Диссертация (1090573), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Таким образом, в двоичнойсистеме противоположные ориентации вектора поляризации соответствуютлогическим 0 и 1. Для устройств и элементов энергонезависимой памятииспользуются такие свойства сегнетоэлектрических наноразмерных (донескольких сотен нанометров) пленок PZT, как высокая остаточнаяполяризация,низкоекоэрцитивноеполе,высокоечислоцикловпереключения [26]. Для устройств динамической памяти с произвольной13выборкой наиболее актуальными являются высокая диэлектрическаяпроницаемость и высокое пробивное напряжение PZT.Допирование PZT другими материалами (например, лантаном),приводит к усилению основных функциональных свойств и, как следствие,к расширению практических приложений.
Так, например, керамики итонкиепленки(PbLa)(ZrTi)O3используютсядляизготовленияконденсаторов [27], источников поверхностных акустических волн и другихпьезоэлектрических элементов [28], микроактюаторов [29], приемников ИКизлучения [30], электрооптических устройств (световоды, линии задержки)[31], а также в устройствах, основанных на явлении фоторефракции игенерации суммарных частот [32].Важно отметить, что температура синтеза пленок PZT составляет 550650°.
При такой высокой температуре происходят существенные потери Pb,связанные с его высокой летучестью. Отклонение же состава пленки отстехиометрического соотношения приводит к резкому изменению свойствматериала [33-35]. Во избежание этого, в процессе формирования пленок всоставмишениилиисходныйхимическийраствордобавляютдополнительно PbO. Так, например, в работе [33] количество избыточногооксида свинца составляло 10мол.%.Требуемая толщина кристаллизованной пленки зависит от того, вкаком устройстве она будет применяться.
Так, толщина PZT для устройствэнергонезависимой памяти должна составлять от 100 до 300 нм. Для схемдинамической памяти с произвольной выборкой требуются пленкинесколько толще – от 200 до 500 нм. [26]Для практического применения часто необходимо формироватьтонкие плёнки PZT на кремниевой подложке. Одним из важнейшихтехнологических параметров при приготовлении PZT плёнок являетсятемпература кристаллизации в фазу перовскита, которая обычно достигает600 – 700оС [36] и даже более.
Минимальная температура из литературныхисточников составила 300оС [36]. Высокие температуры недопустимы для14компонентов микроэлектронных структур, изготовленных на кремниевойподложке. Поэтому важной задачей является снижение температурыкристаллизации перовскитной фазы плёнок PZT.Исследования показали, что структурные и физические свойстватонкопленочных сегнетоэлектриков могут сильно отличаться от свойств ихобъемных аналогов [36]. Этому способствует целый ряд факторовразличной природы.
К ним относятся, в частности, ориентирующеедействие на тонкую пленку подложки или сформированных на подложкеподслоев, механическое воздействие на пленку со стороны подслоев,электродов и подложки, химическое взаимодействие материала пленки снижележащими подслоями и (или) подложкой. Свой вклад вносят иразмерные эффекты, отчетливо проявляющиеся при уменьшении толщиныпленки менее 1 микрона [36].Очевидно влияние методов изготовления тонких пленок PZT на ихфункциональныепараметрыи,следовательно,наихвозможныеприменения.
Разнообразие используемых методов и технологическихрежимовформированияполученныхразличнымисегнетоэлектрическихгруппамитонкихисследователейпленокдляPZT,конкретныхпрактических задач и приложений, а также комбинации составов пленок ивариацииподложек,подслоевиэлектродов,делаетневозможнымоднозначный выбор оптимальных методик изготовления пленок длямикроэлектронных приложений. Этот вывод остается справедливым дажепри исследовании тонких пленок PZT одного и того же состава,осажденныхнаконкретнуюкремниевуюподложку.Именноэтимобъясняется огромное количество работ, посвященных исследованиютонкопленочных PZT структур.
Так, например, поисковая система Googleпо запросу «PZT thin films 2014» выдает более 150000 результатов, чтоговорит об актуальности данных исследований на сегодняшний день.Одной из важнейших причин, объясняющих сильную зависимостьсвойств тонких пленок PZT от условий их изготовления является15ориентирующее воздействие подложки (а также нижнего электрода) наструктуру пленки в процессе осаждения и кристаллизации в перовскитнуюфазу. Например, в работах [37,38] было показано, что величина спонтаннойполяризации пленок PZT существенно различается для ориентаций <100>,<110> и <111>, а величина диэлектрической проницаемости таких пленокможет отличаться в несколько раз.Другой, не менее важной причиной, является гетерофазность PZTпленок, вызванная потерями свинца в процессе высокотемпературнойкристаллизации перовскитной фазы из-за аномально высокой летучестипаровегооксида[39].Приотклонениисвинцаотносительностехиометрического состава менее чем на 2% пленка представляет собойсмесь низкотемпературной фазы пирохлора и перовскитной фазы.
