В данной работе описаны результаты исследования электрофизических свойств тонких пленок диоксида кремния различных модификаций.
Ключевые слова: диоксид кремния, углерод, пористые пленки, модифицированные пленки, порометрия, диэлектрическая проницаемость.
Введение
Пористые диэлектрические пленки кремния получили широкое применение в качестве основы для создания датчиков газа. Преимуществом сенсоров на базе пористого кремния является низкое энергопотребление в сравнении с датчиками газа на основе оксидов металлов. Кроме того, возможно использование в области оптоэлектроники, биологии и медицине из-за специфических оптических и электрических свойств в качестве сенсоров для диагностики и лечения заболеваний, а также для лекарственного скрининга. Использование данных материалов в качестве изоляционных прослоек в микросхемах позволяет снизить диэлектрические потери и время прохождения сигналов [1, с. 3].
Подготовка образцов
В процессе были получены металл-диэлектрик-металл (МДМ) структуры, в которых в роли диэлектрика выступал диоксид кремния различной модификации. Материалом металлических обкладок является термически испаренный алюминий. Толщина проводящего слоя составляет 100 нм. Диэлектрический слой диоксида кремния (SiO2) был получен методом магнетронного распыления кремниевой мишени в среде кислорода (рабочее давление (4–6) ·10–3 мм.рт.ст, ток разряда 200 мА, ускоряющая разность потенциалов 400 В). Пленка модифицированного углеродом диоксида кремния (SiO2М) была получена распылением составной мишени кремний-углерод (Si+C) c соотношением площадей 70/30 в среде кислорода при тех же условиях. Толщина диэлектрических слоев как SiO2, так и SiO2М составляла 100 нм. Данная толщина была выбрана из соображения сплошности пленки [2, с. 3].
Результаты исследования
В результате эксперимента было выяснено, что среднее значение емкости уменьшилось на 23 %. Это может быть связано с присутствуем в пленке SiO2М газовой фазы, имеющей низкую диэлектрическую проницаемость. Исходя из этого, полученная пленка SiO2М имеет пористую структуру. Подтверждением этому является уменьшение тангенса угла диэлектрических потерь в пленке SiO2М в два раза. Поскольку тангенс характеризует отношение активной части тока к реактивной, то такое его поведение свидетельствует об уменьшении активной составляющей и, следовательно, об увеличении сопротивления пленки. Высокое сопротивление полученной пленки SiO2М обусловлено захватом носителей заряда ловушками на границе пор [3, с. 3].
Используя метод емкостной порометрии пористость структуры можно определить из соотношения [4, с. 3]:
(1)
Рассчитанный параметр, характеризующий пористость полученной пленки равен 0,296. Следовательно, объемная доля пор в структуре SiO2М составляет около 30 %.
В ходе эксперимента был проведен статистический анализ полученных МДМ структур (табл.1).
Таблица 1
Результаты статистического анализа
|
Статистические параметры |
SiO2 |
SiO2М |
||
|
C, пФ |
tgδ |
C, пФ |
tgδ |
|
|
Среднее |
397 |
0,031 |
305 |
0,016 |
|
Стандартная ошибка |
7,58 |
4,56·10–3 |
8,84 |
2,15·10–3 |
|
Стандартное отклонение |
49 |
0,029 |
59 |
0,014 |
|
Эксцесс |
0,313 |
-0,305 |
-0,777 |
5,00 |
|
Асимметричность |
0,602 |
0,878 |
-0,233 |
2,32 |
|
Дисперсия выборки |
2358 |
8,5·10–4 |
3514 |
2,07·10–4 |
|
Генеральная дисперсия |
2300 |
8,31·10–4 |
3435 |
2,02·10–4 |
|
Количество образцов |
41 |
41 |
45 |
45 |
Для определения нормальности распределения параметров пленок использовался критерий Пирсона (табл.2).
Таблица 2
Критерий Пирсона
|
SiO2 |
SiO2М |
Критическое значение χ2 |
|||
|
C, пФ |
tgδ |
C, пФ |
tgδ |
||
|
χ2 |
9 |
31 |
10 |
163 |
14 |
Из данных, представленных в таблице 2, следует, что распределение емкостей обеих пленок близко к нормальному. Следовательно, результаты эксперимента являются релевантными и воспроизводимыми. Следующее из таблицы 1 расхождение дисперсии выборки и генеральной дисперсии не превышает 5 %, что делает возможным массовое производство структур с заданными параметрами.
Заключение
При модифицировании пленки диоксида кремния углеродом структура диэлектрика становится пористой. Несмотря на уменьшение емкости пленок SiO2М, их изоляционные свойства улучшаются.
Литература:
- Shamiryan D. Low-k dielectric materials / D. Shamiryan, T. Abell, F. Iacopi, K. Maex // Journal Materialstoday. — 2004. — Vol. 7. — P. 34–39.
- Сахаров Ю. В. Исследование пористых пленок диоксида кремния / Ю. В. Сахаров, П. Е. Троян // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. — 2011, декабрь. — № 2 (24). — С. 77–80.
- Algun G. An investigation of the electrical properties of porous silicon. G. Algun, M. C. Arikan // Tr. J. of Physics. — 1999. — P. 789–797.
- Тутов Е. А. Адсорбционно-емкостная порометрия / Е. А. Тутов, А. Ю. Андрюков, Е. Н. Бормонтов // Физика и техника полупроводников. — 2001. — Т. 35. — С. 850–853.
