УДК 539.23; 621.793
РОЩИН В.М., СИЛИБИН М.В.,

ЯКОВЛЕВ В.Б., ЛОВЯГИНА М.С.
СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ СВЕРХТОНКИХ ПЛЕНОК
ТИТАНАТОВ - ЦИРКОНАТОВ СВИНЦА
ГОУВПО Московский институт элеткронной техники (МИЭТ),
124489, Россия, Москва-Зеленоград,
1-й Западный проезд, дом 12, стр. 1
Уменьшение размеров элементов полупроводниковых приборов
и ИС, конструирование и создание альтернативных типов сенсорных
устройств требует поиска как новых пленочных наноразмерных функ-
циональных материалов, так и технологий их формирования. Одним из
таких направлений современной деятельности научных и технологиче-
ских коллективов является разработка сегнетоэлектрических пленок с
толщиной 50...150 нм и возможностью адаптации процессов нанесе-
ния и синтеза к кремниевой технологии. Как известно, сегнетоэлек-
трические свойства пленок титанатов-цирконатов свинца и бария
очень чувствительны к структурным и стехиометрическим отклонени-
ям, которые, в свою очередь, сильно зависят от выбранного способа
синтеза и условий его проведения.
В настоящее время пленки твердых растворов сегнетоэлектри-
ков получают по сложной многоступенчатой технологии, которая
включает предварительный синтез твердых растворов оксидов, нане-
сение их на подложку и последующую высокотемпературную обра-
ботку. Такие технологии дают возможность получать пленки толщи-
ной от 0,15...0,2 мкм. Для более тонких пленок достижение требуемых
механических и электрофизических характеристик, а также воспроиз-
водимость их параметров, представляет серьезную научную и практи-
ческую проблему.
Для технологии синтеза твердых растворов титанатов-
цирконатов свинца (бария) был предложен процесс термического
окисления металлической пленки титана-циркония, полученной ион-
но-плазменным методом с использованием двух источников металли-
ческой плазмы. В качестве исходной пленки металла были использо-
ваны как многослойные структуры Ti/Zr, сформированные
последовательным осаждением титана и циркония, так и пленки спла-
ва Ti52Zr48, осажденные при распылении мишени аналогичного соста-
ва. Изохорическое окисление проводилось в присутствии кислорода и
порошкового оксида свинца или бария. Параметрами процесса синтеза
являлись температура и время выдержки структур. Толщина исходной
пленки металла составляла 25 нм и 50 нм. Процесс термообработки
проводился в температурном интервале от 673К до 873К в течение
1...3 часов. Морфология поверхности пленок исследовалась на скани-

рующем зондовом микроскопе фирмы НТ-МДТ Р47 Solver. Со-
став и распределение элементов по толщине покрытия определялся по
данным ВИМС (установка CAMECA IMS4F) и Оже-спектроскопии
(Scanning Auger Multiprobe PHI-660 фирмы Perkin Elmer(USA)). Сег-
нетоэлектрические свойства пленок исследовались по схеме Сойера-
Тауэра на специализированном измерительном стенде, включающим
генератор и цифровой осциллограф Tektronix TDC-3014. В тестовых
структурах в качестве верхнего электрода использовались серебряные
контакты, напыленные через маску.
В соответствии со стехиометрией твердых растворов
Pb(Ba)Ti0,52Zr0,48O3 расчетная толщина пленок составила соответствен-
но 75 нм и 150 нм. По данным АСМ в полуконтактном режиме на по-
верхности просматривалась характерная блочная структура. Размер
кристаллитов пленки слабо зависел от температуры и времени отжига
в указанных выше диапазонах, что может быть объяснено малой тол-
щиной пленки и невысокими скоростями нагрева/охлаждения
(5 К/мин). В тоже время, размер и форма кристаллитов зависели от
исходной толщины пленки сплава Ti52Zr48. Для пленок сплава исход-
ной толщины 25 нм средний размер зерна, определяемый как расстоя-
ние между двумя локальными минимумами, составил 25...50 нм, в
тоже время для более толстых пленок (50 нм) кристаллиты имели эл-
липсоидное сечение с размерами соответственно 40...60
нм и
80...120 нм по взаимно перпендикулярным сечениям.
Исследования состава синтезированных пленок показали, что
при окислительном отжиге многослойной структуры Ti/Zr, в указан-
ных выше температурных и временных интервалах, перемешивания
титана и циркония не происходило и пленка оставалась модулирован-
ной по составу. При окислительном синтезе пленки сплава соотноше-
ние титана и циркония в пленке совпадало с аналогичным мольным
соотношением компонентов в распыляемой мишени. Количество ки-
слорода соответствовало стехиометрическому для смеси оксидов ти-
тана и циркония Ti0,52Zr0,48О2. По данным ВИМС было установлено,
что распределение свинца в пленке близко к равномерному с неболь-
шим избытком вблизи поверхности.
Пьезоэлектрические свойства пленок твердых растворов титана-
тов-цирконатов исследовалась в диапазонах 2...12 В и 0,2...1000 Гц.
Форма петли гистерезиса зависела от частоты и амплитуды приложен-
ного синусоидального напряжения (рис.1 и 2). Величина коэрцитивно-
го поля для пленок PbTi0,52Zr0,48O3 толщиной 75 нм составила
5,3 кВ/см.





а)
б)

в)
Рис.1. Форма петли гистерезиса в зависимости от частоты
а) 0,2 Гц; б) 1 Гц; в) 5 Гц. Толщина пленки PbTi0,52Zr O
0,48
3 75 нм

Рис.2. Пьезоэлектрический гистерезис для синусоидального напряже-
ния амплитудой 3, 6 и 9 В. Толщина пленки PbTi0,52Zr0,48O3 75 нм

Document Outline