Подложка для нанесения тонкопленочных сегнетоэлектрических гетероструктур
Заявленное техническое решение относится к области тонкопленочных сегнетоэлектрических гетероструктур.
Сущность технического решения -
Использование пленки PZT как в качестве активного рабочего слоя, так и в качестве адгезионного подслоя между подложкой и пленкой материала нижнего электрода структуры Pt/PZT/Pt.
Техническим результатом является сокращение числа материалов, используемых в конструкции тонкопленочной сегнетоэлектрической гетероструктуры и, как следствие этого, уменьшение количества операций изготовления структуры и упрощения технологических устройств для ее нанесения.
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.
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 (TiOx ) [1].
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 (Pb1.05(Zr 0.5Ti0.5))O3 (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.
Слои TiO x 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.
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 TiO2) между слоем оксида кремния на поверхности кремниевой подложки и нижним платиновым электродом.
Сущность технического решения и его отличие от аналогов
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/SiO2/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).
Таким образом, отличие предлагаемой полезной модели от аналогов заключается в сокращении числа операций с четырех (TiO2, Pt, PZT, Pt в аналогах) до двух (PZT, Pt в предлагаемой полезной модели).
Конкретный пример выполнения
На термически окисленную кремниевую подложку КДБ-1 (111) методом высокочастотного (13.56 МГц) магнетронного распыления мишени (Pb1.05(Zr0.5Ti0.5 ))O3 осаждался слой PZT толщиной 10 нм в атмосфере Ar при давлении 3
10-3 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.
Затем методом высокочастотного (13.56 МГц) магнетронного распыления платиновой мишени осаждается слой Pt толщиной 100 нм в атмосфере Ar при давлении 10-2 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.
Подложка для нанесения тонкопленочных сегнетоэлектрических гетероструктур, состоящих из слоев Pt (нижний электрод), PZT (активный рабочий слой) и Pt (верхний электрод), на кремниевую пластину, характеризующаяся тем, что в качестве адгезионного подслоя между термически окисленной кремниевой пластиной и нижним электродом используется пленка PZT, идентичная или близкая по стехиометрическому составу пленке PZT, используемой в качестве активного рабочего слоя.
