ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА Том 10, № 4, 2014, стр. 29-33
ФИЗИКА
УДК 539.23, 539.216.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛЕНОК Ba-Sr-Nb-O (BSN), ПРИГОТОВЛЕННЫХ ПРИ ПОМОЩИ РАЗРЯДА С УБЕГАЮЩИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ
© 2014 г. Г.Н. Толмачев1, И.М. Алиев2, А.П. Ковтун1, А.В. Павленко1' 2
Поступила 23.07.2014
С применением метода, использующего режим разряда с убегающими электронами, в атмосфере кислорода при давлении 0,5 торр получены Ba-Sr-Nb-O (BSN) пленки на подложке (001)Si, на которую предварительно нанесен подслой платины толщиной 200 нм. Представлена структура рефлексов BSN/Pt/(001)Si, в которой отсутствует множество рефлексов BSN порошкограммы мишени. Делается вывод о строгой ориентации (001) атомных плоскостей BSN-пленки, а также (111) атомных плоскостей подслоя платины. Из текущей кривой интенсивности зеркального отраженного поляризованного оптического лазерного излучения (длина волны 650 нм) определена скорость роста и толщина пленки. Установлено, что при фиксированных режимах напыления скорость роста BSN-пленки является практически постоянной величиной и в случае мощности разряда 190 Вт составляет 10,7 нм/мин, при этом толщина h = 2,5 мкм достигается за 240 мин. В полученной BSN-пленке диэлектрическими измерениями обнаружен фазовый переход из сегнетоэлектрической фазы в параэлектрическую при Т = 55-75 °С, который, как и в BSN-кристалле, достаточно сильно размыт.
Ключевые слова: пленки ниобата бария-стронция, разряд с убегающими электронами, диэлектрическая проницаемость.
ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие и существенное усложнение в последние годы устройств микроэлектроники требует освоения новых методов формирования используемых в них функциональных материалов. Сегнетоэлектрики по многим физическим характеристиками удовлетворяют нужным физическим требованиям [1; 2], в частности, для них характерны явления переключения спонтанной поляризации (элементы памяти), большие величины диэлектрической проницаемости (миниатюризация элементов), диэлектрическая нелинейность (многофункциональность), пиро- и пьезоактивность (измерительная аппаратура) и т.п. Однако широкое использование сегнетоэлектрических материалов в микроэлектронике в значительной мере сдерживается не только уровнем технологии их приготовления в пленочном состоянии, но и недостаточным уровнем понимания явлений в области границы
1 Южный научный центр Российской академии наук (Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences), 344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41, e-mail:
2 Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета (Research Institute of Physics, Southern Federal University), 334090, Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194.
раздела сегнетоэлектрик - полупроводник. Исследованиям границы раздела полупроводник - сегнетоэлектрик в настоящее время уделяется большое внимание в ряде лабораторий ведущих стран [2-6]. Как показал анализ литературы, к числу одних из перспективных химических композиций, способных найти применение в современной микроэлектронике, относятся твердые растворы ниобатов бария-стронция Ba1-xSrxNb2O6 (BSN). Они обладают структурой калий-вольфрамовой бронзы [7; 8] и являются одноосными сегнетоэлектриками, в них при х > 0,5 проявляются релаксорные свойства, температура же сегнетоэлектрического фазового перехода при этом в зависимости от концентрации Sr изменяется в интервале температур от 60 до 250 °С. Пионерские работы по росту, исследованию и применению пленок BSN были выполнены в Институте автоматики и электрометрии СО РАН [5; 6].
В настоящей работе представлены результаты исследования способа получения пленок ниобата бария-стронция на ориентированной (001) кристаллической кремниевой пластинке (подложке), на которую предварительно наносили подслой платины. Способ основан на использовании режима разряда, в котором существуют электронные пучки, или убегающие электроны. Режим разряда с убегающими
электронами (термин использован в [9]) хорошо зарекомендовал себя при приготовлении на подложке (001) MgO структурно совершенных оксидных пленок со структурой перовскита (например, титаната бария-стронция [10-14]).
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ
Для напыления BSN-пленок использовалась керамическая мишень твердого раствора состава (Ba05Sr05)Nb2O6. Мишень диаметром 47,7 мм и толщиной 3 мм была изготовлена в отделе интеллектуальных материалов и нанотехнологии НИИ физики ЮФУ. Регламенты синтеза и спекания мишени представлены в [15].
Перед напылением BSN-пленки на грань (001) кремниевой кристаллической пластинки предварительно наносился слой Pt по методике, описанной в [10]. Тонкий слой Pt осаждался в разряде с убегающими электронами при давлении остаточных газов 7 • 10-2 торр и напряжении 5 кВ. Кремниевая подложка помещалась в зоне катодного падения потенциала (понятие в соответствии с [16]) на расстоянии мишень - подложка 20 мм при длине катодного падения потенциала около 100 мм. Эти параметры обеспечивали высокую адгезию Pt на (001) грань кремния, а толщина эпитаксиального слоя Pt с ориентацией (111) при этом составила ~200 нм.
