Общая характеристика работы

Актуальность исследования.

Бурно развивающаяся отрасль микроэлектронных устройств предъявляет высокие требования к функциональным материалам, применяемым в ней. Значительную долю этой области занимают тонкопленочные оксидные сегнетоэлектрики, поскольку они обладают высокими электрофизическими характеристиками, которые и определяют области их применения в таких устройствах как датчики давления, акселерометры, микрофоны, манипуляторы, медицинские ультразвуковые преобразователи, микроволновые тюнеры, энергонезависимая память, электрооптические модуляторы и др.

Конкурентоспособность тонких пленок ЦТС в сравнении с их объемными аналогами определяется применением относительно дешевых методов их формирования при относительно низких температурах, совместимостью с микроэлектронной технологией, миниатюрностью, использованием существенно более низких напряжений для переключения спонтанной поляризации, сохранением высоких значений диэлектрических и пьезоэлектрических параметров.

Вместе с тем, структура и физические свойства тонких слоев ЦТС в значительной степени определяются технологическими условиями синтеза пленок и материала подложки (и нижнего электрода), в качестве которого, в силу привязки к современной кремниевой микроэлектронике, используются платинированные пластины монокристаллического кремния. Это приводит к тому, что реальные тонкие слои ЦТС (выращенные in-situ либо ex-situ) характеризуются поликристаллической перовскитовой структурой, развитой морфологией поверхности, возможными нановключениями несегнетоэлектрической фазы, в первую очередь, оксида свинца, локализованного как на интерфейсах тонкого слоя, так и в межкристаллитном пространстве. Практика показала, что з

микроструктура и фазовый состав тонких слоев ЦТС, их элементная однородность, и, как следствие, физико-химические свойства непосредственно зависят как от технологических условий их формирования, так и от качества кремниевой подложки со сформированными на ней функциональными подслоями.

В этой связи анализ механизмов формирования (роста) фазы перовскита в подобных поликристаллических тонких пленках ЦТС, изучение взаимосвязи сегнетоэлектрических характеристик с их микрокристаллической структурой и составом, а также определение соотношения различных модификаций сегнетоэлектрических фаз в области морфотропной фазовой границы, в том числе моноклинной фазы, представляется актуальной темой исследований.

Целью настоящей диссертационной работы являлось изучение особенностей фазового и элементного состава тонких пленок цирконата титаната свинца состава, соответствующего области морфотропной фазовой границы, их микроструктуры и сегнетоэлектрических характеристик в зависимости от технологических параметров изготовления и параметров кристаллизации фазы перовскита.

Объекты исследования:

Объектами исследования являлись пленки цирконата-титаната свинца, полученные методом ВЧ магнетронного распыления керамической мишени состава PbZr_{0 54}Ti₀₄₆O₃, содержащей дополнительно 10% мол.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследования:

1. Изучение особенностей формирования фазы перовскита в тонких поликристаллических пленках ЦТС в области МФГ на основе анализа элементного состава и микроструктуры пленок на различных технологических этапах их изготовления.

2. Проведение фазового анализа тонких пленок ЦТС в области МФГ, сформированных при изменении давления рабочего газа и режимов высокотемпературного отжига.

3. Анализ диэлектрических и пьезоэлектрических параметров тонкопленочных сегнетоэлектрических конденсаторов на основе ЦТС и выявление связи этих параметров с кристаллической структурой и составом пленок.

Научная новизна работы.

1. Впервые отработана технология малого изменения состава (в пределах 2 %) в области МФГ пленок ЦТС, осажденных из керамической мишени

4

методом ВЧ магнетронного осаждения.

2. Методом дифракции отраженных электронов впервые проведен планомерный анализ кристаллической структуры поликристаллических тонких пленок ЦТС, определено влияние давления рабочего газа в процессе осаждения и температуры отжига пленок на соотношение моноклинной и тетрагональной фаз.

