WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 4 Сегнетоэлектрические пленки титаната свинца на монокристаллическом кремнии © А.С. Сидоркин, А.С. Сигов, А.М. Ховив, О.Б. Яценко, В.А. Логачева Воронежский государственный университет, 394693 Воронеж, Россия Московский институт радиотехники, электроники и автоматики, 117454 Москва, Россия (Поступила в Редакцию 14 мая 2001 г.

В окончательной редакции 30 июля 2001 г.) Изучены фазовые превращения, происходящие в тонкопленочных структурах Pb/Ti/Si и Ti/Pb/Si при послойном магнетронном напылении свинца и титана на подложку монокристаллического кремния и последующем отжиге в атмосфере кислорода. Показано, что диэлектрические свойства пленок зависят от последовательности напыления указанных металлических слоев. Сегнетоэлектрическими свойствами обладали пленки толщиной порядка 3000 nm, полученные в процессе двухступенчатого отжига при T1 = 473 K и T2 = 973 K в течение 10 min тонкопленочной гетероструктуры Pb/Ti/Si с внешним слоем свинца. Значения коэрцитивного поля и спонтанной поляризации для такой пленки составляли Ec = 4.8 kV/cm, Ps = 16.8 µC/cm2.

Пленки, полученные в результате отжига тонкопленочной гетероструктуры Ti/Pb/Si с внешним слоем титана, проявляли свойства типичного диэлектрика и не обладали сегнетоэлектрическими свойствами.

Работа выполнена при поддержке гранта Нидерландской организации по научным исследованиям (NWO) ”Nonlinear dielectric films for nanotechnology” и гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 01-02-16828.

В настоящее время закладываются основы принципи- на кремнии с подслоем TiO2, диэлектрическая констанально нового направления функциональной электроники. та имела относительно большое значение = 120.

Это направление предполагает, что элементы, созданные По данным Оже-спектроскопии указанная пленка имела в едином технологическом цикле и на базе определенно- стехиометрический состав, а присутствие на границе го круга многофункциональных материалов, проявляют раздела пленка–подложка подслоя TiO2 препятствовала важное фундаментальное свойство — нелинейную зави- взаимной диффузии Si и Pb. Диэлектрическая константа симость параметров от внешнего воздействия. К таким пленки PbTiO3 в структуре Pt/PbTiO3/Pt/SiO2/Si состаматериалам относятся тонкие пленки PbTiO3. Свойства вляла = 150, а C-V-кривая не проявляла характерпленок PbTiO3, такие как высокая остаточная поляриза- ной для сегнетоэлектрической пленки в структуре меция, низкое коэрцитивное поле, высокая диэлектрическая талл/сегнетоэлектрик/металл формы ”баттерфляй” [4].

проницаемость, низкие диэлектрические потери, высокое Пленки титаната свинца, полученные осаждением по пробивное напряжение, хорошие акустические характе- золь-гель-технологии на проводящие пленки LaNiO3 [5], ристики, находят применение при создании устройств проявляли сегнетоэлектрические свойства со следующиэнергонезависимой памяти, динамической памяти с про- ми значениями остаточной поляризации и коэрцитивного извольной выборкой, конденсаторов, волноводов, раз- поля: Ps = 9.0 µC/cm2, Ec = 40 kV/cm. Для объемнообразных акустооптических устройств, изменяющих ного монокристаллического образца титаната свинца заданным образом спектральный состав, амплитуду и на- Ps = 75 µC/cm2, Ec = 6.75 kV/cm. Пленки PbTiOправление распространения светового сигнала [1–3].

на проводящем слое оксида индия–олова (ITO), полученные авторами [6] методом MOCVD, по данным Зависимость свойств тонких пленок титаната свинца I-V и C-V-измерений, проявляли свойства типичного от их структуры (размера зерен, степени пористости, состояния границы раздела пленка–подложка), определя- диэлектрика в металл–диэлектрик–металл-конденсаторе Au/PbTiO3/ITO. Результаты этих электрофизических иземой условиями получения, очень велика. Это приводит мерений авторы объясняют стехиометрическим составом к существенному различию в поведении параметров массивных и пленочных образцов, а также к значи- пленки (по данным Оже-спектроскопии) и хорошей потельному разбросу характеристик самих пленок, полу- верхностной морфологией.

