СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР

Полезная модель относится к области электрических устройств, а именно к электрическим конденсаторам с нелинейным диэлектриком, и может быть использована в технологии микроэлектронного производства широкого класса управляемых электрическим полем элементов, в частности энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств.
Известен сегнетоэлектрический конденсатор, содержащий нижний и верхний электроды, разделенные сегнетоэлектрической пленкой на основе цирконата-титаната свинца, представляющей собой столбчатые зерна перовскита [Патент США №6337032 МПК H01L 21/02 от 08.01.2002 г. (аналог)].
Недостатком аналога является небольшое количество столбчатых зерен перовскита, проросших на всю толщину сегнетоэлектрической пленки, что служит причиной нарушения наследственности кристаллической ориентации нижнего электрода в сегнетоэлектрической пленке, приводящей к снижению остаточной поляризации и емкости. Помимо этого недостатком является малый размер оснований столбчатых зерен перовскита, что увеличивает общую площадь межзеренных границ, где возможно образование дефектов, способствующих негативному увеличению проводимости
сегнетоэлектрической пленки, и частиц примесной несегнетоэлектрической фазы со структурой пирохлора, присутствие которой негативно влияет на остаточную поляризацию. Также относительно большое содержание свинца сверх стехиометрии (16÷20%-ный избыток) в пленкообразующем растворе приводит к зародышеобразованию кристаллов PbO на поверхности нижнего электрода, которые способствуют усилению текстуры (100) перовскита, снижающей остаточную поляризацию (Sigov A.S., Vorotilov К.А., Zhigalina O.M. Effect of Lead Content on Microstructure of Sol-Gel PZT Structure // Ferroelectrics. - 2012. - V. 433. - №1. - P. 146-157).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является сегнетоэлектрический конденсатор, содержащий нижний и верхний электроды, разделенные сегнетоэлектрической пленкой на основе цирконата-титаната свинца, представляющей собой столбчатые зерна перовскита [Патент США №5817170 МПК C30B 25/06 от 06.10.1998 г. (прототип)].
Недостатком прототипа является небольшое количество столбчатых зерен перовскита, проросших на всю толщину сегнетоэлектрической пленки, что служит причиной нарушения наследственности кристаллической ориентации нижнего электрода в сегнетоэлектрической пленке, приводящей к снижению остаточной поляризации и емкости. Помимо этого недостатком прототипа является малый размер оснований столбчатых зерен перовскита, что увеличивает общую площадь межзеренных границ, где возможно образование дефектов, способствующих негативному увеличению проводимости сегнетоэлектрической пленки, и частиц примесной несегнетоэлектрической фазы со структурой пирохлора, присутствие которой негативно влияет на остаточную поляризацию (Sigov A.S., Vorotilov К.А., Zhigalina O.M. Effect of Lead Content on Microstructure of Sol-Gel PZT Structure // Ferroelectrics. - 2012. - V. 433. - №1. - P. 146-157).
В основу полезной модели положена задача повышения остаточной поляризации, увеличения диэлектрической нелинейности и снижения токов утечки, а следовательно, повышения надежности и энергоэффективности конечных устройств, в составе которых используются сегнетоэлектрические конденсаторные структуры.
Поставленная задача достигается тем, что в сегнетоэлектрическом конденсаторе, содержащем нижний и верхний электроды, разделенные сегнетоэлектрической пленкой на основе цирконата-титаната свинца, представляющей собой столбчатые зерна перовскита, согласно предложенной полезной модели, столбчатые зерна перовскита пророщены преимущественно на всю толщину сегнетоэлектрической пленки, а средний размер их оснований составляет не менее 250 нм.
Выполнение столбчатых зерен перовскита пророщенными преимущественно на всю толщину пленки, средний размер оснований которых составляет не менее 250 нм, позволяет не только улучшить наследственность кристаллической ориентации нижнего электрода в сегнетоэлектрической пленке, но и существенно снизить общую площадь межзеренных границ.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично изображен сегнетоэлектрический конденсатор.
Сегнетоэлектрический конденсатор содержит нижний 1 и верхний 2 электроды, разделенные сегнетоэлектрической пленкой 3 на основе цирконата-титаната свинца. Сегнетоэлектрическая пленка 3 представляет собой столбчатые зерна перовскита 4, которые пророщены преимущественно на всю толщину сегнетоэлектрической пленки 3. Средний размер оснований столбчатых зерен перовскита 4 составляет не менее 250 нм.
Сегнетоэлектрический конденсатор работает следующим образом.
