RU2530534C1 - Ferroelectric capacitor manufacturing method - Google Patents
Ferroelectric capacitor manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2530534C1 RU2530534C1 RU2013144263/07A RU2013144263A RU2530534C1 RU 2530534 C1 RU2530534 C1 RU 2530534C1 RU 2013144263/07 A RU2013144263/07 A RU 2013144263/07A RU 2013144263 A RU2013144263 A RU 2013144263A RU 2530534 C1 RU2530534 C1 RU 2530534C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- layer
- lead
- lower electrode
- solid solution
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области изготовления конденсаторов, а именно к способам изготовления сегнетоэлектрических конденсаторов, и может быть использовано в технологии микроэлектроники при изготовлении широкого класса управляемых электрическим полем элементов, в частности для производства энергонезависимых радиационно-стойких сегнетоэлектрических запоминающих устройств.The invention relates to the field of manufacturing capacitors, and in particular to methods for manufacturing ferroelectric capacitors, and can be used in microelectronics technology in the manufacture of a wide class of elements controlled by an electric field, in particular for the production of non-volatile radiation-resistant ferroelectric storage devices.
Известен способ получения тонких сегнетоэлектрических пленок цирконата-титаната свинца с использованием так называемого затравочного слоя ("seed layer") PbTiO3, который наносится на нижний электрод перед формированием сегнетоэлектрической пленки [Патент США №5817170 МКИ C30B 25/06 от 06.10.1998 г. (аналог)].A known method of producing thin ferroelectric films of lead zirconate titanate using the so-called seed layer PbTiO 3 , which is applied to the lower electrode before forming a ferroelectric film [US Patent No. 5817170 MKI C30B 25/06 from 10/06/1998 (analogue)].
Данный способ позволяет получить мелкозернистую сегнетоэлектрическую пленку, что положительно влияет на ее шероховатость, а также снижает температуру трансформации цирконата-титаната свинца в сегнетоэлектрическую фазу перовскита за счет сниженного барьера зарождения центров кристаллизации PbTiO3. Это также упрощает последующее зародышеобразование и эпитаксиальный рост зерен цирконата-титаната свинца ввиду некритичного рассогласования параметров кристаллической решетки этих материалов. При получении сегнетоэлектрической пленки в аналоге используется пленкообразующий раствор с 10%-ным избытком свинца, который в процессе последующей термообработки компенсирует высокую летучесть оксида свинца по сравнению с оксидами остальных используемых металлов. Недостатком аналога является малый размер оснований столбчатых зерен перовскита, что увеличивает общую площадь межзеренных границ, где могут образовываться дефекты, способствующие увеличению проводимости пленки. Также на границах зерен цирконата-титаната свинца образуются частицы примесной несегнетоэлектрической фазы со структурой пирохлора, присутствие которой негативно влияет на остаточную поляризацию [Sigov A.S., Vorotilov K.A., Zhigalina O.M. Effect of Lead Content on Microstructure of Sol-Gel PZT Structure // Ferroelectrics. - V.433. - P.146-157].This method allows to obtain a fine-grained ferroelectric film, which positively affects its roughness, and also reduces the temperature of transformation of lead zirconate titanate into the ferroelectric phase of perovskite due to the reduced barrier of nucleation of crystallization centers PbTiO 3 . It also simplifies the subsequent nucleation and epitaxial growth of lead zirconate-titanate grains due to uncritical mismatch of the crystal lattice parameters of these materials. When producing a ferroelectric film, an analogue uses a film-forming solution with a 10% excess of lead, which during the subsequent heat treatment compensates for the high volatility of lead oxide in comparison with the oxides of the other metals used. A disadvantage of the analogue is the small size of the bases of perovskite columnar grains, which increases the total area of grain boundaries where defects can form that contribute to an increase in the conductivity of the film. Also, particles of an impurity non-ferroelectric phase with a pyrochlore structure are formed at the grain boundaries of lead zirconate titanate, the presence of which negatively affects the residual polarization [Sigov AS, Vorotilov KA, Zhigalina OM Effect of Lead Content on Microstructure of Sol-Gel PZT Structure // Ferroelectrics. - V.433. - P.146-157].
Наиболее близким техническим решением является способ изготовления сегнетоэлектрического конденсатора, включающий напыление на подложку нижнего электрода, послойное нанесение на нижнем электроде пленкообразующего раствора на основе цирконата-титаната свинца, послойные сушку и пиролиз для формирования нескольких слоев твердого раствора, кристаллизацию нескольких слоев твердого раствора для получения сегнетоэлектрической пленки и напыление верхнего электрода [Патент США №6337032 МКИ H01L 21/02 от 08.01.2002 г. (прототип)].The closest technical solution is a method of manufacturing a ferroelectric capacitor, including sputtering on the substrate of the lower electrode, layer-by-layer deposition on the lower electrode of a film-forming solution based on lead zirconate titanate, layered drying and pyrolysis to form several layers of a solid solution, crystallization of several layers of a solid solution to obtain a ferroelectric films and sputtering of the upper electrode [US Patent No. 6337032 MKI H01L 21/02 of 08/08/2002 (prototype)].
