MIM測試結(jié)構(gòu)表征介電薄膜高頻特性的研究分析

秦 臻，陳文彬，王曉磊，楊道國，蔡 苗

（桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

MIM測試結(jié)構(gòu)表征介電薄膜高頻特性的研究分析

秦 臻，陳文彬，王曉磊，楊道國，蔡 苗

（桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

采用金屬-絕緣體-金屬（MIM）測試結(jié)構(gòu)表征薄膜高頻特性時，差動法能有效地剝離測量過程中寄生效應(yīng)對表征結(jié)果的消極影響。為此，借助仿真軟件ADS深入探究了差動法中不同內(nèi)徑的結(jié)構(gòu)組合，以及結(jié)構(gòu)中底部電極的厚度和材料對表征結(jié)果的影響。結(jié)果表明：組合DM65-55（兩個結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑分別為65 μm和55 μm）能較大限度剝離寄生效應(yīng)的影響，其表征精度高達98.7%；底部電極厚度為0.1 μm時，能得到較理想的表征結(jié)果；底部電極材料的改變對損耗角正切值的計算影響較大，其均值隨著材料的電阻率減小而減小。

介電表征；MIM結(jié)構(gòu)；寄生效應(yīng)；S參數(shù)；介電常數(shù)；損耗角正切值

通信系統(tǒng)應(yīng)用中，隨著單片微波集成電路的發(fā)展，無源元件與組件必須具備良好的性能和足夠小的尺寸，以及與其他電路的可兼容性[1]。為了滿足這些苛刻而又無法回避的要求，高k介電薄膜得到了廣泛的應(yīng)用。而應(yīng)用這些薄膜之前，精確表征其介電特性必不可少。在微波范圍內(nèi)使用 S參數(shù)對薄膜進行表征通常有兩種方法，即共面波導(dǎo)傳輸線法[2]和MIM（Metal-Insulator-Metal）電容器法[3]。介電常數(shù)和介電損耗角正切值是兩個主要的表征參數(shù)。由于MIM測試結(jié)構(gòu)制備簡單、占用空間較少且容易實現(xiàn)硅基上可調(diào)器件的集成[4-5]，因此受到眾多研究者的青睞。

1998年馬正祥教授最早提出了MIM測試結(jié)構(gòu)[3]。隨后被應(yīng)用于各種高介電常數(shù)薄膜的表征，如Pb(Zrx,Ti1-x)O3(PZT) ， BST(Ba1-xSrxTiO3) 和Pb(Mg0.33Nb0.67)0.65Ti0.35O3(PMNT)[6-8]等。隨著表征頻率的升高，測量過程中的寄生效應(yīng)變得更為明顯。因此，有效地剝離寄生效應(yīng)的影響是表征薄膜介電特性的關(guān)鍵。不少的文獻[3,6-7]對測試結(jié)構(gòu)的電路特性進行了分析，并采用差動法對寄生效應(yīng)進行處理，即對兩個內(nèi)徑不同的結(jié)構(gòu)進行測量，然后將其阻抗進行相減消除外部接地部分，如圖1中（G）對表征結(jié)果的影響。然而，至今存在較少文獻詳細探究采用差動法時不同的結(jié)構(gòu)組合是否對表征結(jié)果造成影響。因此，為了幫助器件設(shè)計者更好地了解薄膜的介電性能和提高介電表征的精確性。本文將SiO2薄膜作為主要研究對象，在100 kHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)對其進行了表征。借助微波仿真軟件 ADS（Advance Design System）建立了一系列內(nèi)徑不同的MIM測試模型，并對仿真得到的S11參數(shù)進行了整理和分析，證實了差動法的有效性，選出了采用差動法時較優(yōu)的結(jié)構(gòu)組合。此外，還探究了底部電極厚度和材料對表征結(jié)果的影響。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿真模型主要由五層結(jié)構(gòu)組成，如圖 1所示。被表征的薄膜夾在上下電極之間，其相對介電常數(shù)為 3.9，損耗角正切值為 0.001。此外，在器件最頂層設(shè)計了0.2 μm的Au層（圖中未畫出）是為了改善實際測量過程中探針與頂部電極的電接觸性能。表1為MIM結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)。

圖1 MIM結(jié)構(gòu)橫截面圖和俯視圖Fig.1 The cross section and the top view of the MIM structure

表1 表征結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of characterization structure

