ПОДЛОЖКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕТЕРОСТРУКТУР

Заявленное техническое решение относится к области тонкопленочных микроэлектронных приборов, конкретно - тонкопленочных сегнетоэлектрических гетероструктур, которые относятся к числу наиболее перспективных материалов, необходимых для создания принципиально новых высоких технологий, процессов, оборудования и приборов в области микроэлектромеханики, инфракрасной техники, сенсоров, пьезотрансформаторов, головок для принтеров, ультразвуковых моторов, многослойных конденсаторов, приводов, энергонезависимых перепрограммируемых высокоскоростных запоминающих устройств.
Известно, что в общем случае сегнетоэлектрическая гетероструктура представляет собой несколько последовательно нанесенных тонких (10-200 нм) слоев, как показано на Рис.1.
Для нанесения слоев структуры используется плоская полированная пластина из кристаллического кремния (1), т.к. именно этот материал чаще всего используются в микроэлектронике, как подложка для нанесения на них тонких пленок и приборных структур на их основе.
Кремний подвергается термическому окислению для создания электроизолирующей и антидиффузионной пленки (2) на поверхности пластины. Эта пленка является принципиально необходимой для большинства практических задач. Как правило, окисление поверхности кремния производится непосредственно в технологическом процессе изготовления подложки.
Нижний электрод (4), сегнетоэлектрик (5) и верхний электрод (6) образуют плоский конденсатор и являются обязательными частями сегнетоэлектрической гетероструктуры. Кремниевая пластина (1) с оксидным (2) и адгезионным (3) слоями служат подложкой.
x
Материалом для нижнего электрода (4), как правило, служит платина (Pt), как материал с большой работой выхода электронов, малой шероховатостью поверхности, и способный иметь кристаллографическую ориентацию (111). Платина, будучи химически инертным веществом, имеет крайне низкую адгезию к оксиду кремния. Поэтому возникает необходимость в дополнительном слое (3), обеспечивающем адгезию слоя платины к подложке, достаточную для обеспечения долговечности прибора. В качестве адгезионного слоя используются различные материалы, но чаще всего выбирается оксид титана (TiO) [1].
1.05
0.5
0.5
3
Поверх нижнего электрода (4) осаждается активный рабочий слой - керамическая сегнетоэлектрическая пленка (5). Работоспособность сегнетоэлектрической структуры (возможность поляризации сегнетоэлектрика в электрическом поле между верхним и нижним электродом) может быть обеспечена лишь в том случае, если материал сегнетоэлектрического слоя обладает структурой перовскита с кристаллографической ориентацией (111). Этим и обусловлена необходимость формирования кристаллографической ориентации (111) слоя платины, так как текстура вышележащего сегнетоэлектрического слоя наследует текстуру нижележащего слоя платины. На сегодняшний день наиболее перспективным сегнетоэлектрическим материалом, обладающим структурой перовскита с кристаллографической ориентацией (111), является цирконат-титанат свинца (Pb(ZrTi))O (PZT) [2].
Для возможности создания электрического поля в слое сегнетоэлектрика необходим и верхний электрод (6). Материалом для него, как и для нижнего электрода, служит платина.
В процессе изготовления сегнетоэлектрической гетероструктуры используются различные технологические методы.
x
Слои TiO и Pt могут быть напылены методами молекулярно-пучковой эпитаксии, термического, электронно-лучевого и лазерного испарения, катодного и магнетронного распыления мишени.
Для нанесения слоя PZT могут применяться методы химического осаждения из газовой фазы металло-органических соединений, молекулярно-пучковой эпитаксии, лазерного испарения и магнетронного распыления мишени, а также золь-гель процессы.
Для осуществления заявленного технического решения наиболее подходящим является метод магнетронного распыления, как метод, применимый для осаждения всех входящих в гетероструктуру слоев. Кроме того, данный метод характеризуется гибкостью и управляемостью в силу возможности плавного и контролируемого изменения параметров напыления пленки и обеспечивает напыление пленок сложного состава, в том числе оксидных, с сохранением стехиометрии пленки, идентичной стехиометрии мишени, или ее контролируемого изменения [3].
Недостатком аналогов заявленного технического решения является относительно большое количество используемых материалов, что вызывает необходимость использования многофункциональных и многопозиционных устройств для их нанесения.