Длявосполнения потерь свинца в составе итоговой пленки применяетсявведениеизбыточногоколичествасвинцависходныематериалы(прекурсоры). При этом полученные пленки состоят в основном изкристаллитов перовскита с заполнением межкристаллитного пространстваоксидом свинца [40-45].Кроме того, на свойства пленок PZT, приготовленных, в первуюочередь, с помощью химических методов, могут оказывать заметноевлияние микровключения различной природы, оставшиеся в результатепиролиза пленок. Наиболее часто встречающимся микровключением такогорода является углерод. В большинстве случаев, для пленок субмикронной имикронной толщины, такие микровключения не оказывают существенноговлияния на свойства пленок, однако при переходе к наноразмерамупомянутые дефекты могут в значительной степени изменить или исказитьусловия кристаллизации пленок.Влияниеинородныхпримесейможетсказатьсятакжевпространственной неоднородности распределения сегнетоэлектрическихсвойств на поверхности или в объеме пленки, что опять же играетрешающую роль для толщин нанометрового диапазона.
Неоднородность16сегнетоэлектрических свойств тонких пленок может являться причинойнестабильности параметров микроэлектронных устройств на их основе, атакже приводить к появлению каналов утечек. Например, в работах [33,46]показано, что подобные локальные нарушения текстуры при росте пленокPZTпривеликувеличениюпространственнойнеоднородностисегнетоэлектрических свойств до 20%. Выявление природы и причин,приводящих к такого рода неоднородностям, представляют как научный,так и практический интерес [33].1.1.2 Традиционные методики отжигаИсключительно важным технологическим этапом для формированияпленок,пригодныхдляпрактическихприменений,являетсяихкристаллизация.
Наиболее распространенным методом кристаллизацииPZT является термический отжиг, представляющийобразца как целого, то есть всех его слоёв:собой нагрев всегосамой пленки, электрода,подложки. Можно выделить несколько видом традиционного термическогоотжига. В зависимости от скорости изменения температуры различаютмедленный (CFA) и быстрый (RTA) отжиг.Конструкция систем для быстрого термического отжига представляетсобойгерметичнуюкамеру,позволяющуюпроводитьпроцессытемпературной обработки при экстремально высоких температурах. Вкачестве нагревателя используются галогеновые лампы. Конструкцияобеспечивает регулировку скорости и мощности нагрева пластины.В качестве нагревательного элемента в печах для медленного отжигаиспользуются резистивные кольца (горячие стенки).При медленном отжиге скорость изменения температуры составляетдо 1оС/c, при быстром - от 10оС/c и выше.
Например в системе для быстроготермического отжига STE RTP150 компании «Научное и технологическоеоборудование» (ЗАО «НТО») , максимальная скорость достижения заданнойтемпературы составляет 150оС/c.17Быстрый отжиг обладает более высокой скоростью роста температурыи быстрым переносом тепла, что позволяет в короткий срок получитьбольшое количество атомов с достаточной энергией для образованиязародышей.Скорость изменения температуры при отжиге влияет на различныесвойства пленок. В работе [47] образцы тонких сегнетоэлектрическихплёнок Bi4Ti3O12, допированых Nb (Nb-BIT), на подложке Pt/Ti/SiO2/Siподвергались медленному (700оС, 30 мин.) и быстрому (700оС, 3 мин.)отжигу в печи.
Образец, отожженный методом медленного отжига показалбольшую остаточную поляризацию по сравнению с последним. Вдополнение к этому было показано, что предварительный нагрев пленки (вданном эксперименте до 500оС методом RTA) также приводит кувеличению остаточной поляризации.В статье [48] сравнивались методы медленного и быстроготермического отжига плёнок SrBi2Ta2O9 (SBT) на подложке Pt/TiO2/SiO2/Siпри 750оС.
В работе проводился предварительный отжиг для спеканияплёнок при 400оС в течение 4 мин. Результатом быстрого термическогоотжига стала пленка с величиной шероховатости 0.7 нм против 3.2 нм вслучае медленного отжига. Более того, показано, что размер зерен прибыстром нагреве оказывается меньшим, что говорит о более высокойвероятности зародышеобразования.Влияние скорости отжига на сегнетоэлектрические свойства пленокPZTтакжеоказываетсясущественным.Вработе[49]показаначувствительность величины коэрцитивного поля и остаточной поляризациикскоростинагреваPZTприкристаллизации.Порезультатамэкспериментальных исследований, величина коэрцитивного поля составила53 кВ/см и 30 кВ/см для пленок, кристаллизованныхx методами RTA и CFA,соответственно.
Остаточная поляризация также оказалась выше в пленках,подвергшихся быстрому термическому нагреву – 20 мкК/см2 против 16мкК/см2 в медленно кристаллизованных образцах.18Скоростьотжигаоказываетсущественноевлияниенадиэлектрическую проницаемость. В качестве примера, приведем работу[50], в которой проведено сравнениесвойств пленок PZT, полученныхметодом много ионного реактивного осаждения на платинизированнуюнеподогреваемую подложку, отожженных далее методами ИТО и БТО.Характеристикой отжига служила диэлектрическая проницаемость, котораядля перовскитной сегнетоэлектрической структуры должна превышать1000. Результаты исследований приведены на рисунке 2.Быстрый термический отжиг со скоростью 100оС/с переход вперовскитную фазу происходит при более низкой температуре (500оС), чемв случае ИТО (700оС).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
