CC BY
73
Доклады БГУИР
2015 № 6 (92)
УДК 621.382; 62-4
ФОРМИРОВАНИЕ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОДОМ И СВОЙСТВА ТОНКИХ ПЛЕНОК
ТАНТАЛАТА СТРОНЦИЯ ВИСМУТА
М.В. РУДЕНКО1, Н.В. ГАПОНЕНКО1, В.Г. ЛИТВИНОВ2, Н.В. МУХИН3, Л.С. ХОРОШКО1,
А.В. ЕРМАЧИХИН2, А.Г. АЛТЫННИКОВ3
1 Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь 2Рязанский государственный радиотехнический университет, ул. Гагарина, 59/1, г. Рязань, 390005, Россия 3 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
им. В.И. Ульянова (Ленина), ул. Проф. Попова, 5, г. Санкт-Петербург, 197376, Россия
Поступила в редакцию 8 сентября 2015
Приведены технология формирования золь-гель методом из уксуснокислых золей и результаты исследования электрофизических характеристик пленок танталата стронция висмута толщиной 240 нм.
Ключевые слова: золь-гель, танталат стронция висмута, сегнетоэлектрики.
Введение
Сегнетоэлектрические материалы находят широкое применение в радиотехнике, гидроакустике, квантовой электронике, интегральной оптике и измерительной технике благодаря наличию спонтанной поляризации, высокой диэлектрической проницаемости, диэлектрической нелинейности, пиро- и пьезоактивности, электрооптическим эффектам. Широко исследуются методы формирования сегнетоэлектриков кислородно-октаэдрического типа для изготовления тонкопленочных конденсаторных структур.
Основным материалом элементной базы FeRAM (Ferroelectric random-access memory) является сегнетоэлектрическая керамика, в частности, сегнетоэлектрические пленки танталата стронция висмута (TCB), изготовленные в виде пленочных структур металл-сегнетоэлектрик-металл-подложка. Основными трудностями при получении пленок ТСВ являются неполное упорядочение сегнетоэлектриков, несоразмерные фазы в кристаллах, стеклоподобные состояния и сильно размытые фазовые переходы, плохая адгезия к подложке, различия в постоянной решетки сегнетоэлектрика и подложки, высокая температура спекания. В настоящее время ведется активная разработка технологии получения материалов с наилучшими свойствами [1-4], что позволит уменьшить размер ячейки и время чтения-записи, а также увеличить количество циклов чтения-записи и время хранения данных.
Уменьшение размеров функциональных элементов FeRAM приводит к проявлению размерных эффектов, существенному влиянию границ раздела, что обусловлено также концентрацией фаз в материале и соответственно электрофизическими характеристиками каждой из фаз. Данные сегнетоэлектрические гетероструктуры могут содержать неоднородности, обусловленные присутствием микро- и нановключений несегнетоэлектрической фазы, слои объемного заряда. Детальное изучение особенностей поведения неоднородных полярных структур при различных внешних воздействиях является актуальным в связи с востребованностью практического применения указанных структур в качестве приемников электромагнитного излучения (сенсоров, датчиков излучения и
температуры, тепловизоров и т.п.), энергонезависимых элементов памяти. В частности, поглощенное электромагнитное излучение оптического диапазона наряду с пироэлектрическим током индуцирует стационарный и нестационарный фотовольтаические отклики в таких структурах, природа и взаимосвязь которых со спонтанной поляризацией остаются невыясненными. В связи с этим актуальной научной задачей также являются исследования интерфейсов гетероструктуры и границ зерен сегнетоэлектрических функциональных элементов с различным видом неоднородностей.
Использование золь-гель метода обеспечивает возможность точного управления соотношением компонентов получаемого вещества на молекулярном уровне, получения многокомпонентных оксидных соединений с точным соблюдением стехиометрического соотношения элементов при низкой температуре синтеза. В частности, позволяет изменять размер зерна, фазовый состав, концентрацию легирующих примесей сегнетоэлектрического ксерогеля, что дает возможность получать, например, крупнозернистые пленки (размер зерна -270 нм) при сравнительно низких температурах (700-800 °С). Размер зерна, количество включенных в пленку фаз и дефектов зависит от технологии синтеза и влияет на электрофизические параметры структур. Существенно, что золь-гель метод формирования пленок не требует дорогостоящего вакуумного оборудования.
Методика эксперимента
Пленки ТСВ получали золь-гель методом из уксуснокислых золей. Для синтеза золей использовали этоксид тантала (Ta(OC2ft)5) и уксуснокислые соли стронция (S1CH3COO) и одноосновного висмута (BiOCH3COO). Уксусная кислота выступала как растворитель. Использование ацетона в качестве стабилизатора золя позволяет контролировать скорость гелеобразования путем изменения концентрации стабилизатора и обеспечивает хорошую адгезию к поверхности подложки [5]. Время, в течение которого золь является пригодным для использования, составляет 1 неделю, после чего идет процесс гелеобразования, и в результате образуется желеподобный гель белого цвета. Золи наносили на подложки монокристаллического кремния и структуры кремний/TiO2/Pt методом центрифугирования. Скорость центрифугирования составила 2700 об/мин. Для изготовления нижнего электрода конденсаторной структуры кремний/TiO2/Pt на подложках кремния формировались слои оксида титана и платины с последующей термообработкой в атмосфере кислорода при температуре не ниже 450 °С в течение 30 мин. После нанесения каждого слоя образцы подвергались термообработке при температуре 200 °С в течение 10-20 мин. Затем следовала окончательная высокотемпературная термообработка в течение 40 мин при температуре 800 °С. Для изготовления конденсаторной структуры формировались верхние электроды из никеля квадратной формы со стороной 0,8 мм. Окончательно сформированный ТСВ локально подвергался химическому травлению в растворе на основе соляной кислоты с помощью фотолитографии для формирования контакта к нижнему электроду в целях проведения электрических измерений.
