Fabrication and characterisation of ferroelectric lead zirconate titanate and strontium bismuth tantalate thin films

Abstract

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.

The main objectives of this research have been to develop a low temperature liquid delivery metalorganic chemical vapor deposition process of ferroelectric materials for high density FRAM applications, and to investigate the structural and electrical properties of obtained materials. Two kinds of ferroelectric materials have been investigated as capacitor materials, namely PZT based and SBT based ferroelectric materials. Highly oriented lead zirconate titanate (PZT) films have been successfully prepared on Ir/TiO2/SiO2/Si substrates at a low annealing temperature of 520 °C by a MOCVD processing. Their structural and electrical properties have been systematically investigated as a function of composition and annealing temperature. Content of lead in the deposited films plays an important role for obtaining the PZT films with good ferroelectric properties. A negligible excess of lead has been necessary to stabilize the perovskite structure in the deposited PZT films. In the case of an excess of lead the formation of the lead oxide phase in the deposited films occurs. The XPS analysis and the SEM investigations show that the formation of the lead oxide phase has taken place only at the film surface and has a partial character. After annealing at 520 °C PZT films are preferentially (101) oriented and no second phase can be observed. Since the volatility of PbO rapidly increases at 600 °C, after annealing of the PZT films at 600 °C a peak appears in the XRD spectra which corresponds to the pyrochlore phase. The pyrochlore phase is formed in the case of a lead deficiency; annealing at higher temperatures leads to the decrease of Pb and, therefore, to an increase of the pyrochlore phase in the films. Both, an excess and a deficiency of Pb result in inferior ferroelectric properties so that careful control of all parameters of the fabrication process is essential. The PZT films on Ir/TiO2/SiO2/Si substrate exhibit good ferroelectric properties. The remanent polarization has a value of 60 ìC/cm2 and coercive electric field a value of 200 kV/cm. The leakage current density at an applied voltage of 150 kV/cm is as low as 1•10-6 A/cm2. SrBi2Ta2O9, which is one of the bismuth layered-structure compounds, has been successfully prepared on Ir-coated Si and Si (100) substrates at the low processing temperature of 450 °C by liquid delivery metalorganic chemical vapor deposition (LD-MOCVD). The ferroelectric test capacitors have showed excellent dielectric, insulating, and ferroelectric properties. The dielectric constant does not show any appreciable dispersion with frequency up to about 1 MHz indicating good ferroelectric/electrode-barrier/Si interfacial characteristics. The typically measured 2Pr and Ec values are 7 ìC/cm2 and 100 kV/cm, respectively, at an applied electric field of 500 kV/cm. At this field strength, the leakage current density is lower than 10-6 A/cm2. SrBi2Ta2O9 films exhibit high dielectric constants of about 300. The switching degradation of the polarization state has been found to be less than 4 % after about 109 polarization reversing switching cycles. The SBT thin films prepared on Ir-coated silicon substrates show a random orientation of their crystalline grains over the whole composition range. SBT films prepared on Si (100) by simple MOCVD technique have not exhibited ferroelectricity, which might be attributed to the extrinsic stress and extremely small grains. Low processing temperature, good structural, insulating, and ferroelectric properties of SBT thin films are promising results for the further integration of ferroelectric SBT capacitors in the ultra large scale integrated non-volatile random access memory cell structures.