Диссертация (1090573), страница 5
Текст из файла (страница 5)
По сравнению с предыдущей работой,были получены более высокие значения остаточной поляризации: 10мКл/см2 (на подложке LaNiO3/SiO2/Si (100)) и 10 мКсм2 (на подложкеRuO2/SiO2/Si (100)), а также сравнительно низкие значения управляющихнапряжений (2,6 В и 1,3 В, соответственно).Как было показано в работе [69], на параметры пленок, отожженных вмикроволновой печи, критическое влияние могут оказывать дефектыразличной природы: воздействие микроволн оказывает наименьший эффектотжига на области, характеризующиеся большим количеством дефектов.Применение микроволнового отжига для кристаллизации пленок PZTпоказано в работах [70-74].В статье [70] исследованы условия кристаллизации пленки PZT(Pb1.1(Zr0.52Ti0.48)O3) толщиной 260 нм на стандартной подложке Pt/Ti/SiO2/Siизлучением с частотой 2,45 ГГц.
Пленки отжигались при разныхтемпературах в диапазоне от 400 до 7000С, во всех случаях время отжигасоставляло 30 мин. Исследования, проведенные методом рентгеновскойдифракции, показали, что при температурах 4000С уже достаточно активнопроисходит формирование перовскитной фазы, а кристаллизация всегообъема пленки в перовскитной фазе происходит уже при температурах 4505500С (процентное содержание перовскита около 100%).
При температуре7000С процентное содержание перовскита спадает до 80%, что авторамистатьи объясняется влиянием вторичной пирохлорной фазы в пленке. Такимобразом, утверждается, что кристаллизация перовскитной фазы в PZT примикроволновом отжиге происходит при значительно более низких25температурах, чем в случае традиционного изотермического отжига.Следует отметить также, что, помимо высокого процентного содержанияперовскита, микроволновый отжиг при температуре 4500С приводит ккристаллизации пленок в лучшими сегнетоэлектрическими и структурнымихарактеристиками(большийразмермикрокристаллита,степеньоднородности поверхности и т.д.) [70].Вработах(Pb(Zr0,52Ti0,48)O3),[71,72]былополученныхпроведенометодомсравнениезоль-гельприпленокPZTотжигевмикроволновой и конвекционной печи.
Сравнивались параметры пленок,полученных при одинаковых температурах, но разных методах отжига. Какпоказалирезультатырентгеновскойдифракциииэлектронноймикроскопии, при конвекционном отжиге при температуре 4500С пленкаостается аморфной, а на ее поверхности не отмечаются характерные зернаперовскита. Кристаллизация в перовскитную фазу происходит приконвекционном отжиге при температуре 6000С, при этом и размер зерна, ирентгеновскиедифрактограммысегнетоэлектрическиеполученныхприсвойства.демонстрируютФункциональныемикроволновомотжигеприхорошиепараметрытемпературепленок,4500Спрактически совпадают с данными для пленок, отожженных при высокойтемпературе в конвекционной печи (диэлектрическая постоянная ε = 450,диэлектрические потери 0,045, коэрцитивное поле порядка 90 кВ/см иостаточная поляризация 20 мКл/см2), при этом морфология поверхности идифрактограммыпленоктакжеподтверждаютвысокоепроцентноесодержание фазы перовскита.Методика микроволнового отжига была применена для изготовленияпленок PZT состава Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 различной толщины (99 – 420 нм) [73].С ростом толщины пленок происходит усиление сегнетоэлектрическихсвойств, наилучшие параметры получены для пленки 420 нм (Pr = 46.86мКл/см2, Ec = 86.25 кВ/см, ε = 1140).26Для пленок PZT состава Pb(Zr0,55Ti0,45)O3 , полученных методоммикроволнового отжига, показано, что наилучшие сегнетоэлектрическиесвойства получены для температуры отжига 5000С [74].