Электрическое сопротивление и емкость измерялись на измерителе RLC Agilent E4980A в частотном диапазоне от 10 кГц до 2МГц с использованием параллельной схемы замещения Rp-Cp при комнатной температуре, на разных частотах (10 и 20 кГц), при циклическом изменении постоянного напряжения смещения со скоростью 0,01 В/с (достаточно медленно), шаг 0,02 В, усреднение по 5 измерениям.
Диапазон изменения напряжения смещения ограничивался максимальным током через образец 20 мА, при котором возможны измерения на приборе Agilent E4980A.
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 представлены результаты анализа конденсаторной структуры методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Из РЭМ-изображений рис. 1 видно, что полученная пленка является зернистой. Толщина пятислойной пленки ТСВ составляет приблизительно 240 нм.
а б
Рис. 1. РЭМ-изображения пятислойной пленки ксерогеля ТСВ , сформированной на подложке Р^ТЮ^г а - поверхность, б - скол
На рис. 2 представлены дифрактограммы структуры Р/ТЮ2^1, выступающей в качестве подложки для формирования диэлектрического слоя сегнетоэлектрика в конденсаторной структуре, (рис. 2, а) и пленки ксерогеля (8г(1-х)Б1х)Б12Та209 на подложке Р/ТЮ2/81 (рис. 2, б). На дифрактограмме рис. 2, а присутствуют пики, характерные для материалов данной подложки - платины Р^ монокристаллического кремния и оксида титана ТЮХ.
-
Г
|
!„
|
1 I
V к \
I
а б
Рис. 2. Дифрактограммы подложки Pt/TiO2/Si (а) и пленки ксерогеля (Sr(i_x)Bix)Bi2Ta2O9 после нанесения
5 слоев, сформированной на подложке Pt/TiO2/Si (б)
На дифрактограмме рис. 2, б присутствуют пики, характерные для данной подложки, аналогичные рис. 2, а и пики, соответствующие фазовому составу (Sro,82Bio,i2)Bi2Ta2O9.
На рис. 3 и 4 представлены зависимости емкости и сопротивления конденсаторной структуры на основе ТСВ от напряжения при частотах 10 и 20 кГц соответственно. Измеритель RLC Agilent E4980A позволяет проводить измерения активного и реактивного сопротивления образца при разном постоянном напряжении смещения на образце и при этом измерять постоянную составляющую тока через образец (через активное сопротивление Rp).
б
Рис. 3. Зависимости емкости конденсаторной структуры от напряжения (а) и сопротивления в конденсаторной структуре от напряжения (б) при частоте 10 кГц
а
а б
Рис. 4. Зависимости емкости конденсаторной структуры от напряжения (а) и сопротивления в конденсаторной структуре от напряжения (б) при частоте 20 кГц
На рис. 3, б и 4, б изображены зависимости сопротивления от напряжения при комнатной температуре и частотах 10 кГц и 20 кГц. Что характерно, на низких частотах ниже 20 кГц тестового сигнала наблюдается изменение площади петли кривых при циклическом изменении постоянного напряжения смещения.
После третьего обхода изменение вида С-У характеристики заканчивалось. Поэтому на графиках представлены по три кривых разного цвета с указанием номера обхода. Возможно это отражение неких инерционных процессов, происходящих в пленке.
Заключение
Разработана методика создания конденсаторной структуры на основе танталата стронция висмута. Температура 800 °С является достаточной для формирования фазы ТСВ. Обнаружено, что конденсаторная структура на частотах ниже 20 кГц тестового сигнала демонстрирует изменение площади петли кривых вольт-фарадной характеристики и зависимости сопротивления в конденсаторной структуре от напряжения при циклическом изменении постоянного напряжения смещения.
SOL-GEL FORMATION AND PROPERTIES OF STRONTIUM BISMUTH
TANTALATE THIN FILMS
M.V. RUDENKO, N.V. GAPONENKO, V.G. LITVINOV, N.V. MUKHIN, L.S. KHOROSHKO,
A.V. ERMACHIKHIN, A G. ALTYNNIKOV
Abstract
The formation technology by sol-gel based on acetic acid sols and the electrophysical characteristics examination results of the strontium tantalate thin films of 240 nm thick are represented.
Список литературы
1. Kim K.-T., Kim C.-I, Kim J.-G. et al. // Thin Solid Films. 2007. Vol. 515. P. 8082-8086.
2. Yu C.C., Kao M.C., Chen H.Z. et al. // J Supercond Nov Magn. 2010. 23. P. 929-932.
3. WolfS. A., Lu J., Mircea R. et al. // Proceedings of the IEEE. 2010. Vol. 98, № 12. P. 2155-2168.
4. Tang M., Xu X., Ye Zh. et al. // IEEE Transactions On Electron Devices. 2011. Vol. 58, № 2. P. 370-375.
5. Гапоненко Н.В. Пленки, сформированные золь-гель методом на полупроводниках и в мезопористых матрицах. Минск, 2003.
