научная статья по теме ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КОНДЕНСАТОР НА ОСНОВЕ ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ, СФОРМИРОВАННОГО ЗОЛЬ–ГЕЛЬ МЕТОДОМ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ КОНДЕНСАТОР НА ОСНОВЕ ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ, СФОРМИРОВАННОГО ЗОЛЬ–ГЕЛЬ МЕТОДОМ»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»