МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 6, с. 476-480
= ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ПРИБОРЫ
УДК 539.24;621.315.592;621.382.002;621.382.043.77.002
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КОНДЕНСАТОР НА ОСНОВЕ ТИТАНАТА-СТРОНЦИЯ, СФОРМИРОВАННОГО ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОДОМ
© 2015 г. Х. Сохраби Анараки, Н. В. Гапоненко, М. В. Руденко, В. В. Колос*, А. Н. Петлицкий*, А. С. Турцевич*
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
*ОАО "Интеграл" E-mail: nik@nano.bsuir.edu.by Поступила в редакцию 01.10.2014 г.
Синтезирован тонкопленочный сегнетоэлектрический конденсатор на подложке кремния. Основу конденсатора составляет многослойная пленка титаната стронция толщиной 280 нм, полученная золь—гель методом при температуре отжига 750°С. Нижний электрод сформирован из платины, верхний — из никеля. Среднее значение диэлектрической проницаемости составляет 153, средне-квадратическое отклонение — 12. Среднее значение тангенса угла диэлектрических потерь составляет 0.06, среднеквадратическое отклонение 0.01.
DOI: 10.7868/S0544126915050105
ВВЕДЕНИЕ
Технологии получения сегнетоэлектрических пленок титаната-стронция, 8гТЮ3, со структурой перовскита активно исследуются для формирования тонкопленочных конденсаторов. Титанат стронция привлекает внимание как материал с высоким значением диэлектрической проницаемостью и параэлектрической фазой в широком интервале температур. Проблема формирования тонкопленочных конденсаторов связана с числом отказов вследствие короткого замыкания между обкладками из-за дефектности осаждаемых пленок, электрического пробоя в местах микро-выступов нижнего электрода, возникновении трещин вследствие механических напряжений при отжиге и других технологических факторов. Значительное внимание уделяется золь—гель методу формирования пленок диэлектриков и полупроводников. В микроэлектронике для формирования пленок золь—гель методом (ксерогелей) применяется в основном метод центрифугирования, и типичная толщина однослойного покрытия на гладких подложках после высокотемпературной термообработки составляет 0.1—0.3 мкм [1—6]. Качество пленки, сформированной золь—гель методом, зависит от состава золя, способа нанесения, температуры и длительности термообработки. Для формирования тонкопленочных конденсаторов на основе титаната стронция формируют пленки толщиной около 500 нм [3]. Представляет интерес проведение дальнейших исследований синтеза и электрофизических свойств конденсаторных структур золь—гель методом.
В данной работе определены значения диэлектрической проницаемости (е) и тангенса угла диэлектрических потерь 0ё8) тонкопленочных конденсаторов на основе пленок титаната-стронция, полученных золь—гель методом (ксерогелей), сформированных на структуре кремний/титан/платина, отличающихся толщиной и режимами термообработки.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исходными компонентами золей являлись ацетат гидрат стронция 8г(СИ3С00)2 • 1/2 Н20 и тетраизопропоксид титана Т1(0СИ(СИ3)2)4. В качестве растворителей использовали уксусную кислоту и монометиловый эфир этиленгликоля. В каждый золь в качестве стабилизатора добавляли ацетон. Концентрация золя составляла 55 мг/мл. Пленки наносились на подложки монокристаллического кремния методом центрифугирования. Для изготовления конденсаторной структуры на подложке кремния формировались слои оксида титана и платины с последующей термообработкой в атмосфере кислорода при температуре не ниже 450°С в течение 30 мин. После нанесения каждого слоя геля на структуру кремний/оксид титана/платина образцы подвергались предварительной термообработке (сушке) при температуре 200°С. Затем использовали два режима термообработки (табл. 1). Для приготовления образца № 1, содержащего пять слоев ксерогеля, сначала проводили сушку каждого нанесенного слоя. Образец № 2 прошел высокотемпературную обработку после сушки первого слоя, после чего наносились последующие слои с сушкой каждого слоя. Затем следовали
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КОНДЕНСАТОР НА ОСНОВЕ ТИТАНАТА- СТРОНЦИЯ 477
Таблица 1. Режимы формирования пленок титаната стронция и значения их толщины
№ образца Скорость центрифугирования, об./мин Режимы термообработки, мин Число слоев Толщина, нм Изображение структуры
1 3000 Нанесение, сушка, нанесение... сушка, термообработка 750°С, 30 мин 5 200 Рис. 1 а
2 2700 Нанесение, сушка, термообработка 750°С, 30 мин, нанесение, сушка... нанесение, сушка, термообработка 750°С, 60 мин 6 280 Рис. 1 б
заключительная термообработка обоих образцов при температуре 750°С. Для изготовления конденсаторной структуры формировались верхние электроды из никеля диаметром 300 мкм. Размер каждого образца составлял приблизительно 15 х 15 мм. Окончательно сформированный ксерогель титаната стронция ло-
кально подвергался химическому травлению: в растворе на основе соляной кислоты с помощью фотолитографии для контакта с нижним электродом при измерении емкости.
Емкость С и тангенс угла диэлектрических потерь 8) измерялись с использованием измери-
Рис. 1. РЭМ-изображения пленок ксерогеля титаната-стронция на структуре кремний/титан/платина: (а) — образец № 1, пятислойная пленка ксерогеля титаната-стронция после отжига при температуре 750°С в течение 30 мин; (б) — образец № 2, шестислойная пленка ксерогеля титаната-стронция после отжига при температуре 750°С в течение 60 мин.