提取 S11參數(shù)通過式（1）轉(zhuǎn)為整個器件的總阻抗[9]：

隨后通過式（2）和式（3）求解薄膜的相對介電常數(shù)和損耗角正切值：

然而，高頻時寄生效應(yīng)不可忽略不計，因此直接使用提取的數(shù)據(jù)、介電層厚度t和中心圓面積A來計算薄膜的介電參數(shù)會存在較大誤差。

2 理論分析

高頻范圍內(nèi)表征薄膜時，差動法（Differential Method，DM）能夠有效地減弱寄生效應(yīng)帶來的消極影響。該方法主要是對兩個不同內(nèi)徑的MIM結(jié)構(gòu)進行測量，然后將二者的阻抗進行作差，最后得到薄膜的介電參數(shù)。在微波頻率范圍內(nèi)，需要考慮測試件的分布參數(shù)效應(yīng)，分析其電路特性得到相應(yīng)的等效電路模型如圖2所示。

圖2 簡化的等效電路模型Fig.2 The simplified equivalent circuit model of the structure

式（4）中，C1，R1分別表示頂部圓形電極與底部電極之間的電容和電阻；C2，R2分別表示頂部接地電極和底部電極之間的電容和電阻；Rs是底部介于內(nèi)圓與外環(huán)之間的電阻。因此，可得：

由于整個電路的特性主要由小電容C1控制，并且外環(huán)電容C2和電阻R2皆具有很強的頻率依賴特性[3]，不易計算。需要采用差動法來剝離外環(huán)電容器對表征結(jié)果的消極影響，對兩個不同內(nèi)徑（分別為a1和a2）的結(jié)構(gòu)進行測量，然后將兩者的阻抗相減得到式（5）：

這樣通過式（5）可以對介電常數(shù)進行更加精確的計算。而損耗角正切值可以由作差后的阻抗代入式（3）得到。

3 結(jié)果與討論

3.1 內(nèi)徑尺寸探究

借助微波仿真軟件 ADS，首先建立兩個尺寸分別為600-85-65與600-85-45（如圖1，依次表示c，b和a的大小，單位為μm）的MIM測試模型，分別記作a65和a45。底部電極暫設(shè)為0.1 μm的Pt，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 內(nèi)徑為45 μm和65 μm結(jié)構(gòu)的S11參數(shù)仿真值Fig.3 The simulation S11parameters of the structures with different inner radii of 45 μm and 65 μm, respectively

直接使用式（2）和式（3）計算薄膜介電參數(shù)與采用差動法得到的結(jié)果對比如圖4和圖5所示。

圖4 差動法前后介電常數(shù)值對比Fig.4 The comparison of dielectric constant before and after employing differential method

從圖 4可以看出，使用差動法可以明顯提高表征的精確性。與單獨采用內(nèi)徑為65 μm的結(jié)構(gòu)相比，差動法得到的介電常數(shù)值（均值）相對提高了3%左右；而損耗角正切值（均值）相對降低了 65%，如圖 5所示。對于損耗角正切值的計算，當(dāng)頻率高于100 MHz后差動法顯出較為明顯的優(yōu)勢。

圖5 差動法前后損耗角正切值對比Fig.5 The comparison of loss tangent before and after employing differential method

為了探究差動法中不同內(nèi)徑的結(jié)構(gòu)組合對表征精度的影響，筆者特意設(shè)計一系列的仿真模型，現(xiàn)列舉幾個典型的例子加以說明。首先，主體結(jié)構(gòu)的尺寸選擇為600-85-65（單位μm），并保持不變。被減結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑分別取值為55，45，35，25 μm。差動法相應(yīng)的 4個組合分別是：DM65-55，DM65-45，DM65-35，DM65-25（DMa1-a2表示使用內(nèi)徑為 a1和a2的兩個結(jié)構(gòu)實施差動法）。

如圖 6所示，不同的結(jié)構(gòu)組合得到的相對介電常數(shù)值存在略微的差異。其中，DM65-55的結(jié)果比DM65-25的結(jié)果提高了8.7%。四個組合中DM65-55的計算結(jié)果最為理想，其均值為 3.85，精確度高達98.7%。

圖6 不同組合得到的相對介電常數(shù)Fig.6 The dielectric constant of the different combinations

由式（5）可知，在某個確定的頻率點處，相對介電常數(shù)的計算公式為：

圖 7為差動法中不同結(jié)構(gòu)組合時損耗角正切值的比較。其結(jié)果按照組合 DM65-55，DM65-45，DM65-35和DM65-25的順序遞減，但遞減的幅度并不是很大。DM65-55得到的均值為0.001 1，已經(jīng)在可以接受的范圍之內(nèi)。此外，當(dāng)頻率接近1 GHz時，損耗角正切值均呈上升趨勢。這說明高頻時，器件的損耗變得明顯。