Данный способ обеспечивает изготовление сегнетоэлектрического конденсатора с достаточно высокой диэлектрической проницаемостью, значения которой достигают 550 отн.ед. при поляризации около 22÷30 мкКл/см2. Следует отметить, что для эффективного зародышеобразования в прототипе используется единый пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца с относительно большим содержанием свинца сверх стехиометрии (16÷20%-ный избыток), что также способствует усилению зародышеобразования на поверхности нижнего электрода и увеличению скорости роста зерен в процессе кристаллизации. При этом размеры зерен значительно уменьшаются (более чем в 2-3 раза по сравнению с 0÷5%-ным избытком свинца) и, учитывая высокую скорость роста зерен, это ведет к тому, что далеко не все из зерен смогут прорасти на всю толщину сегнетоэлектрической пленки. Это является причиной нарушения наследственности кристаллической ориентации нижнего электрода в сегнетоэлектрической пленке. Помимо этого при излишнем содержании свинца увеличивается образование включений PbO, кристаллы которого хоть и имеют схожие параметры решетки, но способствуют усилению текстуры (100) [Sigov A.S., Vorotilov K.A., Zhigalina O.M. Effect of Lead Content on Microstructure of Sol-Gel PZT Structure // Ferroelectrics. - V.433. - P.146-157]. Все это негативно сказывается как на проводимости сегнетоэлектрической пленки, так и на остаточной поляризации.This method provides the manufacture of a ferroelectric capacitor with a sufficiently high dielectric constant, the values of which reach 550 rel. with a polarization of about 22 ÷ 30 μC / cm 2 . It should be noted that for effective nucleation, the prototype uses a single film-forming solution based on lead zirconate-titanate with a relatively high lead content in excess of stoichiometry (16 ÷ 20% excess), which also contributes to increased nucleation on the surface of the lower electrode and an increase in the grain growth rate during crystallization. At the same time, the grain sizes are significantly reduced (more than 2–3 times compared with a 0–5% excess of lead) and, given the high grain growth rate, this leads to the fact that not all of the grains can grow to the full thickness ferroelectric film. This is the reason for the violation of the heredity of the crystalline orientation of the lower electrode in the ferroelectric film. In addition, with excessive lead content, the formation of PbO inclusions increases, whose crystals, although they have similar lattice parameters, contribute to strengthening the texture (100) [Sigov AS, Vorotilov KA, Zhigalina OM Effect of Lead Content on Microstructure of Sol-Gel PZT Structure // Ferroelectrics. - V.433. - P.146-157]. All this negatively affects both the conductivity of the ferroelectric film and the residual polarization.
Задачей данного изобретения является улучшение электрических свойств сегнетоэлектрической пленки на основе цирконата-титаната свинца за счет увеличения размеров оснований столбчатых зерен перовскита, что позволяет повысить остаточную поляризацию, увеличить диэлектрическую нелинейность и снизить токи утечки без использования затравочных слоев, существенно отличающихся по составу, а также сложных технологических приемов и оборудования.The objective of the invention is to improve the electrical properties of a ferroelectric film based on lead zirconate-titanate by increasing the size of the bases of perovskite columnar grains, which allows to increase the residual polarization, increase the dielectric nonlinearity and reduce leakage currents without the use of seed layers, significantly different in composition, as well as complex technological methods and equipment.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе изготовления сегнетоэлектрического конденсатора, включающем напыление на подложку нижнего электрода, послойное нанесение на нижнем электроде пленкообразующего раствора на основе цирконата-титаната свинца, послойные сушку и пиролиз для формирования нескольких слоев твердого раствора, кристаллизацию нескольких слоев твердого раствора для получения сегнетоэлектрической пленки и напыление верхнего электрода, новым является то, что в пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца для формирования слоя твердого раствора, примыкающего к нижнему электроду, вводят 0÷7%-ный избыток свинца сверх стехиометрии, а в пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца для формирования остальных слоев твердого раствора вводят 8÷30%-ный избыток свинца сверх стехиометрии.This object is achieved in that in the known method of manufacturing a ferroelectric capacitor, including sputtering a lower electrode on a substrate, layer-by-layer deposition of a film-forming solution based on lead zirconate-titanate on the lower electrode, layer-by-layer drying and pyrolysis to form several layers of a solid solution, crystallization of several layers of a solid solution to obtain a ferroelectric film and the deposition of the upper electrode, it is new that in the film-forming solution based on circus lead nata-titanate to form a layer of a solid solution adjacent to the lower electrode, a 0-7% excess of lead is introduced in excess of stoichiometry, and 8 ÷ 30% is introduced into a film-forming solution based on lead zirconate-titanate to form the remaining layers of lead excess lead over stoichiometry.
Кроме этого, после формирования слоя твердого раствора, примыкающего к нижнему электроду, дополнительно производят его кристаллизацию.In addition, after the formation of a layer of a solid solution adjacent to the lower electrode, it is additionally crystallized.