2
Целью предлагаемой полезной модели является устранение недостатков аналогов, т.е. исключение необходимости нанесения дополнительного материла в качестве адгезионного слоя, а именно использование PZT в качестве как активного рабочего слоя, так и в качестве адгезионного подслоя (вместо TiO) между слоем оксида кремния на поверхности кремниевой подложки и нижним платиновым электродом.
Сущность технического решения и его отличие от аналогов
2
Поставленная цель достигается в технологическом процессе изготовления структуры Pt/PZT/Pt, в котором в качестве подложки используется термически окисленная кремниевая пластина с осажденным на нее адгезионным подслоем PZT (Si/SiO/PZT/Pt/PZT/Pt).
Технологический процесс изготовления сегнетоэлектрической гетероструктуры с использованием предлагаемой полезной модели включает в себя следующие этапы:
1. Подготовка подложки для напыления гетерострутуры - нанесение адгезионного слоя PZT на термически окисленную кремниевую пластину,
2. Нанесение гетероструктуры:
2.1. Нанесение нижнего платинового электрода,
2.2. Нанесение активного рабочего слоя PZT,
2.3. Нанесение верхнего платинового электрода.
При этом этапы могут 1 и 2.2, а также этапы 2.1 и 2.3 могут быть выполнены в одном процессе, т.е. выполняться на две подложки без замены мишени:
Этапы 1 и 2.2 (нанесение PZT) - подложка Si/SiO2 (адгезионный слой) и подложка Si/SiO2/PZT/Pt/ (активный рабочий слой);
Этапы 2.1 и 2.3 (нанесение платины) - подложка Si/SiO2/PZT/ (нижний электрод) и подложка Si/SiO2/PZT/Pt/PZT (верхний электрод).
2
Таким образом, отличие предлагаемой полезной модели от аналогов заключается в сокращении числа операций с четырех (TiO, Pt, PZT, Pt в аналогах) до двух (PZT, Pt в предлагаемой полезной модели).
Конкретный пример выполнения
1.05
0.5
0.5
3
-3
На термически окисленную кремниевую подложку КДБ-1 (111) методом высокочастотного (13.56 МГц) магнетронного распыления мишени (Pb(ZrTi))O осаждался слой PZT толщиной 10 нм в атмосфере Ar при давлении 3ּ10 Торр, при температуре подложки 570°C, ВЧ мощности 100 Ватт. Среднеквадратичная шероховатость полученных пленок не превышала 0.3 нм. Морфология поверхности видна на Рис.2.
-2
Затем методом высокочастотного (13.56 МГц) магнетронного распыления платиновой мишени осаждается слой Pt толщиной 100 нм в атмосфере Ar при давлении 10 Торр, температуре подложки 570°C, ВЧ мощности 50 Вт.
Полученная двухслойная структура обладала достаточной для обеспечения долговечности прибора адгезией слоев к подложке, среднеквадратичной шероховатостью поверхности 3 нм (Рис.3), соизмеримой с шероховатостью поверхности пленки платины, осажденной на адгезионный слой оксида титана, и доминирующей кристаллографической ориентацией (111) (Рис.4).
Такая структура в дальнейшем может служить основой для нанесения сегнетоэлектрической гетероструктуры: PZT в качестве активного рабочего слоя и верхнего электрода.
Список литературы
1. А.А.Васильев, А.В.Соколов, A.M.Баранов, СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПЛАТИНОВЫХ СЛОЕВ НА ПОДЛОЖКУ. Патент №2426193, Заявка: 2010117598/28, 05.05.2010
2. П.В.Афанасьев, В.П.Афанасьев, И.В.Грехов, Л.А.Делимова, Г.П.Крамар, Д.В.Машовец, А.А.Петров, Сегнетоэлектрический элемент для запоминающего устройства с оптическим считыванием информации, Патент №2338284, Заявка: 2007117471/09, 10.05.2007
3. В.А.Вольпяс, А.Б.Козырев, Способ осаждения тонких пленок сегнетоэлектриков на основе сложных оксидов методом ионно-плазменного распыления, Патент №2434078, Заявка: 2009143289/02, 23.11.2009.