Wytwarzanie, trawienie plazmowe i właściwości cienkich warstw BaTiO3 do zastosowań elektronicznych

• Autorzy: Firek P. , Werbowy A. , Kwietniewski N. , Szmidt J. , Olszyna A. , Ćwil M.

Warianty tytułu

EN

Deposition, plasma etching and properties of BaTiO3 thin films for electronic aplication

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Warstwy tytanianu baru o grubości rzędu 100 nm wytworzone zostały na podłożach krzemowych (Si (100) typ n, p = 1 - 20 Ω cm) technikami ablacji targetu BaTiO3 + La2O3 (2% wt.) w plazmie impulsowej oraz rozpylania w plazmie o częstotliwości radiowej (13,56 MHz). Powłoki zostały scharakteryzowane metodami badania ciała stałego, takimi jak: skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM), mikroskopia sił atomowych (AFM) oraz spektroskopia mas jonów wtórnych (SIMS), co umożliwiło określenie morfologii powierzchni oraz składu wytworzonego materiału [6]. W celu scharakteryzowania wybranych własności elektrofizycznych osadzonych warstw wytworzone zostały struktury MIS (metal-insulator-semiconductor). Na podstawie pomiarów ich wysokoczęstotliwościowych charakterystyk pojemnościowo-napięciowych (C-V) dla różnych częstotliwości oraz charakterystyk prądowo-napięciowych (I-V) wyznaczono wartości przenikalności dielektrycznej (maks. 25), rezystywności (maks. 5⋅10¹³ Ωcm) i wytrzymałości elektrycznej (maks. 4 MVcm^-1 ) warstw oraz określono mechanizmy transportu ładunku elektrycznego przez materiał. Przeprowadzone zostały również procesy selektywnego trawienia badanych warstw w plazmie o częstotliwości radiowej (RF) przy różnych wartościach mocy RF oraz różnym składzie mieszaniny trawiącej (Ar + CF4). Największą szybkość procesu (30 nm/min) obserwowano dla maksymalnej dostępnej mocy (300 W) i przy użyciu czystej atmosfery Ar.

EN

Thin (100 nm) nanocrystalline dielectric films of lanthanum doped barium titanate were deposited on Si substrates by means of reactive pulse plasma (IPD) ablation of BaTiO3 + La2O3 (2 wt.%) target. Scanning electron microscopy and atomic force microscopy showed that the obtained layers were dense ceramics of uniform thickness with average roughness Ra = 2.045 nm and the average grain size of the order of 15 nm. Measurements of current-voltage (I-V) characteristics of metal-insulator-semiconductor (MIS) structures, produced by evaporation of metal (Al) electrodes on top of barium titanate films, allowed to determine the current transport mechanisms and leakage current densities (10^-12 to 10^-6 Acm^-2) flowing through investigated layers as well as their dielectric strength, i.e. critical electric field intensity (E_BR) which ranged from 0.2 up to even 4 MVcm^-1. Capacitance-voltage (C-V) measurements of the same structures were performed in accumulation state showing that the dielectric constant value (ε_ri) of films in best cases is close to 25. BaTiO3 nanocrystalline thin films were also selective plasma etched in the course of several experiments which varied in RF power as well as CF4/(CF4 + Ar) gas-mixing ratio. The maximum etch rate of approximately 30 nm/min was observed for the maximum power (300 W) and pure Ar plasma atmosphere.

Słowa kluczowe

PL

tytanian baru; osadzanie w plazmie impulsowej; rozpylanie w plazmie o częstotliwości radiowej; morfologia powierzchni; właściwości elektryczne; trawienie plazmowe

EN

barium titanate; impulse plasma ablation deposition; radio frequency plasma sputerring deposition; surface morphology; electrical propeties; plasma etching

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 49, nr 9
• Strony: 62--68
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Firek P.

autor

Werbowy A.

autor

Kwietniewski N.

autor

Szmidt J.

autor

Olszyna A.

autor

Ćwil M.

• Politechnika Warszawska, Instytut Mikro- i Optoelektroniki

Bibliografia

• [1] Rae A., Chu M., Ganine V.: Barium Titanate - past, present and future. Dielectric Ceramic Materials, Ceramic Transaction, 100, 1-12(1999).
• [2] Tang P., Towner D. J., Hamano T., Meier A. L., Wessels B. W.: Elecrooptic modulation up to 40 GHz in a barium titanate thin film waveguide modulator. Optics Express, vol. 12, no. 24, 5962-5967 (2004).
• [3] Bubb D. M., Horwitz I. S., Qadri S. B., Kirchoefer S. W., Hubert C., Levy J.: (Ba, Sr)TiO3 thin films grown by pulsed laser deposition with low dielectric loss at microwave frequencies. Appl. Phys. A 79, 99-101 (2004).
• [4] Fuenzalida V. M., Pilleux M. E., Eisele I.: Absorbed water on hydrothermal BaTiO3 films: work function measurements. Vacuum 55, 81-83(1999).
• [5] Hoffmann T., Gultzow M., Sotomayor Torres C. M., Doll Th., Fuenzalida V. M.: Microstructures in BaTiO3 thin films by hydrothermal growth and lift-off technique. Materials Science in Semiconductor Processing, 2, 335-340 (1999).
• [6] Werbowy A., Olszyna A., Firek R., Kwietniewski N., Szmidt J.: Reactive Pulse Plasma Ablation Deposited Barium Titanate Thin Films on Silicon. Journal of Superhard Materials, w druku.
• [7] Klee M., Mackens U., Kiewitt R., Greuel G., Metzmacher C.: Ferroelectric thin films for integrated passive components. Philips J. Res. 51,363-387(1998).
• [8] Marciniak W.: Przyrządy półprzewodnikowe typu MIS. WNT, Warszawa 1977.
• [9] Reji T., Dube D. C., Kamalasanan M. N., Deepak Kumar N.: Electrical properties of solgel processed amorphous BaTiO3 thin films. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 16, 101-107 (1999).
• [10] Thomas R., Dube D. C., Kamalasanan M. N., Chandra S.: Optical and electrical properties of BaTiO3 thin films prepared by chemical solution deposition. Thin Solid Films 364, 212-225 (1999).
• [11] Werbowy A., Firek P., Chojnowski J., Olszyna A., Szmidt J., Kwietniewski N.: Barium titanate thin films plasma etch rate as a function of the applied RF power and Ar/CF4 mixture gas mixing ratio. Phys. stat. sol. (c), 4 (2007), w druku.
• [12] Kang P. S., Kim K. T., Kim D. R., Kim C. I., Efremov A. M.: Surf. Coat. Technol., 171 (2003) 273.
• [13] Wolf S., Tauber R. N.: Silicon processing for the VLSI Era. Vol. 1 - process technology. Lattice Press, Sunset Beach, Califomia, 1987.