Кроме этого, в пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца дополнительно вводят, по меньшей мере, одну из легирующих добавок, выбранных из группы, включающей металлы, преимущественно редкоземельные металлы, и полуметаллы.In addition, at least one of the alloying additives selected from the group consisting of metals, mainly rare-earth metals, and semimetals is additionally introduced into the film-forming solution based on lead zirconate titanate.
Кроме этого, нижний электрод выполняют из проводящих материалов, имеющих температуру плавления не ниже 1500°C и период кристаллической решетки с отклонением не более 12% относительно периода кристаллической решетки сегнетоэлектрической пленки.In addition, the lower electrode is made of conductive materials having a melting point not lower than 1500 ° C and a period of the crystal lattice with a deviation of not more than 12% relative to the period of the crystal lattice of a ferroelectric film.
Кроме этого, перед напылением нижнего электрода на подложке дополнительно формируют, по меньшей мере, один из подслоев, обеспечивающих необходимые изолирующие, адгезионные и барьерные свойства.In addition, before spraying the lower electrode on the substrate, at least one of the sublayers is additionally formed, providing the necessary insulating, adhesive and barrier properties.
Кроме этого, верхний электрод выполняют из проводящих материалов, имеющих температуру плавления не ниже 900°C.In addition, the upper electrode is made of conductive materials having a melting point of at least 900 ° C.
Кроме этого, сушку выполняют при температуре 50÷250°C.In addition, drying is carried out at a temperature of 50 ÷ 250 ° C.
Кроме этого, пиролиз выполняют при температуре 300÷450°C.In addition, pyrolysis is performed at a temperature of 300 ÷ 450 ° C.
Кроме этого, кристаллизацию выполняют при температуре 500÷1000°C.In addition, crystallization is performed at a temperature of 500 ÷ 1000 ° C.
Введение в пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца для формирования слоя твердого раствора, примыкающего к нижнему электроду, 0÷7%-ного избытка свинца сверх стехиометрии стимулирует в результате последующей кристаллизации формирование на поверхности нижнего электрода центров зародышеобразования перовскитных зерен цирконата-титаната свинца, которые ввиду невысокой плотности способствуют увеличению размеров оснований столбчатых зерен перовскита.The introduction of lead zirconate titanate into a film-forming solution to form a solid solution layer adjacent to the lower electrode, a 0-7% excess of lead in excess of stoichiometry, as a result of subsequent crystallization stimulates the formation of nucleation centers of perovskite grains of lead zirconate on the surface of the lower electrode, which, due to their low density, contribute to an increase in the size of the bases of columnar perovskite grains.
Введение в пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца для формирования остальных слоев твердого раствора, 8÷30%-ного избытка свинца сверх стехиометрии позволяет, во-первых, восполнять недостаток свинца в нижележащем слое твердого раствора, что необходимо для эффективного роста сегнетоэлектрической перовскитной фазы из центров зародышеобразования и их дальнейшее прорастание на всю толщину сегнетоэлектрической пленки, а во-вторых, компенсировать испарение свинца, происходящее в процессе последующей термообработки и обусловленное повышенной летучестью оксида свинца по сравнению с оксидами остальных используемых металлов.Introducing lead zirconate titanate into a film-forming solution to form the remaining layers of the solid solution, an 8-30% excess lead over stoichiometry allows, firstly, to fill the lead deficiency in the underlying solid solution layer, which is necessary for the effective growth of the ferroelectric perovskite phase from nucleation centers and their further germination over the entire thickness of the ferroelectric film, and secondly, to compensate for the evaporation of lead that occurs during subsequent heat treatment and buslovlennoe increased volatility of lead oxide as compared with other oxides of the metals used.
Дополнительная кристаллизация сформированного слоя твердого раствора, примыкающего к нижнему электроду, исключает возможность диффузии свинца из сформированного впоследствии вышележащего слоя твердого раствора с завышенным (8-30%) избыточным содержанием свинца, что приводит к нежелательному выравниванию содержания свинца в слоях твердого раствора.Additional crystallization of the formed solid solution layer adjacent to the lower electrode eliminates the possibility of lead diffusion from the subsequently formed overlying solid solution layer with an overestimated (8-30%) excess lead content, which leads to undesirable alignment of the lead content in the solid solution layers.
Дополнительное введение в пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца, по меньшей мере, одной из легирующих добавок, выбранных из группы, включающей металлы, преимущественно редкоземельные металлы, и полуметаллы, обеспечивает снижение проводимости в результате легирования донорными примесями сегнетоэлектрического материала р-типа.The additional introduction of at least one of the alloying additives selected from the group consisting of metals, mainly rare-earth metals and semimetals into the film-forming solution based on lead zirconate-titanate provides a decrease in conductivity as a result of alloying with p-type ferroelectric material by donor impurities.