ченных разными методами. Так, например, пленки со Пленки, полученные нами ранее [7] с помощью отструктурой перовскита, полученные методом MOCVD жига структуры Ti/Pb/Si (100), не проявляли ярко выпри температуре синтеза T = 450C, в зависимости раженных сегнетоэлектрических свойств, хотя и состоот типа подложки имели различные диэлектрические яли из титанатных фаз. В настоящей работе показано, свойства [4]. Диэлектрическая константа для пленки что микроструктура, фазовый состав и диэлектрические PbTiO3, выращенной на кремнии, имела низкое значение свойства пленок титаната свинца, полученных путем ок = 78. Напротив, у пленки PbTiO3, выращенной сидирования указанных тонкопленочных структур, непо746 А.С. Сидоркин, А.С. Сигов, А.М. Ховив, О.Б. Яценко, В.А. Логачева средственно зависят от последовательности напыления металлических слоев на поверхность монокристаллического кремния.

1. Методика измерений Тонкопленочную металлическую композицию получали методом магнетронного напыления слоев металлов Ti и Pb из двух раздельных магнетронов в едином технологическом цикле, предварительно откачивая камеру до давления P = 0.33 · 10-2 Pa. В качестве распыляющего газа применяли аргон. Скорость напыления титана при рабочем давлении P = 0.16 Pa, токе анода I = 0.7A составила 0.55 nm/s, скорость напыления свинца при P = 0.27 Pa, I = 0.2 A была равна 2.5 nm/s. Раздельное напыление металлов позволило формировать структуры заданной толщины с разной последовательностью металлических слоев. В качестве подложек использовался монокристаллический Si (100) марки ЭКЭФ-500. Объектами исследования были тонкопленочные структуры двух типов (Pb/Ti/Si и Ti/Pb/Si) с толщинами слоев металлов 500 nm.

Термообработка тонкопленочных структур свинец– титан (титан–свинец) осуществлялась в кварцевом реакторе печи резисторного нагрева при T1 = 473 K и T2 = 973 K с продолжительностью каждой стадии отжига, равной 10 min, при расходе кислорода 40 L/h.

Фазовый состав пленок определялся методом рентгеновской дифракции на дифрактометре ДРОН-3М (излучение CuK) в интервале углов 20–65. Поверхностная морфология пленок и граница раздела пленка–подложка наблюдались с помощью растровой электронной микроскопии. Для измерения электрофизических свойств плеРис. 1. Микрофотографии поперечного скола тонкопленочных нок методом магнетронного напыления в вакууме через гетероструктур Pb/Ti/Si (a) и Ti/Pb/Si (b) после магнетронного маску с отверстиями 1 mm наносился верхний никеленапыления.

вый электрод, нижний контакт к кремниевой пластине осуществлялся индий-галлиевой эвтектикой. Петли диэлектрического гистерезиса измерялись при напряжении ют лишь линии свинца с преимущественной ориентацией 0.5 V и измерительной частоте 50 Hz.

в направлении (111). Отсутствие линий титана свидетельствует о его мелкодисперсной структуре, рентгено2. Результаты и их обсуждение аморфной для метода РФА. На дифрактограммах гетероструктур Ti/Pb/Si (рис. 2, b) с верхним слоем титана 2.1. Зависимость фазового состава и наблюдается разрушение текстуры свинца, появляются структуры пленок от порядка чередования дополнительные линии в направлениях (200), (220).