Интересно, что дляпленок этого состава при температуре отжига 4300С сегнетоэлектрическиесвойства проявляются очень слабо (это видно по петле СЭ гистерезиса), аповышение температуры отжига на 200С приводит к формированию пленки,сегнетоэлектрические свойства которой практически совпадают с лучшейпленкой, отожженной при 5000С.В статье [74] упоминается также, что эффективность методикимикроволнового отжига может быть повышена за счет специальногопоглощающего слоя, в качестве которого используется SiC.Существенные различия в температуре отжига, необходимой дляформирования фазы перовскита свидетельствует о разных механизмахкристаллизации.Несмотря на снижение температуры кристаллизации пленок PZT,данная методика в случае интегральных схем, не позволяет избежатьвоздействия высоких температур на другие элементы, расположенные накремниевой подложке.1.2.
Лазерный отжигОдним из возможных методов, который мог бы привести крадикальному уменьшению температурного воздействия на кремниевуюподложку, является метод лазерного отжига [1,2]. Этот метод успешноиспользуетсясполупроводниковымиматериаламиблагодаряизбирательному поглощению и низких температурах процесса [1,2].Преимуществами лазерного отжига, в сравнении с традиционнымиметодами кристаллизации перовскитной структуры плёнок, являетсявозможность формирования локальных областей перовскитной фазы плёнокпри меньшем температурном воздействии на нижележащие слои иподложку.27Отметим, что коэффициент пропускания пленки отличен от 0 придлине волны излучения от 250 нм и выше.В зависимости от длины волны, длительности импульсов и другихпараметров лазера, режимы отжига могут значительно отличаться.Рассмотрим некоторые из них.
Установлено, что в отличие отизотермического отжига, где преобладает зарождение перовскитной фазывблизи слоя платины, кристаллизация и рост сферических кристалловперовскита при лазерном отжиге происходят в объеме пленки.1.2.1 Эксимерный лазерОдин из вариантов реализации лазерного отжига – использованиеэксимерного лазера. Так, в статье [75] для этих целей применялосьизлучение KrF лазера (длина волны излучения 248 нм, энергия 100 Дж идлительность импульсов 100 нс).
Отметим, данная длина волны лежит вобласти поглощения пленки PZT. В результате удалось кристаллизоватьпленку в фазу перовскита. Однако, показано, что фаза перовскитасформировалась только в верхней части плёнки, в то время как приизотермическом отжиге кристаллизация происходит вблизи нижнегоэлектрода, как показано на рисунке 4. Это происходит из-за того, чтоизлучение с длиной волны эксимерного лазера сильно поглощаетсяплёнкой. Подбирая длину волны так, чтобы она попадала или нет в областьпрозрачности, можно менять режимы отжига.28Рисунок 4. Схематичное изображение структуры плёнок, отожжённыхэксимерным лазером (а) и изотермически (б) [75].Часто в экспериментах по кристаллизации PZT эксимерным лазеромприсутствует этап предварительного изотермического отжига, при низкойтемпературе [76].
Таким образом, методика становится двухстадийной. Мыв своих экспериментах хотим добиться кристаллизации плёнки с хорошимипараметрами только с помощью лазерного нагрева.Одно из направлений дальнейших исследований было связано слазерным отжигом PZT пленок с использованием эксимерного лазера, входе которого регулировалась не только число и мощность, но идлительностьимпульсалазерногоизлучения;подложкаприэтомподогревалась до температуры 300оС [77]. Было показано, что с ростомдлительности ультрафиолетового импульса тепловая диффузионная длинаувеличивалась с 0,11 мкм при длительности импульса 24 нс до 0,44 мкм придлительности импульса 374 нс. Однако рентгеноструктурный анализпоказал, что в исследованных образцах (толщиной 0,5 мкм) наблюдалисьрефлексы, относящиеся как к перовскитной, так и к пирохлорной фазе.