Выполнение нижнего электрода из проводящих материалов, имеющих температуру плавления не ниже 1500°C, предотвращает их возможное разрушение или деградацию в результате кристаллизации и других возможных технологических операций, в процессе которых происходит термическое воздействие, а также предотвращает возможную диффузию как материалов адгезионного или барьерного подслоев, так и компонентов сегнетоэлектрической пленки. Выполнение нижнего электрода из материалов, имеющих период кристаллической решетки с отклонением не более 12% относительно периода кристаллической решетки сегнетоэлектрической пленки, обеспечивает эпитаксиальный рост перовскитных зерен цирконата-титаната свинца на зеренной структуре нижнего электрода, наследуя его кристаллическую ориентацию.The implementation of the lower electrode of conductive materials having a melting point not lower than 1500 ° C prevents their possible destruction or degradation as a result of crystallization and other possible technological operations during which thermal action occurs, and also prevents possible diffusion of materials as adhesive or barrier sublayers, and components of a ferroelectric film. The implementation of the lower electrode of materials having a crystal lattice period with a deviation of not more than 12% relative to the crystal lattice period of the ferroelectric film provides epitaxial growth of perovskite grains of lead zirconate titanate on the grain structure of the lower electrode, inheriting its crystal orientation.
Выполнение нижнего электрода из проводящих материалов, имеющих температуру плавления не ниже 900°C, предотвращает их возможное разрушение или деградацию в результате возможных технологических операций, в процессе которых происходит термическое воздействие, а также предотвращает возможную диффузию компонентов сегнетоэлектрической пленки.The implementation of the lower electrode of conductive materials having a melting point not lower than 900 ° C prevents their possible destruction or degradation as a result of possible technological operations during which thermal action occurs, and also prevents possible diffusion of the components of the ferroelectric film.
Дополнительное формирование на подложке подслоя, обеспечивающего необходимые изолирующие свойства, исключает электрический контакт нижнего электрода с подложкой в случае ее электропроводности. Дополнительное формирование на подложке подслоя, обеспечивающего необходимые адгезионные свойства, предотвращает отслаивание нижнего электрода за счет прочного сцепления. Дополнительное формирование перед напылением нижнего электрода на подложке подслоя, обеспечивающего необходимые барьерные свойства, исключает взаимодействие находящихся в контакте материалов за счет инертности к ним.The additional formation of a sublayer on the substrate, providing the necessary insulating properties, eliminates the electrical contact of the lower electrode with the substrate in case of its electrical conductivity. The additional formation of a sublayer on the substrate, providing the necessary adhesive properties, prevents peeling of the lower electrode due to strong adhesion. Additional formation before deposition of the lower electrode on the substrate of the sublayer, which provides the necessary barrier properties, eliminates the interaction of materials in contact due to inertness to them.
Выполнение сушки при температуре 50÷250°C обеспечивает удаление органических растворителей.Performing drying at a temperature of 50 ÷ 250 ° C ensures the removal of organic solvents.
Выполнение пиролиза при температуре 300÷450°C стимулирует термодеструкцию органических групп и соединений.Performing pyrolysis at a temperature of 300 ÷ 450 ° C stimulates the thermal degradation of organic groups and compounds.
Выполнение кристаллизации при температуре 500÷1000°C обеспечивает трансформацию нескольких аморфных слоев твердого раствора в единую сегнетоэлектрическую пленку, представляющую собой проросшие столбчатые зерна цирконата-титаната свинца, имеющие структуру перовскита.Performing crystallization at a temperature of 500-1000 ° C ensures the transformation of several amorphous layers of the solid solution into a single ferroelectric film, which is a sprouted columnar grain of lead zirconate titanate having a perovskite structure.
Ниже приводится описание одного из многочисленных вариантов выполнения способа изготовления сегнетоэлектрического конденсатора, каждый из которых подчинен единому изобретательскому замыслу, отображенному в формуле изобретения.The following is a description of one of the many variants of the method of manufacturing a ferroelectric capacitor, each of which is subject to a single inventive concept, as shown in the claims.
Изобретение поясняется графическими материалами, где показаны:The invention is illustrated by graphic materials, which show:
на фиг.1 - поперечное сечение сегнетоэлектрического конденсатора, изготовленного по п.1 формулы изобретения;figure 1 is a cross section of a ferroelectric capacitor made according to
на фиг.2 - поперечное сечение сегнетоэлектрического конденсатора, изготовленного по п.2 формулы изобретения;figure 2 is a cross section of a ferroelectric capacitor made according to
на фиг.3 - зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля для образца, изготовленного по п.1 формулы изобретения;figure 3 - dependence of the dielectric constant on the electric field for a sample made according to
на фиг.4 - зависимость поляризации от напряженности электрического поля для образца, изготовленного по п.1 формулы изобретения;figure 4 - dependence of polarization on the electric field for a sample made according to
на фиг.5 - зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля для образца, изготовленного по п.2 формулы изобретения;figure 5 - dependence of the dielectric constant on the electric field for a sample made according to
на фиг.6 - зависимость поляризации от напряженности электрического поля для образца, изготовленного по п.2 формулы изобретения.figure 6 - dependence of polarization on the electric field for a sample made according to
Способ изготовления сегнетоэлектрического конденсатора осуществляют следующим образом.A method of manufacturing a ferroelectric capacitor is as follows.
