленки. До этого же
предела не происходит видимого ухудшения механической прочности пленок.
Сравнения диэлектрических параметров исходных пленок АОА и пленок,
подвергнутых технологической операции расширения пор, показали следующее.
Величины Е пр. достаточно высоки и сравнимы с электрической прочностью
беспористых барьерных оксидных пленок АОА и возрастают в ряду оксидов ЩК -
ОФК - МК - ВК. По-видимому, это обусловлено, с одной стороны
увеличивающейся в такой же последовательности толщиной барьерной оксидной
пленки, расположенной на дне пор АОА, а с другой - разным содержанием в
оксидах легирующих примесей из электролитов анодирования. Вместе с тем,
поскольку в оксидах после операции расширения пор барьерный оксидный слой
уменьшился почти в два раза, а электрическая прочность почти не изменилась, то
можно сделать заключение, что в МДМ-структурах с диэлектриком из
модифицированного АОА (оксида с увеличенной объемной пористостью) роль
диэлектрика выполняет не только барьерный оксидный слой, но и пористая часть

оксида - материал стенок ячеек и разреженный воздух в порах оксида. При этом
диэлектрические потери оксида до и после обработки практически не изменились
(расхождения в значения на уровне ошибки измерений). Токи утечки незначительно
увеличились после расширения пор и утонения толщины барьерного оксидного
слоя, но это увеличение не превышает нескольких процентов. Одновременно,
следует отметить, что диэлектрическая проницаемость модифицированного
диэлектрика уменьшилась в 2 - 2,5 раза и составляла величину 4,0 - 4,5 для всех
типов оксидов.
Таким образом, в результате проведенные исследований можно заключить,
что разработанные физико-химические методы увеличения пористости анодных
оксидных пленок позволили уменьшить их диэлектрическую проницаемость в 2 -
2,5 раза, по сравнению с исходными пленками без заметного снижения других
параметров, и создают предпосылки для формирования на их основе
низкоконстантных диэлектрических слоев для изделий микроэлектроники.