CC BY
36
Доклады БГУИР
2014 № 7 (85)
УДК539.24;621.315.592; 621.382.002; 621.382.043.77.002
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНДЕНСАТОРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ, СФОРМИРОВАННЫХ
ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОДОМ
СОХРАБИ АНАРАКИ Х., Н.В. ГАПОНЕНКО, М.В. РУДЕНКО, С.М. ЗАВАДСКИЙ, ДА. ГОЛОСОВ, А.Ф. ГУК, ВВ. КОЛОС*, АН. ПЕТЛИЦКИЙ*, АС. ТУРЦЕВИЧ*
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь *ОАО «Интеграл», ул. Казинца И.П.121А, г. Минск, 220108 Беларусь
Поступила в редакцию 13 июня 2014
Сформированы тонкопленочные конденсаторы на подложках кремния. Основу конденсатора составляет многослойная пленка титаната стронция, полученная золь-гель методом при температурах отжига 750-800 °С. Нижний электрод сформирован из платины, верхний - из никеля. Средние значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлекрических потерь лежат в пределах 150-190 и 0,06-0,1 соответственно. Приведены значения среднеквадратического отклонения указанных величин.
Ключевые слова: золь-гель, титанат стронция, конденсатор.
Введение
Технологии получения сегнетоэлектрических оксидов BaTiOз и SrTiOз со структурой перовскита активно исследуются для формирования пироэлектрических детекторов, электрооптических модуляторов, тонкопленочных конденсаторов, элементов оптической памяти и других устройств электронной техники [1-3]. Проблема формирования тонкопленочных конденсаторов связана с числом отказов вследствие короткого замыкания между обкладками из-за дефектности осаждаемых пленок, электрического пробоя в местах микровыступов нижнего электрода, возникновении трещин вследствие механических напряжений при отжиге и других технологических факторов. Качество пленки, сформированной золь-гель методом, зависит от состава золя, способа нанесения, температуры и длительности термообработки.
В данной работе определены значения диэлектрической проницаемости (е) и тангенса угла диэлектрических потерь ^5) тонкопленочных конденсаторов на основе пленок титаната стронция, полученных золь-гель методом (ксерогелей), сформированных на структуре кремний/титан/платина, отличающихся составом золя и режимами термообработки.
Методика эксперимента
Исходными компонентами золей являлись ацетат гидрат стронция Sr(CHзCOO)2• 1/2H2O и тетраизопропоксид титана Ti(OCH(CHз)2)4. В качестве растворителей использовали уксусную кислоту и монометиловый эфир этиленгликоля. В каждый золь в качестве стабилизатора добавляли ацетон или ацетилацетон. Ксерогели получали из золей с различной концентрацией компонентов. 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. Слой оксида титана использовался для улучшения адгезии платинового электрода к подложке. После нанесения каждого слоя геля на подложку кремния или структуру кремний/оксид титана/платина образцы
подвергались предварительной термообработке при температуре 200 °С. Затем использовалось несколько режимов термообработки (табл. 1). Для приготовления образца № 1, содержащего пять слоев ксерогеля, сначала проводили сушку каждого нанесенного слоя. Образцы №2, 3, 4 прошли высокотемпературную обработку после сушки первого слоя, после чего наносились последующие слои с сушкой каждого слоя. Затем следовала заключительная термообработка образцов при температурах 750 и 800 °С. Для изготовления конденсаторной структуры формировались верхние электроды из никеля диаметром 300 мкм.
Морфологический анализ пленок исследовался методом растровой электронной микроскопии на установке HITACHIS-4800. Спектры рентгеновской дифракции были получены на установке D8 ADVANCE фирмы «Bruker AXS».
Таблица 1. Формирование образцов с пленками титаната стронция и их характеристики
№ образца Стабилизатор золя Скорость центрифугиро вания, об/мин Время и режимы обработки, мин Число слоев Температура отжига, °С Толщина, нм
1 ацетон 3000 30 мин, одна высокотемпературная обработка (нанесение, сушка, нанесение,.. ,.,сушка, термообработка 5 750 200
2 ацетон 2700 60 мин, две стадии (нанесение, сушка, отжиг 800 градусов, (нанесение, сушка, нанесение,сушка, термообработка) 5 800 250
3 ацетон 2700 60 мин, две стадии, аналогично образцу 2 6 750 280
4 ацетилацетон 1500 40 мин, две стадии, аналогично образцу 2 8 750 430
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 представлены результаты анализа конденсаторных структур методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Изображения на рис. 1 приведены для пленок, полученных из золей с концентрацией 40 мг/мл. Толщина титаната стронция составляет приблизительно 280 и 430 нм для пятислойной и восьмислойной пленки соответственно.