圖7 不同組合得到的損耗角正切值Fig.7 The loss tangent of the different combinations

3.2 底部電極厚度探究

底部電極具有支撐被表征薄膜的作用，同時影響著整個器件的損耗。采用 3.1節(jié)得到的較優(yōu)組合DM65-55對底部電極厚度進行探究，將t3依次設(shè)為0.2，0.15，0.1，0.05 μm），其他尺寸保持不變。采用差動法對仿真數(shù)據(jù)進行分析得到的結(jié)果如圖8，圖9所示。

由圖 8可知，底部電極厚度的改變對介電常數(shù)的計算所產(chǎn)生的影響較小，其均值為 3.82～3.85。對于組合DM65-55來說，當(dāng)t3=0.1 μm時，得到的結(jié)果與參考值最為接近。

圖 9中損耗角正切值的大小隨著厚度的增加而減小（尤其是在100 MHz之后）。這是由于單個結(jié)構(gòu)的S11隨厚度增大而增大的緣故，如圖 10所示。單端口測量中S11代表能量的傳輸，其值越大表示損耗越小。但是底部電極的厚度不能一味地增加，一方面過大的厚度會影響到介電常數(shù)的計算，另一方面厚度過大時底部電極與待測薄膜之間很可能會出現(xiàn)剝落現(xiàn)象[10]。綜上所述，t3較合適的取值為0.1 μm。

圖8 不同底部電極厚度對介電常數(shù)值的影響Fig.8 The effect of the thinness of bottom electrode on dielectric constant

圖9 不同底部電極厚度對介損耗角正切值的影響Fig.9 The effect of the thinness of bottom electrode on loss tangent

圖10 （a）內(nèi)徑為55 μm的結(jié)構(gòu)的S11參數(shù)；（b)內(nèi)徑為65 μm的結(jié)構(gòu)的S11參數(shù)Fig.10 （a）S11parameter of the structure with 55 μm radius, （b）S11parameter of the structure with 65 μm radius

3.3 底部電極材料探究

將底部電極厚度統(tǒng)一設(shè)置為 0.1 μm，其材料依次改為Au，Al，Cu。對DM65-55組合中相應(yīng)的模型進行仿真，將其仿真分析的結(jié)果與在3.1節(jié)中底部電極為Pt的結(jié)果進行對比，如圖11，12所示。由圖11可知，底部電極材料的改變對介電常數(shù)的計算影響甚小，但損耗角正切值的結(jié)果與之不同，如圖 12所示。

圖11 不同底部電極材料對相對介電常數(shù)的影響Fig.11 The effect of the different materials of bottom electrode on dielectric constant

底部電極的電阻對損耗角正切值的計算有著至關(guān)重要的影響，因此電極材料的改變會影響到損耗角正切值的結(jié)果。隨著電極材料電阻率增加（ρPt＞ρAl＞ρAu＞ρCu），損耗角正切值增加。其中，Pt作為底部電極的結(jié)果幾乎是Cu為底部電極的結(jié)果的1.5倍（均值比較）。造成這種現(xiàn)象主要是由于底部電極電阻過高所致[3,11]。因此，若表征薄膜過程中損耗角正切值計算過高，可以考慮選擇導(dǎo)電性較好的材料作為底部電極，否則在表征過程中必須考慮底部電極電阻的影響，并采用相應(yīng)方法進行剝離[11]。

圖12 不同底部電極材料對損耗角正切值的影響Fig.12 The effect of the different materials of bottom electrode on loss tangent

4 結(jié)論

借助微波仿真軟件ADS，在100 kHz～1 GHz的頻率范圍內(nèi)對SiO2薄膜進行了表征。通過改變差動法中不同內(nèi)徑的模型組合，以及模型中底部電極的厚度和材料，并對仿真數(shù)據(jù)進行整理分析，得到如下結(jié)論：

（1）差動法的實施能有效剝離外電容器對表征結(jié)果的影響，并且不同內(nèi)徑的結(jié)構(gòu)組合對寄生效應(yīng)剝離的程度不同。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)選擇為600-85-65（單位μm）時，被減結(jié)構(gòu)內(nèi)徑應(yīng)取值為55 μm，即組合DM65-55能較大限度地剝離寄生效應(yīng)的影響；