Изготовлению сегнетоэлектрического конденсатора предшествует приготовление пленкообразующего раствора на основе цирконата-титаната свинца, осуществляемое, например, в соответствии со способом, описанным в Патенте РФ №2470866 от 27.12.2012 г. Пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца может дополнительно содержать, по меньшей мере, одну из легирующих добавок, выбранных из группы, включающей металлы, преимущественно редкоземельные металлы, и полуметаллы, встраиваемые в структуру кристаллической решетки перовскита ABO3 в положении A, преимущественно, лантан, и/или в положении B, преимущественно, ниобий, для компенсации свободных носителей заряда (дырок).The manufacture of a ferroelectric capacitor is preceded by the preparation of a film-forming solution based on lead zirconate-titanate, carried out, for example, in accordance with the method described in RF Patent No. 2470866 of 12/27/2012. A film-forming solution based on lead zirconate-titanate may additionally contain at least , one of the alloying additives selected from the group consisting of metals, mainly rare-earth metals, and semimetals embedded in the structure of the ABO 3 perovskite crystal lattice in polo reduction of A, mainly lanthanum, and / or in position B, mainly niobium, to compensate for free charge carriers (holes).
Для непосредственного изготовления сегнетоэлектрического конденсатора берут диэлектрическую, полупроводниковую или проводящую подложку 1, преимущественно, полупроводниковую кремниевую пластину. Затем, при необходимости, на подложке 1 формируют диэлектрический подслой, преимущественно SiO2, используя, например, метод термического окисления. После этого формируют адгезионный слой, преимущественно TiO2 или Ti. При необходимости формируют барьерный слой, преимущественно TiN. Затем на подложку 1 напыляют нижний электрод 2 из тугоплавких проводящих материалов, таких как платина, палладий, иридий, родий, проводящие оксиды IrO2, RuO2, проводящие перовскитоподобные оксиды SrRuO3, Sr2RuO4, LaNiO3, LaCoO3, LaNiCoO3, LaSrCoO9, BaSrRuO3, гибридные двухслойные материалы Ir/IrO2, Pt/Ru, Pt/SrRuO3, Ru/BaSrRuO3 и т.д., преимущественно из платины, зерна которой при формировании на полупроводниковой кремниевой пластине имеют строгую кристаллографическую ориентацию.For the direct manufacture of a ferroelectric capacitor take a dielectric, semiconductor or
Следующим этапом на нижний платиновый электрод 2 наносят пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца с 0-7%-ным избытком свинца сверх стехиометрии, преимущественно с 5%-ным избытком свинца сверх стехиометрии. Для нанесения пленкообразующего раствора выбирают один из методов химического осаждения из растворов: центрифугирование, окунание, аэрозольное напыление (пульверизацию) или окрашивание, преимущественно метод центрифугирования при скорости вращения 750-9000 об/мин, преимущественно 3000 об/мин. Затем полученный слой сушат с помощью горячей плиты (hot plate), инфракрасного излучения или установки быстрого термического отжига (RTA) при температуре 50÷250°C в течение 0,1÷15 мин, преимущественно с помощью горячей плиты или инфракрасного излучения в течение 5 мин. После сушки слой подвергают пиролизу посредством муфельной печи, диффузионной печи, инфракрасного излучения или установки быстрого термического отжига (RTA) при температуре 300÷450°C в течение 0,5÷30 мин, преимущественно посредством муфельной печи в течение 10 мин. В результате этой операции формируется так называемый затравочный слой твердого раствора 3-1. В одном из исполнений настоящего изобретения дополнительно производят кристаллизацию 4 затравочного слоя твердого раствора 3-1 для получения тонкой сегнетоэлектрической пленки 5. После этого таким же образом и при таких же условиях (но без кристаллизации) сверху формируют остальные слои твердого раствора 3-2…3-n (n - количество слоев) путем послойного нанесения, сушки и пиролиза пленкообразующего раствора на основе цирконата-титаната свинца с 8÷30%-ным избытком свинца, преимущественно с 15÷30%-ным избытком свинца сверх стехиометрии. Следующим этапом производят кристаллизацию 4 для получения сегнетоэлектрической пленки 5.The next step is to apply a film-forming solution based on lead zirconate titanate with a 0-7% excess of lead over stoichiometry to the
Кристаллизацию 4 осуществляют в муфельной печи, диффузионной печи или установке быстрого термического отжига (RTA) при температуре 500÷1000°C в течение 0,5÷90 мин, преимущественно в муфельной печи при температуре 600°C в течение 15 мин.
Все этапы термообработки (сушку, пиролиз и кристаллизацию 4) осуществляют в воздушной среде или вакууме в присутствии, по меньшей мере, одного газа, выбранного из группы, включающей азот, кислород и инертные газы, преимущественно в воздушной среде.All stages of heat treatment (drying, pyrolysis and crystallization 4) are carried out in air or vacuum in the presence of at least one gas selected from the group comprising nitrogen, oxygen and inert gases, mainly in air.
