Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие полупроводниковой электроники привело к созданию сверхбольших интегральных схем на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник, в которых размеры элементов близки к своим физическим пределам. Дальнейшее развитие в этом направлении возможно посредством разработки так называемых функ-ционально-шггегрированных элементов, для создания которых представляется перспективным использовать широкие функциональные возможности сегнетоэлектриков (диэлектрический гистерезис, пьезоактивность и др.) в сочетании с эффектом поля в полупроводнике посредством создания структур с пленками сегнетоэлектриков в качестве подзатворного диэлектрика (МСЭП-структур). Особое внимание исследователей привлекает запоминающая функция таких структур, связанная с обращением спонтанной поляризации сегнетоэлектрика. Высокая величина запасенной в сегнетоэлектрике энергии по сравнению с используемыми в настоящее время подзагворными диэлектриками (Si02, SisN4) позволила бы существенно снизить площадь такого элемента и увеличить плотность записи информации. Кроме того, создание МСЭП-структур соответствует дальнейшему курсу интеграции ныне действующих элементов на основе сегнетоэлектриков (например, конденсаторов с высокой удельной емкостью) с полупроводниковыми приборами в совмещенных интегральных схемах. Реализация потенциальных возможностей МСЭП-структур упирается в настоящее время в проблему формирования сегнетоэлектрических пленок на полупроводниковых, в частности, кремниевых подложках.
Целью настоящей работы явилось формирование и исследование функциональных возможностей структур сегнето-электрическая пленка на кремниевой подложке.
Для реализации поставленной в работе цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать метод реактивного ВЧ-распыления для
формирования на кремниевых подложках кристаллических пле
нок сегнетоэлектриков без трещин, пор и других макродефек
тов.
2. Разработать экспериментальные методы исследований
МСЭП-структур.
3.Установить наличие и выявить особенности проявления сегнетоэлектрических свойств сформированных пленок.
4.0пределить характеристики и механизмы эффекта памяти в сформированных структурах.
5.Разработать физическую модель эффекта памяти.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
определены условия формирования пленок BaxSr!.xTi03 (х=0,4+1,0) на кремниевых подложках, оптимальные с точки зрения отсутствия трещин и качества кристаллизации. Сформированы пленки BaKSri.xTiC«3 и Ваб№>9ІліОзо, обладавшие всеми основными свойствами, присущими сегаетоэлектрикам;
получен полный комплекс экспериментальных данных о процессах накоплении и релаксации ловушечного заряда при поляризации пленок. Развита модель, описывающая эти процессы и некоторые особенности проявления сегнетоэлектрических свойств пленок.
Практическая значимость результатов работы.
Показана перспективность использования сформированных структур в качестве информационной среды с высокой плотностью записи. На основе развитой модели оценен физический предел плотности записи (~108-т-109 бит/мм2). Создан макет жесткого диска диаметром 133мм с плотностью записи ~106 бит/мм2.
Объектами исследования являлись пленки сегнетоэлектриков со структурой типа перовскита BaxSri.xTi03 (х=0,4-ї- 1,0) и калий-вольфрамовой бронзы ВабМ>9ІліОзо. Пленки формировались на (100) и (111) срезах монокристаллов
кремния п- и р-типов с удельным сопротивлением 5-10"3-н20 Ом см. Выбор объекта исследования обусловлен требованиями метода формирования и практической целесообразностью.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Существует зависящий от давления кислорода интервал температур кремниевой подложки в процессе ВЧ- распыления пленок BaxSr!.xTi03, в котором формируются поликристаллические пленки с минимальными механическими напряжениями, не вызывающими образование трещин.
-
В режимах, рекомендованных в работе, на кремниевых подложках формируются пленки BaxSrj.xTi03 и Ba6Nb9LuO30, обладающие совокупностью основных свойств, присущих сегнетоэлектрикам, в том числе остаточной поляри-зованностью, переключаемой внешним электрическим полем.
-
Остаточная поляризованность пленок BaxSri.xTi03 и ВабгЛДлЮзо определяет направление изгиба зон в кремниевой подложке только после воздействия относительно слабых электрических полей, недостаточных для насыщения поляризованное. В результате воздействия более сильных полей направление изгиба зон определяется зарядом ловушек, который превышает по величине заряд остаточной поляризованности пленок. Процессы накопления и релаксации заряда ловушек хорошо описываются теоретической моделью, учитывающей наличие переходного слоя между сегнетоэлектрическои пленкой и подложкой.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: IX, X Всесоюзных конференциях по физике сегнето-электриков (Ростов-на-Дону, 1979; Минск, 1982); I, II, IV Всесоюзных конференциях по актуальным проблемам получения и применения сегнето- и пьезоэлектрических материалов (Москва, 1981, 1984, 1991гг.); Международной конференции по
электронным компонентам и материалам (Ханчжоу, Китай, 1992); VI, VII Международном семинаре по физике сегнето-электриков-полупроводников (Ростов-на-Дону, 1993,1996).
Публикации и вклад автора.
По теме диссертации опубликовано 23 печатных работы, из них 1 авторское свидетельство на изобретение, 1 патент, 9 статей, 9 тезисов докладов. Все основные результаты работы получены лично автором. Соавторы совместных публикаций принимали участие в постановке задачи (В.П. Дудкевич, Э.Н. Мясников, В.М. Мухортов), в выполнении рентгенографических исследований (И.А. Захарченко), участвовали в работах по практическому использованию полученных результатов и образцов (И.П. Лапин, З.П. Мастропас).
Объем и структура работы.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 187 стр. машинописного текста, включающего 52 рис., 1 таблицу и список литературы из 128 наименований.
