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Fabrication and Characterisation of Ferroelectric Lead Zirconate Titanate and Strontium Bismuth Tantalate Thin Films

Autor :Serhiy Matichyn
Herkunft :OvGU Magdeburg, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Datum :25.07.2006
 
Dokumente :
Dataobject from HALCoRe_document_00006480
 
Typ :Dissertation
Format :Text
Kurzfassung :Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Abscheideprozesses unter Einsatz von flüssigen metallorganischen Ausgangsmaterialien (liquid delivery metal organic vapor deposition LD-MOCVD) für die Herstellung von ferroelektrischen Schichten für Anwendungen in FeRAM Bauelementen und deren Charakterisierung hinsichtlich ihrer strukturellen und elektrischen Eigenschaften. Zwei unterschiedliche Materialien wurden hierbei untersucht, Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und Strontium-Bismut-Tantalat (SBT). Mit Hilfe des MOCVD-Prozesses und nach anschließendem Ausheizen bei 520 °C konnten stark orientierte PZT-Schichten auf Ir/TiO2/SiO2/Si-Substraten erhalten werden. Die strukturellen und elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von deren chemischer Zusammensetzung wurden systematisch untersucht. Der Gehalt an Blei in den PZT-Schichten spielt eine herausragende Rolle für ihre ferroelektrischen Eigenschaften. Ein geringfügiger Überschuss an Blei erweist sich als erforderlich, um die gewünschte Perowskit-Struktur der abgeschiedenen PZT-Schichten zu stabilisieren. Der Überschuss von Blei führt zwar zur Bildung einer separaten Bleioxid-Phase in den abgeschiedenen Schichten. Jedoch zeigten Untersuchungen mittels Röntgen-Photoelektronenspekroskopie (XPS) und Rasterelektronenspektroskopie (SEM), dass die Bildung dieser Phase nur in Inseln an der Schichtoberfläche auftritt. Nach einem Ausheizen bei 520°C sind die PZT-Schichten vorrangig (101)-orientiert unter vollständiger Rückbildung der zusätzlichen zweiten Phase. Da die Flüchtigkeit von PbO bei 600°C stark ansteigt, erscheint nach Ausheizen der PZT-Schichten bei dieser Temperatur ein zusätzlicher Peak in den XRD-Spektren, der der pyrochloren Phase zugeordnet werden kann. Die pyrochlore Phase wird im Falle eines Bleidefizits gebildet. Ein Ausheizen bei noch höherer Temperatur führt zu weiterem Rückgang der Bleikonzentration und somit zu einer Erhöhung des Anteils der pyrochloren Phase in den Schichten. Sowohl der Überschuss als auch der Mangel an Blei in den Schichten führt zu einer Verschlechterung von deren ferroelektrischen Eigenschaften, so dass eine sorgfältige Einstellung und Kontrolle der Herstellungsparameter erforderlich ist. Die optimierten PZT-Schichten auf Ir/TiO2/SiO2/Si-Substraten zeigen gute ferroelektrische Eigenschaften. Eine remanente Polarisation Pr von 60 μC/cm2 und eine Koerzitivfeldstärke Ec von 200 kV/cm wurden erhalten. Bei einer angelegten Spannung von 150 kV/cm trat hierbei nur eine geringe Leckstromdichte von 1•10-6 A/cm2 auf. Die bismuthaltige Verbindung SBT (SrBi2Ta2O9) wurde auf Iridium-beschichteten Silizium und auf (100)-Silizium bei geringen Temperaturen von 450°C durch LD-MOCVD erfolgreich abgeschieden. Die daraus hergestellten ferroelektrischen Testkondensatoren besitzen hervorragende dielektrische, isolierende und ferroelektrische Eigenschaften. Typische gemessene Werte von 2Pr und Ec sind 7 μC/cm2 und 100 kV/cm bei einem angelegten elektrischen Feld von 500 kV/cm. Bei dieser Feldstärke ist die Leckstromdichte geringer als 10-6 A/cm2. Die Dielektrizitätszahl der SrBi2Ta2O9-Schichten ist dabei im Bereich um die 300. Nach 109 Umschaltzyklen der Polarisation ergibt sich eine Verschlechterung der remanenten Polarisation von nur 4% infolge Ermüdung. Die SBT-Schichten auf Ir-beschichteten Substraten zeigen eine zufällige Orientierung ihrer polykristallinen Körner im gesamten Bereich der chemischen Zusammensetzung. Die SBT-Schichten, die mittels konventioneller MOCVD auf (100)-Silizium abgeschieden wurden, zeigen keine ferroelektrischen Eigenschaften, wahrscheinlich als eine Folge von extrinsischem Stress und extrem kleiner Korngrößen. Geringe Abscheidetemperaturen, gute strukturelle, isolierende und ferroelektrische Eigenschaften der SBT-Schichten sind viel versprechende Ergebnisse im Hinblick auf eine künftige Integration von ferroelektrischen SBT-Kondensatoren in höchstintegrierten nicht-flüchtigen Speicherzellenstrukturen.
Schlagwörter :ferroelektrika, gasphasenabscheidung, PZT, SBT
Rechte :Dieses Dokument ist urheberrechtlich geschützt.
Größe :XI, 114 S.
 
Erstellt am :31.03.2009 - 06:28:14
Letzte Änderung :22.04.2010 - 08:55:23
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