Изготовление сегнетоэлектрического конденсатора заканчивается напылением верхнего электрода 6 из проводящих материалов, таких как платина, палладий, иридий, родий, золото, серебро, проводящие оксиды IrO2, RuO2, проводящие перовскитоподобные оксиды SrRuO3, Sr2RuO4, LaNiO3, LaCoO3, LaNiCoO3, LaSrCoO9, BaSrRuO3, гибридные двухслойные материалы Ir/IrO2, Pt/Ru, Pt/SrRuO3, Ru/BaSrRuO3, и т.д., преимущественно из платины.The manufacture of a ferroelectric capacitor ends with the deposition of the
Таким образом, в основе изобретения лежат следующие два конкурирующих процесса.Thus, the invention is based on the following two competing processes.
1. При недостаточной концентрации свинца и сравнительно толстой сегнетоэлектрической пленке 5, получаемой из нескольких слоев твердого раствора 3-1…3-n, зерна разрастаются вширь, но не имеют возможности прорасти вверх на всю толщину сегнетоэлектрической пленки.1. With an insufficient concentration of lead and a relatively thick ferroelectric film 5, obtained from several layers of a solid solution 3-1 ... 3-n, the grains grow in breadth, but cannot grow up to the full thickness of the ferroelectric film.
2. При увеличении избытка свинца удается сформировать столбчатые эпитаксиальные зерна перовскита, но размеры зерен, точнее их оснований, уменьшаются, а значит, не каждое из зерен сможет прорасти на всю толщину сегнетоэлектрической пленки 5.2. With an increase in the excess of lead, it is possible to form columnar epitaxial grains of perovskite, but the grain sizes, more precisely their bases, decrease, which means that not every grain can grow through the entire thickness of the ferroelectric film 5.
Таким образом, слой твердого раствора 3-1 с относительно низким избытком свинца играет роль затравочного слоя для последующего эпитаксиального роста более совершенных перовскитных зерен цирконата-титаната свинца, т.к. ввиду невысокой плотности центров зародышеобразования при прорастании зерен вдоль плоскости сегнетоэлектрической пленки 5 не наблюдается активная конкуренция роста зерен между собой. Рост зерен протекает в трех направлениях из центров зародышеобразования до тех пор, пока перовскиты не начнут соприкасаться друг с другом, после чего идет рост только вверх, образуя столбчатую структуру.Thus, the layer of solid solution 3-1 with a relatively low excess of lead plays the role of a seed layer for subsequent epitaxial growth of more perfect perovskite grains of lead zirconate-titanate, because Due to the low density of nucleation centers during the germination of grains along the plane of the ferroelectric film 5, there is no active competition between the grain growth. Grain growth proceeds in three directions from the centers of nucleation until the perovskites begin to come into contact with each other, after which there is growth only upward, forming a columnar structure.
Повышение содержания свинца в слоях твердого раствора 3-2…3-n, расположенных над затравочным слоем 3-1, способствует эпитаксиальному непрерывному росту больших столбчатых зерен цирконата-титаната свинца на всю толщину сегнетоэлектрической пленки 5.An increase in the lead content in the layers of the solid solution 3-2 ... 3-n located above the seed layer 3-1 promotes the epitaxial continuous growth of large columnar grains of lead zirconate titanate over the entire thickness of the ferroelectric film 5.
Более совершенный эпитаксиальный рост реализуется за счет использования максимально близких по составу пленкообразующих растворов, отличающихся только по содержанию свинца, влияющего, по сути, лишь на зародышеобразование и последующий рост зерен перовскита, но не вызывающего рассогласования параметров кристаллической решетки.More perfect epitaxial growth is realized through the use of film-forming solutions that are as close as possible in composition, differing only in lead content, which, in fact, affects only nucleation and subsequent growth of perovskite grains, but not causing a mismatch in the crystal lattice parameters.
При дополнительной кристаллизации слоя твердого раствора 3-1, примыкающего к нижнему электроду 2, происходит непосредственное выращивание на нижнем электроде 2 тонкой эпитаксиальной сегнетоэлектрической пленки 5, состоящей из больших перовскитных зерен цирконата-титаната свинца. Дополнительная кристаллизация исключает возможность диффузии свинца из сформированного впоследствии вышележащего слоя твердого раствора 3-2 с большим (8-30%-ным) избыточным содержанием свинца, предотвращая нарушение условия пониженного (0-7%-ного) избыточного содержания свинца в слое твердого раствора 3-1, примыкающего к нижнему электроду 2.With additional crystallization of the layer of solid solution 3-1 adjacent to the
Таким образом, получаемые в объеме сегнетоэлектрической пленки 5 большие столбчатые зерна перовскита улучшают однородность поликристаллической пленки цирконата-титаната свинца и, соответственно, ее электрические свойства.Thus, large columnar perovskite grains obtained in the volume of the ferroelectric film 5 improve the homogeneity of the polycrystalline film of lead zirconate titanate and, accordingly, its electrical properties.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими двумя примерами.The proposed technical solution is illustrated by the following two examples.