металлических слоев. На рис. 1, a, b представлены Отжиг исходных структур осуществлялся в одинамикрофотографии скола исходных (до отжига) тонкоплековых режимах: начальном при T1 = 473 K, стабилиночных гетероструктур Pb/Ti/Si и Ti/Pb/Si, полученных зирующем исходные структуры, и окончательном при магнетронным напылением на поверхность монокриT2 = 973 K, формирующем оксидные пленки сложного сталлического кремния. Пленки с нижним слоем титана состава. Дифрактограмма пленки, полученной в резульобладают лучшей адгезией к поверхности кремния по тате отжига тонкопленочной структуры Pb/Ti/Si, предсравнению с пленками с нижним слоем свинца. Пленки ставлена на рис. 3. Основной набор рефлексов сос верхним слоем свинца имеют крупнокристаллическую ответствует тетрагональной фазе PbTiO3; (101), (110), структуру с размером зерен 1000 nm. В структурах Ti/Pb/Si верхний слой титана сглаживает поверхности зе- (111), (002), (102). Отметим, что при кратковременном рен крупнокристаллического свинца. На дифрактограм- отжиге в течение 10 min (T = 973 K) на дифрактограмме мах исходных структур Pb/Ti/Si (рис. 2, a, b) присутству- остаются рефлексы, отвечающие оксидам свинца Pb3O4, Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Сегнетоэлектрические пленки титаната свинца на монокристаллическом кремнии 3280 nm, а средний размер зерен 580 nm. Микрофотографии свидетельствуют о поликристаллической плотной (без кратеров и трещин) структуре пленки, в которой зерна имеют форму, близкую к прямоугольной, и ориентированы случайным образом. На границе раздела пленка–подложка присутствует переходной слой толщиной 1000 nm, отражающий процесс взаимной диффузии Ti и Si. Отсутствие рефлексов, отвечающих силицидным фазам титана, позволяет предположить, что переходный слой представляет собой твердый раствор Ti–Si.

Отжиг структуры Ti/Pb/Si при тех же условиях приводит к формированию пленки, в которой основной фазой является оксид свинца Pb2O3. При температуре T2 = 973 K в пленке детектируются рефлексы, соответствующие титанату свинца тетрагональной структуры:

(100), (110), (111), а также пирохлору PbTi2O7 (301) и рутилу TiO2 (рис. 5). Микрофотография скола пленРис. 2. Дифрактограммы тонкопленочных гетероструктур Pb/Ti/Si (a) и Ti/Pb/Si (b) до отжига.

Рис. 4. Микрофотографии поперечного скола тонкопленочной гетероструктуры Pb/Ti/Si после отжига в атмосфере кислорода при T1 = 473 K, T2 = 973 K в течение 10 min.

Рис. 3. Дифрактограмма тонкопленочной гетероструктуры Pb/Ti/Si после отжига в атмосфере кислорода при T1 = 473 K, T2 = 973 K в течение 10 min.

PbO, и один рефлекс незначительной интенсивности ( 10%), соответствующий оксиду титана TiO2 в структуре рутила. На рис. 4 представлены данные электронной микроскопии поперечного скола пленки PbTiO3 на подложке монокристаллического кремния, полученной в Рис. 5. Дифрактограмма тонкопленочной гетероструктуры результате отжига тонкопленочной структуры Pb/Ti/Si.

Ti/Pb/Si после отжига в атмосфере кислорода при T1 = 473 K, РЭМ-анализ показал, что толщина пленки составляет T2 = 973 K в течение 10 min.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 748 А.С. Сидоркин, А.С. Сигов, А.М. Ховив, О.Б. Яценко, В.А. Логачева уже. При этом их интенсивность увеличивается, что свидетельствует о возрастании степени кристалличности пленки с повышением температуры отжига до 1173 K.

Таким образом, формирование пленки титаната свинца в процессе отжига тонкопленочной гетероструктуры Ti/Pb/Si происходит при температуре на 200 больше, чем при отжиге Pb/Ti/Si. Необходимо отметить, что кроме титаната свинца тетрагональной структуры в пленке присутствует TiO2.