（2）底部電極厚度的改變對表征的結(jié)果有所影響，厚度的增加能有效地減小整個器件的損耗。在組合DM65-55中，考慮到介電常數(shù)計算的準確性和器件制備的可能性，底部電極厚度取值為0.1 μm較為合理。

（3）底部電極的材料對損耗角正切值的計算有著至關(guān)重要的影響，其值隨底部電極材料的導(dǎo)電性升高而降低。因此，在薄膜表征過程中當(dāng)損耗角正切值過高時可以考慮換用導(dǎo)電率較強的電極材料，否則需要采取適當(dāng)?shù)姆椒▌冸x出電極電阻的影響。

[1] GEVORGAIN S. Ferroelectrics in microwave devices, circuits and systems [M]. London: Springer, 2009.

[2] WANG Z Y, LIU J S, LIU L T. Permittivity measurement of Ba0.5Sr0.5TiO3ferroelectric thin films on multilayered silicon substrates [J]. IEEE Trans Instrum Meas, 2006, 55(1): 350-356.

[3] MA Z, BECKER A J, POLAKOS P, et al. RF measurement technique for characterizing thin dielectric films [J]. IEEE Trans Electron Devices, 1998, 45(8): 1811-1816.

[4] VOROBIEV A, RUNDQVIST P, KHAMCHANE K, et al. Silicon substrate integrated high Q-factor parallel-plate ferroelectric varactors for microwave/millimeterwave applications [J]. Appl Phys Lett, 2003, 83(15): 3144-3146.

[5] AHAMED F, SUBRAMANYAM G. A Si MMIC compatible ferroelectric varactor shunt switch for microwave applications [J]. IEEE Microwave Compon Lett, 2005, 15(11): 739-741.

[6] MIN D, HOIVIK N, HANKE U. Characterization of dielectric and acoustic properties of CSD PZT thin films at high frequencies [J]. J Electroceram, 2012, 28(1): 53-61.

[7] SHENG S, WANG P, ZHANG X Y, et al. Characterization of microwave dielectric properties of ferroelectric parallel plate varactors [J]. J Phys D: Appl Phys, 2008, 42(1): 15501-15505.

[8] CHEN W, MCCARTHY K G, MATHEWSON A, et al. Capacitance and S-parameter techniques for dielectric characterization with application to high-k PMNT thin-film layers [J]. IEEE Trans Electron Devices, 2012, 59(6): 1723-1729.

[9] POZAR D M. Microwave engineering [M]. New York, USA: Wiley, 2012.

[10] GREGORY T S, CRAIG R, JEFFREY F R, et al. Thick electrodes for high frequency high Q tunable ferroelectric thin film varactors [J]. Integr Ferroelectr, 2001, 39(1): 321-330.

[11] KIM Y, OH J, KIM T G, et al. Influence of the microstructures on the dielectric properties of ZrTiO4thin films at microwave [J]. Jpn J Appl Phys, 2001, 40(1): 4599-4603.

（編輯：曾革）

High frequency characterization of dielectric film through MIM structures

QIN Zhen, CHEN Wenbin, WANG Xiaolei, YANG Daoguo, CAI Miao

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China)

The negative parasitic effect on the results can be effectively eliminated through the differential method, when employing MIM test structure to characterise the high-frequency properties of thin films. Therefore, the effect of different structure combinations with different inner radii, as well as different thinness and materials of bottom electrode in the structures, on the characterization results were deeply investigated by the simulation software ADS (Advance Design System). The results indicate that the parasitics can be eliminated to the greatest extent when using the structure combination DM65-55 (two structures with different inner radii of 65 μm and 55 μm), and the accuracy of characterization can reach 98.7%. And better results could be obtained when the thinness of bottom electrode is 0.1 μm. Besides, the variation of bottom electrode materials has an effect on the loss tangent value and the average value becomes lower with the lower resistivity of bottom electrode.

dielectric characterization; MIM structure; parasitic effect; S-parameter; dielectric constant; loss tangent

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.007

TN304

A

1001-2028（2016）12-0031-05

2016-10-17

陳文彬

國家自然科學(xué)基金資助項目（No. 61361004）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃資助項目（No. 桂科轉(zhuǎn)14124005-1-7）

陳文彬（1983-），男，廣西桂林人，副教授，主要從事微電子器件及材料方面的研究，E-mail: cwb0201@163.com ；秦臻（1991-），女，廣西桂林人，研究生，研究方向為微波材料電學(xué)性能表征，E-mail:suninrain2016@sina.com 。

時間：2016-11-29 11:30:53

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1130.007.html