Газоразрядное напыление BSN-пленок на подложку Pt/(001)Si производилось в атмосфере чистого кислорода согласно методике, подробно описанной в [10; 11]. При этом способе напыления пленки получали "в одну стадию" (без традиционного отжига после напыления пленки), температура подложки в ходе напыления составляла 550-600 °С, давление в камере 0,5 торр, ВЧ-мощность 190 Вт.
Толщина и скорость роста пленки определялась из текущей кривой интенсивности зеркально отраженного поляризованного лазерного оптического излучения (длина волны 650 нм) от подложки с растущей пленкой по методике, представленной в [17; 18]. Использованный нами скользящий угол падения луча ~8° сохраняет информацию о динамике растущего слоя с известным коэффициентом преломления. Кроме того, этот угол не требует технической модификации камеры газоразрядного напыления. Оптические эмиссионные спектры плазмы разряда при напылении пленок исследовались методом, описанным в [11]. Кристаллическая структура объектов контролировалась при помощи модифицированного дифрактометра ДРОН-3, снабженного интенсиметром ИР-2 (ООО ИТЦ "Ра-дикон"), с рентгеновской Cu-трубкой. Температурные зависимости относительной диэлектрической
проницаемости е/е0 ( е0 - электрическая постоянная) и угла диэлектрических потерь 8 при Т = 20-200 °C в диапазоне частот f = 103-106 Гц при напряжении U = 0,04 В получали с помощью измерительного стенда на базе LCR-метра "Agilent 4980A" и терморегулятора "Варта ТП 703".
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В разряде при напылении BSN-пленок в диапазоне давлений кислорода 0,3-0,5 торр наблюдались линии атомарного и ионизированного кислорода, стронция, а линии, характерные для Nb и Ba, отсутствовали. Учитывая то, что в пленках и мишенях стехиометрия по металлическим компонентам практически одинакова, можно сделать вывод о том, что, как и в BST-мишенях [10; 11], механизм переноса материала мишени к подложке идентичен. В пользу данного предположения свидетельствует и наблюдение пылевой компоненты материала мишени вблизи её поверхности при освещении этой зоны излучением He-Ne-лазера [19].
На рисунке 1 представлена рентгенограмма полученной нами многослойной гетероструктуры BSN/(111)Pt/(001)Si при времени напыления пленки ~240 мин. На вставке приведена рентгенограмма предварительно приготовленной подложки Pt/(001) Si. Представленная на этом рисунке качественная структура рефлексов формируется после 3-5 мин напыления. На суммарной рентгенограмме видны
25000
20000
15000
10000
5000
/, cps
40° 50° 20
Рис. 1 Рентгенограмма многослойной гетероструктуры BSN/ (111)Pt/(001)Si. На рисунке интенсивность рефлекса платины уменьшена в 40 раз. На врезке - рентгенограмма подложки (111)Pt/(001)Si
240
г, мин
Рис. 2. Зависимость интенсивности зеркального отражения оптического лазерного излучения от подложки как функция времени напыления ББЫ-пленки. 1 - эксперимент, 2 - теория
основной рефлекс (004) от ориентированного (001) кремния (26 = 69,3°), рефлекс (111) от слоя платины и два рефлекса (001) и (002) пленки BSN. Отсутствие других рефлексов, соответствующих BSN-мишени, свидетельствует об ориентации (001) атомных плоскостей BSN-пленки, (111) платины и (001) подложки. Параметр с элементарной ячейки вдоль нормали к поверхности подложки равен 3,93 Â. Для материала мишени, согласно [15], с = 3,896 Â (a, b = 12,355 Â). Полученный в пленке результат согласуется с данными базы данных "Буревестник" (ДРОН-7), согласно которой в твердом растворе BSN нашего состава с = 3,93 Â (раздел 22-93) и с = 3,9521 Â (раздел 39-265). Природа рефлекса a нами не установлена (исходя из базы "Буревестник" можно предположить существование на кремнии дополнительной орторомбической фазы PtSi - рефлекс (002) PtSi). Однако этот вопрос и более детальные вопросы, связанные со структурой многослойной гетероструктуры, требуют дополнительных исследований.
Кривая интенсивности зеркального отражения поляризованного лазерного излучения от поверхности подложки при напылении BSN-пленки в течение 240 мин приведена на рисунке 2. Штриховой линией на рисунке 2 обозначена теоретическая кривая, рассчитанная в соответствии с [17]. По характеру изменения "змейки" мы можем сделать важное заключение: формируемая пленка является на мезоскопическом уровне оптически прозрачной и однородной.
Средняя скорость напыления У8, в интервале времен от 11 (первая особенность (максимум или минимум)) до 1г (т + 1 особенность) кривой отражения рассчитывалась по формуле
Vs ( 11, t2)
Dh 12 - 11
m
4 /
nF Sin
6
12-t 1
Здесь À = 650 нм - длина волны, nF = 2,21 - коэффициент преломления BSN-пленки [8], 6 (~81,2°) -угол падения к нормали пленки. Коэффициент преломления растущего слоя (пленки) можно определить либо на базе прямого измерения толщины растущего слоя (после напыления) по сколу с использованием электронного микроскопа, либо из базы данных коэффициента преломления объемного материала (например, для BSN значение nF ~ 2,31 [8]). На рисунке 3 приведена зависимость VS вышеописан
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.