« I
3
ю о о
о
4 о
и
4 -
0
320 340 360
380 400 420 Емкость, пФ
440 460 480
12
10
8
«
i
3
ю
8 6 о
4
с и F 4
2 -
0.04
0.06 0.08 Тангенс угла диэлектрических потерь
0.10
Рис. 2. Распределение емкости (а) и тангенса угла диэлектрических потерь (б) для измерений в 16 точках конденсаторной структуры.
2
0
теля RLC Е7-20 на частоте 1 МГц. Морфологический анализ пленок исследовался методом растровой электронной микроскопии на установке HITACHIS-4800. Спектры рентгеновской дифракции были получены на установке D8 ADVANCE фирмы "Bruker AXS".
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены результаты анализа конденсаторных структур методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Толщина титаната стронция составляет приблизительно 200 и 280 нм для пятислойной и шестислойной пленки соответ-
Таблица 2. Характеристики полученных конденсаторных структур
№ образца Емкость, пФ Диэлектрическая проницаемость, Б Среднеквадрати-ческое отклонение, стЕ Тангенс угла диэлектрических потерь, tg 8 Среднеквадрати-ческое отклонение Gtgg n, объем выборки Толщина, нм
1 - - - - - - 200
2 413 153 12.3 0.06 0.011 16 280
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КОНДЕНСАТОР НА ОСНОВЕ ТИТАНАТА- СТРОНЦИЯ
479
Интенсивность, отн. ед 5000
4000 -
(а)
3000 -
2000 -
1000
0
5 10 20 30 40 50 60 70
29, град
Интенсивность, отн. ед. 5000
4000
(б)
3000 -
2000
1000
5 10
20
30
40 29, град
50
60
70
Рис. 3. Дифрактограмма пленки 8гТЮз на структуре кремний/титан/платина, образец № 1 (а), образец № 2 (б), после окончательной термообработки при температуре 750°С.
0
ственно. На рис. 1а изображен также верхний электрод из никеля.
Полученные структуры использовались для изготовления пленочного конденсатора и измерения его характеристик. Значения диэлектрической проницаемости рассчитывались, исходя из толщины диэлектрического слоя d и емкости конденсаторной структуры С, по формуле (1):
6 =
С4 6^,
(1)
где е0 = 8.85 х 10 12 Ф/м, ^ — площадь конденсатора.
Результаты измерений емкости сформированных пленочных конденсаторов и вычисленных средних значений диэлектрической проницаемости е и тангенса угла диэлектрических потерь ^ 8) для сформированных конденсаторных структур представлены в табл. 2. Существенно, что при толщине пленки титаната стронция меньше 200 нм и длительности отжига 30 мин при температуре 750°С (образец № 1) конденсаторная структура не формируется. Полученный результат может быть обусловлен как шунтированием структуры, обладающей сравнительно малой толщиной пленки,
так и изменением проводимости титаната стронция. Анализ факторов, не позволивших сформировать конденсаторную структуру при толщине пятислойной пленки титаната стронция 200 нм, синтезированной без высокотемпературной термообработки первого слоя, требует дальнейших исследований.
Для образца № 2 были проведены измерения емкости в 16 точках (табл. 2, рис. 2). Среднее значение диэлектрической проницаемости составляет 153, среднеквадратическое отклонение — 12. Среднее значение тангенса угла диэлектрических потерь составляет 0.06, среднеквадратическое отклонение 0.01. Среднеквадратическое отклонение а рассчитывались по формуле:
а
i п
= 1X & - 2'
(2)
где xi — i-й элемент выборки, n — объем выборки, x — среднее арифметическое выборки.
Синтезированные образцы исследовались методом рентгеновской дифракции. На рис. 3 представлены дифрактограммы для двух образцов с пленками SrTiO3. Как видно из сравнения дифрактограмм, основной 20 пик SrTiO3 (PDF 00-002-1454) для образца № 1 наблюдается при 46.45° и соответствует кристаллографической ориентации (200), тогда как для образца № 2 основной пик SrTiO3 (PDF 01-0741296) наблюдается при 32.33° для ориентации (110) [4]. Другое отличие образцов № 1 и 2 в том, что размер кристаллической решетки для образца № 1 составляет а0 = 3.899, а для образца № 2 составляет а0 = 3.905. Для каждого из синтезированных образцов пленка SrTiO3 относится к кубической фазе группы симметрии Pm3m.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, разработана лабораторная технология получения золей для формирования пле-
нок титаната стронция и изготовления конденсаторных структур на их основе. При толщине пленки титаната стронция меньше 200 нм и длительности отжига 30 мин при температуре 750°С конденсаторная структура не формируется, что может быть вызвано как шунтированием структуры, так и изменением проводимости титаната стронция. При толщине титаната стронция 280 нм сформирована конденсаторная структура со значениями диэлектрической проницаемости е = 153 и тангенса угла диэлектрических потерь 8 = 0.06 для частоты 1 МГц. Сформированные конденсаторные структуры могут найти применение и для светоизлуча-ющих электролюминесцентных приборов, принимая во внимание люминесценцию лантаноидов в ксерогелях оксида титана, легированных стронцием и те
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.