3. Показано, что нагрев тонкопленочного PtΛJ,TC∕Pt конденсатора на

кремниевой подложке выше температуры Кюри приводит к реориентации вектора поляризации, обусловленного униполярностью

сегнетоэлектрического слоя.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Изменение условий термализации атомов в газовой плазме путем варьирования давления газовой смеси в рабочей камере установки ВЧ магнетронного распыления позволяет, используя одну керамическую мишень ЦТС, изменять в широких пределах содержание свинца в осажденных пленках, и осуществлять малое варьирование соотношения Zr/Ti в пределах морфотропной фазовой границы.

2. При комнатной температуре перовскитовые тонкие пленки ЦТС составов, соответствующих области МФГ, характеризуются сосуществованием моноклинной и тетрагональной модификаций сегнетоэлектрической фазы, соотношение между которыми меняется в пользу тетрагональной фазы как с ростом температуры отжига, так и при нагреве образцов в диапазоне 20-200 °С.

3. Изменение ориентации вектора поляризации, связанного с униполярностью, в тонких пленках ЦТС при нагревании образцов выше температуры Кюри наиболее вероятно определяется перераспределением подвижных носителей заряда между нижним и верхним интерфейсами.

Теоретическая значимость.

В работе предложен и обоснован механизм формирования перовскитовой структуры в пленках ЦТС. Показана взаимосвязь микрокристаллической структуры пленок ЦТС с их электрофизическими характеристиками, что является важным с точки зрения выявления причин высоких значений электрофизических параметров пленок

Практическая значимость.

В работе установлена взаимосвязь микроструктуры и сегнетоэлектрических характеристик тонких пленок с технологическими условиями их получения, что может иметь большое значение для оптимизации технологических процессов получения

сегнетоэлектрических пленок ЦТС с заданными параметрами.

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертации обеспечивается:

1. Использованием современного высокотехнологичного

5

научного оборудования и методик формирования и анализа тонких сегнетоэлектрических пленок, включая метод ВЧ-магнетронного распыления, методы растровой электронной микроскопии, в том числе метод дифракции отраженных электронов, методы атомно-силовой микроскопии, в том числе метод микроскопии пьезоотклика.

2. Воспроизводимостью экспериментальных результатов с применением комплекса апробированных экспериментальных методик, согласованностью и непротиворечивостью полученных новых результатов с известными из литературы.

Апробация работы.

Основные научные результаты докладывались и обсуждались на: Симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел РЭМ-2013, РЭМ-2015 (Черноголовка, 2013, 2015), 21 Всероссийской научно-технической конференции

"Вакуумная техника и технологии - 2014"(Санкт-Петербург, 2014).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 7 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах перечня ВАК.

Личный вклад автора: Совместно с научным руководителем, д.ф- м.н. Прониным В.П. было выбрано направление исследования, поставлена цель, сформулированы задачи и методы исследования, научные положения, основные результаты и выводы. Автор лично выполнил все исследования состава, структуры, топографии поверхности на растровом электронном микроскопе, измерения диэлектрических характеристик, провел их обработку и оформление, провел анализ литературы.

Все конденсаторные структуры на основе пленок ЦТС, исследованные в работе, были изготовлены при участии автора в ФТИ им. А.Ф. Иоффе в лаборатории физики сегнетоэлектричества и магнетизма; рентгеноструктурный анализ пленок выполнен старшим научным сотрудником РГПУ им. А.И. Герцена В.М. Стожаровым; исследования поверхности методами сканирующей силовой микроскопии проводилось с участием автора старшим научным сотрудником ЦКП «Материаловедение и металлургия» на базе НИТУ «МИСиС» Д.А. Киселёвым.

В работе использованы материалы, полученные в ходе выполнения: гос. задания № 16.2811.2017/4.6.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста и заключения. Список используемой литературы состоит из 156 наименований. Общий объем диссертации составляет 125 6

страниц, включая 65 рисунков.