Пример 1.Example 1
В качестве подложки 1 используют полупроводниковую кремниевую пластину. На ней методом термического окисления формируют изолирующий подслой диоксида кремния (300÷500 нм), на котором формируют адгезионный подслой диоксида титана (10÷15 им). Сверху напыляют нижний электрод 2 из платины (100÷200 им) со строгой кристаллографической ориентацией (111).As the
На нижний электрод 2 наносят пленкообразующий раствор цирконата-титаната свинца с 5%-ным избытком свинца методом центрифугирования при скорости вращения 3000 об/мин. Затем полученный слой сушат с помощью инфракрасного излучения при температуре 180°C в течение 5 мин. После сушки слой подвергают пиролизу при температуре 400°C в течение 10 мин для формирования затравочного слоя твердого раствора 3-1. После этого таким же образом и при таких же условиях сверху формируют остальные пять слоев твердого раствора 3-2…3-5 путем послойного нанесения, сушки и пиролиза пленкообразующего раствора цирконата-титаната свинца с 30%-ным избытком свинца. Окончательную сегнетоэлектрическую пленку 5 получают в результате кристаллизации 4 при температуре 600°C в течение 15 мин.A film-forming solution of lead zirconate titanate with a 5% excess lead is applied to the
Все этапы термообработки (сушка, пиролиз и кристаллизация 4) осуществляют в воздушной среде. Пиролиз и кристаллизацию 4 проводят в муфельной печи.All stages of heat treatment (drying, pyrolysis and crystallization 4) are carried out in air. Pyrolysis and
Толщина полученной сегнетоэлектрической пленки 5 составляет 226 им.The thickness of the obtained ferroelectric film 5 is 226 them.
Для экспериментального исследования образцов сегнетоэлектрических пленок в качестве верхнего электрода 6 использовали ртуть.For the experimental study of samples of ferroelectric films, mercury was used as the
Измерения вольт-фарадных характеристик проводились на измерительном комплексе фирмы Materials Development Corporation, оснащенном высокоточным LCR-измерителем Agilent 4284A и ртутным зондом MDC 802-150 с площадью контакта 0,53 мм2 и вариантом подключения точка-кольцо при напряжении развертки ±6 В.The capacitance-voltage characteristics were measured on a measuring complex of Materials Development Corporation, equipped with an Agilent 4284A high-precision LCR meter and an MDC 802-150 mercury probe with a contact area of 0.53 mm 2 and a point-to-ring connection with a scan voltage of ± 6 V.
Измерения петель гистерезиса проводились с помощью специализированного комплекса AixACCT TF Analyzer 2000 при напряжении развертки ±8…10 В и частоте сигнала 100 Гц.Hysteresis loops were measured using the specialized AixACCT TF Analyzer 2000 complex at a scan voltage of ± 8 ... 10 V and a signal frequency of 100 Hz.
Полученный образец имеет довольно высокую диэлектрическую нелинейность (εmax≈764, εmin≈257) и значения остаточной поляризации Pr≈24,2 мкКл/см2.The obtained sample has a rather high dielectric nonlinearity (ε max ≈ 764, ε min ≈ 257) and residual polarization values P r ≈ 24.2 μC / cm 2 .
Пример 2.Example 2
Данный пример полностью повторяет Пример 1, но после формирования затравочного слоя твердого раствора 3-1 его подвергают кристаллизации 4 при температуре 600°C в течение 15 мин.This example fully repeats Example 1, but after the formation of the seed layer of solid solution 3-1, it is crystallized 4 at a temperature of 600 ° C for 15 minutes
Толщина полученной сегнетоэлектрической пленки 5 составляет 300 нм.The thickness of the obtained ferroelectric film 5 is 300 nm.
Образец отличается высокой диэлектрической нелинейностью (εmax≈949, εmin≈326), достаточно большими значениями остаточной поляризации Pr≈33,8 мкКл/см2 и лучшей по сравнению с Примером 1 прямоугольностью петли.The sample is characterized by high dielectric nonlinearity (ε max ≈ 949, ε min ≈ 326), sufficiently large values of the residual polarization P r ≈ 33.8 μC / cm 2 and a better loop squareness compared to Example 1.
