MIM测试结构表征介电薄膜高频特性的研究分析

秦 臻，陈文彬，王晓磊，杨道国，蔡 苗

（桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004）

MIM测试结构表征介电薄膜高频特性的研究分析

秦 臻，陈文彬，王晓磊，杨道国，蔡 苗

（桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004）

采用金属-绝缘体-金属（MIM）测试结构表征薄膜高频特性时，差动法能有效地剥离测量过程中寄生效应对表征结果的消极影响。为此，借助仿真软件ADS深入探究了差动法中不同内径的结构组合，以及结构中底部电极的厚度和材料对表征结果的影响。结果表明：组合DM65-55（两个结构的内径分别为65 μm和55 μm）能较大限度剥离寄生效应的影响，其表征精度高达98.7%；底部电极厚度为0.1 μm时，能得到较理想的表征结果；底部电极材料的改变对损耗角正切值的计算影响较大，其均值随着材料的电阻率减小而减小。

介电表征；MIM结构；寄生效应；S参数；介电常数；损耗角正切值

通信系统应用中，随着单片微波集成电路的发展，无源元件与组件必须具备良好的性能和足够小的尺寸，以及与其他电路的可兼容性[1]。为了满足这些苛刻而又无法回避的要求，高k介电薄膜得到了广泛的应用。而应用这些薄膜之前，精确表征其介电特性必不可少。在微波范围内使用 S参数对薄膜进行表征通常有两种方法，即共面波导传输线法[2]和MIM（Metal-Insulator-Metal）电容器法[3]。介电常数和介电损耗角正切值是两个主要的表征参数。由于MIM测试结构制备简单、占用空间较少且容易实现硅基上可调器件的集成[4-5]，因此受到众多研究者的青睐。

1998年马正祥教授最早提出了MIM测试结构[3]。随后被应用于各种高介电常数薄膜的表征，如Pb(Zrx,Ti1-x)O3(PZT) ， BST(Ba1-xSrxTiO3) 和Pb(Mg0.33Nb0.67)0.65Ti0.35O3(PMNT)[6-8]等。随着表征频率的升高，测量过程中的寄生效应变得更为明显。因此，有效地剥离寄生效应的影响是表征薄膜介电特性的关键。不少的文献[3,6-7]对测试结构的电路特性进行了分析，并采用差动法对寄生效应进行处理，即对两个内径不同的结构进行测量，然后将其阻抗进行相减消除外部接地部分，如图1中（G）对表征结果的影响。然而，至今存在较少文献详细探究采用差动法时不同的结构组合是否对表征结果造成影响。因此，为了帮助器件设计者更好地了解薄膜的介电性能和提高介电表征的精确性。本文将SiO2薄膜作为主要研究对象，在100 kHz～1 GHz频率范围内对其进行了表征。借助微波仿真软件 ADS（Advance Design System）建立了一系列内径不同的MIM测试模型，并对仿真得到的S11参数进行了整理和分析，证实了差动法的有效性，选出了采用差动法时较优的结构组合。此外，还探究了底部电极厚度和材料对表征结果的影响。

1 结构设计

仿真模型主要由五层结构组成，如图 1所示。被表征的薄膜夹在上下电极之间，其相对介电常数为 3.9，损耗角正切值为 0.001。此外，在器件最顶层设计了0.2 μm的Au层（图中未画出）是为了改善实际测量过程中探针与顶部电极的电接触性能。表1为MIM结构的具体参数。

图1 MIM结构横截面图和俯视图Fig.1 The cross section and the top view of the MIM structure

表1 表征结构的基本参数Tab.1 Basic parameters of characterization structure

提取 S11参数通过式（1）转为整个器件的总阻抗[9]：

随后通过式（2）和式（3）求解薄膜的相对介电常数和损耗角正切值：

然而，高频时寄生效应不可忽略不计，因此直接使用提取的数据、介电层厚度t和中心圆面积A来计算薄膜的介电参数会存在较大误差。

2 理论分析

高频范围内表征薄膜时，差动法（Differential Method，DM）能够有效地减弱寄生效应带来的消极影响。该方法主要是对两个不同内径的MIM结构进行测量，然后将二者的阻抗进行作差，最后得到薄膜的介电参数。在微波频率范围内，需要考虑测试件的分布参数效应，分析其电路特性得到相应的等效电路模型如图2所示。