Рис. 1. РЭМ изображения пленок ксерогеля титаната стронция (образец № 4) на структуре кремний/титан/платина после двухстадийной термообработки при температуре 750 °С в течение 40 мин: а -пятислойная пленка ксерогеля; б - восьмислойная пленка ксерогеля
Полученные структуры, изображенные на рис. 1, использовались для изготовления пленочного конденсатора и измерения его характеристик. Емкость С и тангенс угла диэлектрических потерь ^5) измерены с использованием измерителя RLC Е7-20 на частоте 1 МГц. Значения диэлектрической проницаемости рассчитывались, исходя из толщины
диэлектрического слоя й и емкости конденсаторной структуры по формуле: С ■ с1
£ =-, (1)
80 ■ 5 ' ^
где 80 = 8,85*10"12 Ф/м, - площадь конденсатора.
Результаты измерений емкости сформированных пленочных конденсаторов и вычисленных средних значений диэлектрической проницаемости 8 и тангенса угла диэлектрических потерь ^5) для сформированных конденсаторных структур представлены в таблице 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, так и изменением проводимости титаната стронция. Для образцов конденсаторных структур № 2-4 полученные значения диэлектрической проницаемости лежат в пределах 150190 и находятся в соответствии с известными ранее работами [2, 3]. В таблице приведены также значения среднеквадратического отклонения указанных величин, рассчитанное по
— х — х)2, и число измеренных значений емкости конденсаторов (объем «Т=1
выборки) для каждого образца.
Таблица 2. Характеристики полученных конденсаторных структур
№ образца Емкость, пФ Диэлектрическая проницаемость, s Средне-квадратическое отклонение, as Тангенс угла диэлектри-ческих потерь, tgS Средне-квадратическое отклонение,atgS n, объем выборки Толщина, нм
1 - - - - - - 200
2 589 186 10,7 0.08 0, 035 5 250
3 413 153 12,3 0.06 0, 011 16 280
4 335 190 32,3 0.1 0, 036 7 430
Образцы, на которых удалось сформировать конденсаторы, исследовались методом рентгеновской дифракции. На рис. 2 представлена дифрактограмма пленки SrTiO3, сформированной при температуре 750 °С в течение 40 мин (образец № 4). Полученная дифрактограмма подтверждает наличие фазы титаната стронция.
íntensity
ЗСС
lTCü ■
16С0 ■
loco ■
1ЭПГ ■
7 DO
2Н1йа
Рис. 2. Дифрактограмма восьмислойной пленки SrTiO3 на структуре кремний/титан/платина, (образец № 4) после окончательной термообработки при температуре 750 °С
Заключение
Таким образом, разработана лабораторная технология получения золей для формирования пленок 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 s = 153 и тангенса угла диэлектрических потерь tg5 = 0,06 для частоты 1 МГц. Сформированные конденсаторные структуры могут найти применение и для светоизлучающих электролюминесцентных приборов, принимая во внимание люминесценцию лантаноидов в ксерогелях оксида титана, легированных стронцием и тербием [4].
DIELECTRICAL CHARACTERISTICS OF CAPACITOR STRUCTURES ON THE BASIS OF SOL-GEL DERIVED STRONTIUM TITANATE FILMS
SOHRABI ANARAKI H., N.V. GAPONENKO, M.V. RUDENKO, S.M. ZAVADSKI, DA. GOLOSOV, A.F. GUK, V.V. KOLOS, A.N. PYATLITSKI, A S. TURTSEVICH
Abstract
The thin film capacitors were formed on silicon. The capacitor is based on the strontium titanate multi-layer which was fabricated using the sol-gel method after heat treatment at the temperature 750 or 800 °C. The lower and upper electrodes were made from platinum and nickel accordingly. The average values of the dielectric permittivity, s, and the loss factor, tg 5, were found between 150-190 and 0,06-0,1 respectively. The standard deviation values of the mentioned characteristics were calculated.
Список литературы
1. Fuentes S., Zarate R.A., Chavez E. et. al. // J. Mater. Sci. 2010. Vol. 45. P. 1448-1452.
2. Hofman W., Hoffmann S., Waster R. // Thin Solid Films. 1997. Vol. 305 P. 66-73.
3. Pontes F.M., Lee E.J.H., Leite E.R. et. al. // J. Mater. Sci. 2000.Vol. 35. P. 4783-4787.
4. Sohrabi Anaraki H., Gaponenko N.V., Rudenko M.V. et. al. // Докл. БГУИР. 2013. № 8 (78). С. 10-15.
5. Gaponenko N.V., Kortov V.S., Rudenko M.V. et. al. // J. of Applied Physics. 2012. Vol. 111. P. 103101-103107.