Тоесть авторы так или иначе подтвердили выводы работы [78] о том, чтоиспользование эксимерного лазера для формирования перовскитнойструктуры в тонких пленках PZT является достаточно сложной задачей.Не всегда при таком отжиге удается получить структуры, обладающиенеобходимымисегнетоэлектрическимихарактеристиками.Посколькупленка значительно поглощает излучение эксимерного лазера, то глубинаего проникновения в пленку невелика, а следовательно температура нагревадостаточно быстро уменьшается по глубине пленки, не обеспечиваяусловий кристаллизации по всей глубине. Существуют исследования, вкоторых показано, что уширение импульса до 300 нс приводит кулучшению свойств сегнетоэлектриков, отжигаемых эксимерным лазером[79]. На рисунке 5 приведены графики зависимости температуры структуры29пленка/подложка(PbZrTiO3/LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si от координаты вглубьструктуры, а также петли диэлектрического гистерезиса, полученные приотжиге с использованием импульсов различной длительности.
Из рисунка5(а) видно, что при использовании короткого импульса (25 нс) градиенттемпературы в пленке выше, а нагрев нижележащих слоев меньше (<200оС). При использовании длинного импульса (374 нс) с большей энергией вимпульсе градиент температур в пленке ниже, что приводит к болееоднородной кристаллизации, а нагрев нижележащих слоев больше (200-500оС)(a)Рисунок5.ГрафикизависимоститемпературыструктурыPbZrTiO3/LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si от координаты вглубь структуры (a), а такжепетли диэлектрического гистерезиса, полученные при отжиге импульсами сдлительностью 374 нс (b) и 25 нс [79] . Параметры излучения указаны нарисунке.30Следует отметить также, что материалы подложек, используемых вмикроэлектронике, поглощают (хоть и в разной степени) УФ излучениеэксимерных лазеров. Таким образом, применение таких лазеров необеспечивает нагрев выбранного слоя мультислойной структуры.1.2.2.
CO2 лазерЕще один вид лазера, применяемый для кристаллизации пленок PZT вфазу перовскита – непрерывный CO2 лазер.Длина волны излучения CO2 лазера составляет 10,6 мкм и лежит вобласти поглощения PZT. Однако материалы, широко использующиеся вмикроэлектронике, такие как Si, Ge, GaAs являются относительнопрозрачными для излучения такой частоты. Это значит, что возможеннагревпленки PZT,при этом же избегая теплового воздействия наподложку.В работе [80] пленка PZT с соотношением содержания циркония ититана Zr/Ti=52/48 осаждаласьпо золь-гель технологии на подложкуSi/SiO2/Ti/Pt с буферным проводящим оксидным подслоем LSMO.Нанесение такого слоя снижает механические напряжения, возникающиевследствиеразности в параметрах решетокPZT и Pt. Таким образом,качество пленки PZT, нанесенной на проводящий оксид, лучше, чемнапыленной на платиновый электрод.Предварительно пиролизным методом пленки PZT толщиной около0,5 мкм отжигались до температуры 400оС.
В ходе отжига, согласно даннымрентгеноструктурногоанализа,происходилакристаллизациявфазуперовскита. Низкая температура кристаллизации связывалась с близостьюпараметров перовскитных решеток LSMO и PZT, что, в сравнении сплатиновымэлектродом,снижалоэнергиюобразованиязародышейперовскитной фазы. Однако диэлектрические свойства этой фазы былислабо выражены. Лазерный отжиг осуществлялся с помощью CO2 лазера(длина волны – 10,6 мкм) при мощностях 433 и 483 Вт/см2 при комнатной31температуре, в результате которого пленки PZT характеризовалисьотчетливой <111>-текстурой с размером перовскитных зерен 22 и 29 нм ивеличиной остаточной поляризации 10,1 и 17,3 µКл/см2, соответственно.Таким образом, использование CO2 лазера для отжига пленок в сочетании сбуферным проводящим оксидным подслоем LSMO позволило формироватьконденсаторные сегнетоэлектрические структуры на кремниевой подложкепри температурах не выше 400оС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