Как видно из данных, полученных при исследовании фазового состава и структуры пленок, формирующихся при оксидировании тонкопленочных гетероструктур Pb/Ti/Si и Ti/Pb/Si, последовательность чередования металлических слоев Pb и Ti задает реакционную способность всей тонкопленочной гетероструктуры в первую очередь при взаимодействии этих слоев с кислородом Рис. 6. Микрофотография поперечного скола тонкопленочной и кремнием, а затем и между собой. Структура Pb/Ti/Si гетероструктуры Ti/Pb/Si после отжига в атмосфере кислорода при T1 = 473 K, T2 = 973 K в течение 10 min. химически более активна, чем Ti/Pb/Si. Взаимодействие слоя титана с поверхностью кремния при нагреве начинается с возникновения напряжений на межфазной границе, которые связаны с несовпадением симметрии и параметров кристаллических решеток титана и кремния и с отличием коэффициентов термического расширения контактирующих слоев. Наличие указанных напряжений активизирует структуры взаимодействующих слоев, способствует разрыву связей и диффузии атомов Si в пленку титана. Напряжения кристаллических решеток при взаимодействии титана с кремнием распространяются и на области, прилегающие к их межфазной границе, оказывая активирующее влияние на взаимодействия во всей гетерогенной тонкопленочной структуре [8].

В том случае, если с кремнием контактирует свинец (титан расположен сверху), свинец активно блокирует все каналы взаимодействия титана и кремния и сам не Рис. 7. Дифрактограмма тонкопленочной гетероструктуры взаимодействует с последним. Кроме того, пластичный Ti/Pb/Si после отжига в атмосфере кислорода при T1 = 473 K, свинец не вызывает в системе при нагреве тех напряжеT2 = 973 K и дополнительного отжига при T3 = 1173 K в ний, которые создает титан. Поэтому для формирования течение 10 min.

фаз, которые образуются при расположении титана на кремнии, в данном случае систему необходимо нагревать до значительно более высоких температур.

ки, представленная на рис. 6, показывает значительные 2.2. Диэлектрические свойства пленок.

отличия в ее структуре и морфологии по сравнению Петли диэлектрического гистерезиса, полученные после с пленкой, полученной оксидированием тонкопленочной отжига структур Pb/Ti/Si по схеме Сойера–Тауэра, имегетероструктуры Pb/Ti/Si. В структуре пленки при- ли вид, характерный для сегнетоэлектриков (рис. 8).

сутствуют два слоя, между которыми нет хорошего Обработка указанных петель, в частности, для плевзаимодействия. Межфазная граница пленка–подложка нок толщиной 3280 nm дает значения коэрцитивнорезкая, без взаимной диффузии Pb и Si. В пленке еще го поля Ec = 4.8 kV/cm и спонтанной поляризации не происходит образования зерен определенной формы.

Ps = 16.8 µC/cm2. Отметим, что величина спонТемпература 973 K оказалась недостаточной для форми- танной поляризации здесь оказывается выше, чем для рования пленки, содержащей титанат свинца в качестве пленок титаната свинца толщиной 1000 nm, полученосновной фазы.

ных модифицированным золь-гель-методом на платине На рис. 7 представлена дифрактограмма пленки после (Ps = 3.5 µC/cm2) [9], и для пленок титаната свинца дополнительного отжига при T = 1173 K в течение толщиной 380 nm на Pt (111)/Ti/SiO2/Si (100), полученеще 10 min. Основной пик между 2 = 36-39, ных осаждением металлоорганических соединений из соответствующий оксиду свинца Pb2O3, при увеличении раствора (Ps = 13.62 µC/cm2) [10].

температуры распадается на два рефлекса PbTiO3; (101), Пленки, полученные отжигом тонкопленочных гетеро(110); остальные рефлексы титаната свинца становятся структур Ti/Pb/Si, не проявляли сегнетоэлектрического Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Сегнетоэлектрические пленки титаната свинца на монокристаллическом кремнии Список литературы [1] X. Meng, Z. Huang, H. Ye, J. Cheng, P. Yang, J. Chu. Mater.

Res. Soc. Symp. 541, 723 (1999).

[2] A. Okada. J. Appl. Phys., 48, 7, 2905 (1997).

[3] T.L. Ren, L.T. Zhang, L.T. Liu, Z.J. Li. J. Phys. D: Appl. Phys.

33, 15, L77 (2000).

[4] C. Byun, J.W. Jang, Y.J. Cho, K.J. Lee, B.W. Lee. Thin Solid Films 324, 94 (1998).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.