Технико-экономический эффект состоит в том, что повышаются надежность и энергоэффективность устройств, в составе которых используются сегнетоэлектрические конденсаторы, изготовляемые в соответствии с данным способом.The technical and economic effect consists in increasing the reliability and energy efficiency of devices that use ferroelectric capacitors manufactured in accordance with this method.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013144263/07A RU2530534C1 (en) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | Ferroelectric capacitor manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013144263/07A RU2530534C1 (en) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | Ferroelectric capacitor manufacturing method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2530534C1 true RU2530534C1 (en) | 2014-10-10 |
Family
ID=53381695
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013144263/07A RU2530534C1 (en) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | Ferroelectric capacitor manufacturing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2530534C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU186911U1 (en) * | 2018-10-26 | 2019-02-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" | POROUS FERROELECTRIC CAPACITOR WITH ELECTRODES FROM LaNiO3 |
RU2714273C1 (en) * | 2018-12-29 | 2020-02-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Method of forming a double-layer light-absorbing electroconductive structure |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5817170A (en) * | 1993-06-22 | 1998-10-06 | Ceram Incorporated | Low temperature seeding process for ferroelectric memory device |
EP0939434A1 (en) * | 1998-02-25 | 1999-09-01 | Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum Vzw | Method for fabricating ferroelectric thin films using a sol-gel technique |
US6162649A (en) * | 1998-12-22 | 2000-12-19 | Hyundai Electronics Industries Co., Ltd. | Method of manufacturing ferroelectric memory device |
US6337032B1 (en) * | 1995-07-27 | 2002-01-08 | Nortel Networks Limited | Sol-gel precursor and method for formation of ferroelectric materials for integrated circuits |
RU2472254C1 (en) * | 2011-11-14 | 2013-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" (МФТИ) | Memristor based on mixed oxide of metals |
RU131234U1 (en) * | 2012-12-28 | 2013-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Мегаимпульс" | SUBSTRATE FOR THE APPLICATION OF THIN-FILMED FERROELECTRIC HETEROSTRUCTURES |
-
2013
- 2013-10-02 RU RU2013144263/07A patent/RU2530534C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5817170A (en) * | 1993-06-22 | 1998-10-06 | Ceram Incorporated | Low temperature seeding process for ferroelectric memory device |
US6337032B1 (en) * | 1995-07-27 | 2002-01-08 | Nortel Networks Limited | Sol-gel precursor and method for formation of ferroelectric materials for integrated circuits |
EP0939434A1 (en) * | 1998-02-25 | 1999-09-01 | Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum Vzw | Method for fabricating ferroelectric thin films using a sol-gel technique |
US6162649A (en) * | 1998-12-22 | 2000-12-19 | Hyundai Electronics Industries Co., Ltd. | Method of manufacturing ferroelectric memory device |
RU2472254C1 (en) * | 2011-11-14 | 2013-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" (МФТИ) | Memristor based on mixed oxide of metals |
RU131234U1 (en) * | 2012-12-28 | 2013-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Мегаимпульс" | SUBSTRATE FOR THE APPLICATION OF THIN-FILMED FERROELECTRIC HETEROSTRUCTURES |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU186911U1 (en) * | 2018-10-26 | 2019-02-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" | POROUS FERROELECTRIC CAPACITOR WITH ELECTRODES FROM LaNiO3 |
RU2714273C1 (en) * | 2018-12-29 | 2020-02-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Method of forming a double-layer light-absorbing electroconductive structure |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3436617B2 (en) | Manufacturing method of ferroelectric thin film | |
JP3730122B2 (en) | Ferroelectric integrated circuit memory cell and manufacturing method thereof | |
KR100570860B1 (en) | Voltage cycling recovery of ferroelectric film damaged during processing | |
CN1265224A (en) | Process for fabricating layered superlattice materials and ABO3, type metal oxides and making electronic devices including same without exposure to oxygen | |
JP7011760B2 (en) | Method for manufacturing a membrane structure | |
US20040048455A1 (en) | Method of making layered superlattice material with improved microstructure | |
US10243134B2 (en) | Piezoelectric film and piezoelectric ceramics | |
JP2008227345A (en) | Laminated structure on semiconductor substrate | |
JPH11502375A (en) | Method of manufacturing laminated superlattice material and method of manufacturing electronic device having the same | |
US20180230603A1 (en) | Electrode, ferroelectric ceramics and manufacturing method thereof | |
JP2019016793A (en) | Film structure body and method for manufacturing the same | |
US10854808B2 (en) | Ferroelectric ceramics, electronic component and manufacturing method of ferroelectric ceramics | |
Guo et al. | Ferroelectric and pyroelectric properties of (Na0. 5Bi0. 5) TiO3–BaTiO3 based trilayered thin films | |
US6437380B1 (en) | Ferroelectric device with bismuth tantalate capping layer and method of making same | |
RU2530534C1 (en) | Ferroelectric capacitor manufacturing method | |
KR0156044B1 (en) | Manufacture for ferroelectric thin film | |
Laha et al. | Role of La0. 5Sr0. 5CoO3 template layers on dielectric and electrical properties of pulsed-laser ablated Pb (Nb2/3Mg1/3) O3–PbTiO3 thin films | |
Shoyama et al. | Dielectric properties of alkoxy-derived Sr 2 Nb 2 O 7 thin films crystallized via rapid thermal annealing | |
JPH08153854A (en) | Method for manufacturing ferroelectric thin film capacitor | |
CN1880275A (en) | Non-plumbum series ferroelectric film with ingredient gradient distribution and its preparation method | |
RU153583U1 (en) | SEGNET ELECTRIC CAPACITOR | |
Simões et al. | Effect of the microwave oven on structural, morphological and electrical properties of SrBi4Ti4O15 thin films grown on Pt/Ti/SiO2/Si substrates by a soft chemical method | |
Ruangchalermwong et al. | Phase transition and electrical properties of highly [1 1 1]-oriented and niobium-modified Pb (ZrxTi1− x) O3 thin films with different Zr/Ti ratios | |
Lee et al. | Preparation and electrical properties of high quality PZT thin films on RuOx electrode | |
Chen et al. | Structural and electrical properties of Pb (Zr0. 53Ti0. 47) O3 films prepared on La0. 5Sr0. 5CoO3 coated Si substrates |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181003 |