При подаче напряжения между нижним 1 и верхним 2 электродами дипольные моменты элементарных ячеек столбчатых зерен перовскита 4 ориентируются в направлении вектора напряженности внешнего электрического поля, и сегнетоэлектрическая пленка 3 поляризуется в соответствии с полярностью поданного напряжения. При отключении напряжения состояние поляризации сегнетоэлектрической пленки 3 в значительной степени сохраняется в течение длительного времени (т.н. остаточная поляризация).
На явлении остаточной поляризации, в частности, реализован принцип работы энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств. В ячейках памяти этих устройств, каждая из которых представляет собой сегнетоэлектрический конденсатор, логические «0» и «1» записываются в виде противоположно ориентированных векторов поляризации сегнетоэлектрической пленки 3. Считывание записанной таким образом в ячейках информации производится путем определения состояния поляризации сегнетоэлектрических конденсаторов, для этого осуществляется подача импульса напряжения между нижним 1 и верхним 2 электродами. Если полярность поданного импульса совпадает с поляризацией сегнетоэлектрической пленки 3, то регистрируется только небольшой ток зарядки емкости. Если же полярность поданного импульса отличается от поляризации сегнетоэлектрической пленки 3, то вместе с током зарядки емкости регистрируется ток переключения.
Изготовление предложенного сегнетоэлектрического конденсатора может быть осуществлено следующим образом.
Процесс изготовления сегнетоэлектрического конденсатора начинают с приготовления пленкообразующих растворов на основе цирконата-титаната свинца с 0÷7%-ным и 8÷30%-ным избытком свинца сверх стехиометрии, осуществляемого, например, в соответствии со способом, описанным в Патенте РФ №2470866 от 27.12.2012 г. Пленкообразующие растворы на основе цирконата-титаната свинца могут дополнительно содержать, по меньшей мере, одну легирующую добавку для компенсации свободных носителей заряда (дырок).
Для непосредственного изготовления сегнетоэлектрического конденсатора берут подложку, на которой при необходимости формируют диэлектрический, адгезионный и барьерный подслои. Затем напыляют нижний электрод 1, например, из платины, зерна которой имеют строгую кристаллографическую ориентацию (111).
Следующим этапом на нижний электрод 1 наносят пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца с 0÷7%-ным избытком свинца сверх стехиометрии. Затем полученный слой сушат при температуре 50÷250°C и подвергают пиролизу при температуре 300÷450°C. В результате этой операции формируется так называемый затравочный слой твердого раствора. После этого таким же образом сверху формируют остальные слои твердого раствора путем послойного нанесения, сушки и пиролиза пленкообразующего раствора на основе цирконата-титаната свинца с 8÷30%-ным избытком свинца сверх стехиометрии. Количество слоев твердого раствора зависит от необходимой толщины формируемой сегнетоэлектрической пленки 3. Затем производят кристаллизацию при температуре 500÷1000°C для получения сегнетоэлектрической пленки 3.
Изготовление сегнетоэлектрического конденсатора заканчивается напылением на сегнетоэлектрическую пленку 3 верхнего электрода 2.
Слой твердого раствора с относительно низким избытком свинца играет роль затравочного слоя для осуществления эпитаксиального роста более совершенных столбчатых зерен перовскита 4, т.к. ввиду невысокой плотности центров зародышеобразования при их прорастании вдоль плоскости подложки не наблюдаются процессы активной конкуренции латерального роста зерен между собой. Рост зерен одновременно протекает вдоль плоскости подложки и по нормали к ней до тех пор, пока перовскиты не начнут соприкасаться друг с другом, после чего идет рост только вверх.
Повышенное содержание свинца в слоях твердого раствора, расположенных над затравочным слоем, способствует прорастанию столбчатых зерен перовскита 4 на всю толщину сегнетоэлектрической пленки 3 (Sigov A.S., Vorotilov К.А., Zhigalina O.M. Effect of Lead Content on Microstructure of Sol-Gel PZT Structure // Ferroelectrics. - 2012. - V. 433. - №1. - P. 146-157).
Для формирования соответствующих твердых растворов используются максимально близкие по составу пленкообразующие растворы, отличающихся только по содержанию свинца, не вызывающего рассогласование параметров кристаллической решетки.
Таким образом, сформированные относительно крупные столбчатые зерна перовскита 4 улучшают степень структурного совершенства поликристаллической сегнетоэлектрической пленки 3 и, соответственно, ее электрические свойства.
Применение предложенного сегнетоэлектрического конденсатора позволяет повысить остаточную поляризацию, увеличить диэлектрическую нелинейность и снизить токи утечки, а следовательно, повысить надежность и энергоэффективность конечных устройств, в составе которых используются сегнетоэлектрические конденсаторные структуры.