图2 简化的等效电路模型Fig.2 The simplified equivalent circuit model of the structure

式（4）中，C1，R1分别表示顶部圆形电极与底部电极之间的电容和电阻；C2，R2分别表示顶部接地电极和底部电极之间的电容和电阻；Rs是底部介于内圆与外环之间的电阻。因此，可得：

由于整个电路的特性主要由小电容C1控制，并且外环电容C2和电阻R2皆具有很强的频率依赖特性[3]，不易计算。需要采用差动法来剥离外环电容器对表征结果的消极影响，对两个不同内径（分别为a1和a2）的结构进行测量，然后将两者的阻抗相减得到式（5）：

这样通过式（5）可以对介电常数进行更加精确的计算。而损耗角正切值可以由作差后的阻抗代入式（3）得到。

3 结果与讨论

3.1 内径尺寸探究

借助微波仿真软件 ADS，首先建立两个尺寸分别为600-85-65与600-85-45（如图1，依次表示c，b和a的大小，单位为μm）的MIM测试模型，分别记作a65和a45。底部电极暂设为0.1 μm的Pt，仿真结果如图3所示。

图3 内径为45 μm和65 μm结构的S11参数仿真值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）计算薄膜介电参数与采用差动法得到的结果对比如图4和图5所示。

图4 差动法前后介电常数值对比Fig.4 The comparison of dielectric constant before and after employing differential method

从图 4可以看出，使用差动法可以明显提高表征的精确性。与单独采用内径为65 μm的结构相比，差动法得到的介电常数值（均值）相对提高了3%左右；而损耗角正切值（均值）相对降低了 65%，如图 5所示。对于损耗角正切值的计算，当频率高于100 MHz后差动法显出较为明显的优势。

图5 差动法前后损耗角正切值对比Fig.5 The comparison of loss tangent before and after employing differential method

为了探究差动法中不同内径的结构组合对表征精度的影响，笔者特意设计一系列的仿真模型，现列举几个典型的例子加以说明。首先，主体结构的尺寸选择为600-85-65（单位μm），并保持不变。被减结构的内径分别取值为55，45，35，25 μm。差动法相应的 4个组合分别是：DM65-55，DM65-45，DM65-35，DM65-25（DMa1-a2表示使用内径为 a1和a2的两个结构实施差动法）。

如图 6所示，不同的结构组合得到的相对介电常数值存在略微的差异。其中，DM65-55的结果比DM65-25的结果提高了8.7%。四个组合中DM65-55的计算结果最为理想，其均值为 3.85，精确度高达98.7%。

图6 不同组合得到的相对介电常数Fig.6 The dielectric constant of the different combinations

由式（5）可知，在某个确定的频率点处，相对介电常数的计算公式为：

图 7为差动法中不同结构组合时损耗角正切值的比较。其结果按照组合 DM65-55，DM65-45，DM65-35和DM65-25的顺序递减，但递减的幅度并不是很大。DM65-55得到的均值为0.001 1，已经在可以接受的范围之内。此外，当频率接近1 GHz时，损耗角正切值均呈上升趋势。这说明高频时，器件的损耗变得明显。

图7 不同组合得到的损耗角正切值Fig.7 The loss tangent of the different combinations

3.2 底部电极厚度探究

底部电极具有支撑被表征薄膜的作用，同时影响着整个器件的损耗。采用 3.1节得到的较优组合DM65-55对底部电极厚度进行探究，将t3依次设为0.2，0.15，0.1，0.05 μm），其他尺寸保持不变。采用差动法对仿真数据进行分析得到的结果如图8，图9所示。

由图 8可知，底部电极厚度的改变对介电常数的计算所产生的影响较小，其均值为 3.82～3.85。对于组合DM65-55来说，当t3=0.1 μm时，得到的结果与参考值最为接近。

图 9中损耗角正切值的大小随着厚度的增加而减小（尤其是在100 MHz之后）。这是由于单个结构的S11随厚度增大而增大的缘故，如图 10所示。单端口测量中S11代表能量的传输，其值越大表示损耗越小。但是底部电极的厚度不能一味地增加，一方面过大的厚度会影响到介电常数的计算，另一方面厚度过大时底部电极与待测薄膜之间很可能会出现剥落现象[10]。综上所述，t3较合适的取值为0.1 μm。

图8 不同底部电极厚度对介电常数值的影响Fig.8 The effect of the thinness of bottom electrode on dielectric constant

图9 不同底部电极厚度对介损耗角正切值的影响Fig.9 The effect of the thinness of bottom electrode on loss tangent

图10 （a）内径为55 μm的结构的S11参数；（b)内径为65 μm的结构的S11参数Fig.10 （a）S11parameter of the structure with 55 μm radius, （b）S11parameter of the structure with 65 μm radius

3.3 底部电极材料探究

将底部电极厚度统一设置为 0.1 μm，其材料依次改为Au，Al，Cu。对DM65-55组合中相应的模型进行仿真，将其仿真分析的结果与在3.1节中底部电极为Pt的结果进行对比，如图11，12所示。由图11可知，底部电极材料的改变对介电常数的计算影响甚小，但损耗角正切值的结果与之不同，如图 12所示。

图11 不同底部电极材料对相对介电常数的影响Fig.11 The effect of the different materials of bottom electrode on dielectric constant

底部电极的电阻对损耗角正切值的计算有着至关重要的影响，因此电极材料的改变会影响到损耗角正切值的结果。随着电极材料电阻率增加（ρPt＞ρAl＞ρAu＞ρCu），损耗角正切值增加。其中，Pt作为底部电极的结果几乎是Cu为底部电极的结果的1.5倍（均值比较）。造成这种现象主要是由于底部电极电阻过高所致[3,11]。因此，若表征薄膜过程中损耗角正切值计算过高，可以考虑选择导电性较好的材料作为底部电极，否则在表征过程中必须考虑底部电极电阻的影响，并采用相应方法进行剥离[11]。

图12 不同底部电极材料对损耗角正切值的影响Fig.12 The effect of the different materials of bottom electrode on loss tangent

4 结论

借助微波仿真软件ADS，在100 kHz～1 GHz的频率范围内对SiO2薄膜进行了表征。通过改变差动法中不同内径的模型组合，以及模型中底部电极的厚度和材料，并对仿真数据进行整理分析，得到如下结论：

（1）差动法的实施能有效剥离外电容器对表征结果的影响，并且不同内径的结构组合对寄生效应剥离的程度不同。当主体结构选择为600-85-65（单位μm）时，被减结构内径应取值为55 μm，即组合DM65-55能较大限度地剥离寄生效应的影响；

（2）底部电极厚度的改变对表征的结果有所影响，厚度的增加能有效地减小整个器件的损耗。在组合DM65-55中，考虑到介电常数计算的准确性和器件制备的可能性，底部电极厚度取值为0.1 μm较为合理。

（3）底部电极的材料对损耗角正切值的计算有着至关重要的影响，其值随底部电极材料的导电性升高而降低。因此，在薄膜表征过程中当损耗角正切值过高时可以考虑换用导电率较强的电极材料，否则需要采取适当的方法剥离出电极电阻的影响。

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（编辑：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

陈文彬

国家自然科学基金资助项目（No. 61361004）；广西科学研究与技术开发计划资助项目（No. 桂科转14124005-1-7）

陈文彬（1983-），男，广西桂林人，副教授，主要从事微电子器件及材料方面的研究，E-mail: cwb0201@163.com ；秦臻（1991-），女，广西桂林人，研究生，研究方向为微波材料电学性能表征，E-mail:suninrain2016@sina.com 。

时间：2016-11-29 11:30:53

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