DE69326944T2 - Stapelelektroden für ferroelektrische vorrichtungen - Google Patents

Stapelelektroden für ferroelektrische vorrichtungen

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Description

  • Die Erfindung betrifft ferroelektrische Speicher, und spezieller betrifft sie Stapelelektroden für Anwendungen ferroelektrischer Materialien bei nichtflüchtigen, dynamischen Direktzugriffsspeichern.
  • Ferroelektrika wurden vor langem als mögliche Materialien zur nichtflüchtigen Speicherung von Information erkannt. Diese Materialien sind der Art nach dielektrisch, und sie zeigen eine spontane Polarisation, die beim Anlegen eines geeigneten elektrischen Felds umgekehrt werden kann. Die Polarisation P in diesen Materialien reagiert auf Hystereseweise auf ein externes elektrisches Feld E, und dadurch zeigen die Materialien bistabile Eigenschaften (zwei gesonderte Polarisationszustände), die selbst nach dem Wegnehmen des elektrischen Felds verbleiben. Diese Hystereseeigenschaft macht Ferroelektrika für Speicherung in nichtflüchtigen Speichern geeignet. Die dielektrische Art von Ferroelektrika und ihre Fähigkeit, bistabile Eigenschaften zu zeigen, können dazu verwendet werden, einen ferroelektrischen Kondensator herzustellen, der binäre Digitalinformation auf Grundlage des Polarisationszustands des Materials speichert. Dies eröffnet die Möglichkeit, einen ferroelektrischen Kondensator in die existierende Si- und GaAs-VLSI-Technologie zum Herstellen eines kommerziellen nichtflüchtigen Direktzugriffsspeichers zu integrieren.
  • Jedoch müssen mehrere Probleme überwunden werden, bevor ein kommerziell konkurrenzfähiges Speichererzeugnis verfügbar ist. Eines der dringendsten dieser Probleme sind die Beeinträchtigungseigenschaften ferroelektrischer Bauteile. Zu Beeinträchtigungseigenschaften gehören Ermüdung, Durchschlag bei niedriger Spannung und Alterung. Ein gemeinsamer Grund für diese Beeinträchtigungseigenschaften ist die Wechselwirkung zwischen Defekten in den Materialien und den Grenzflächen/Korngrenzen Ferroelektrikum-Elektrode in einem ferroelektrischen Kondensator.
  • Hinsichtlich des Ermüdungsproblems wurde erkannt, dass Ferroelektrika ihre Polarisation etwas verlieren, wenn diese umgekehrt wird. Dies ist als Ermüdungsbeeinträchtigung bekannt, und dies bildet eines der Haupthindernisse beim Herstellen ferroelektrischer Filme hoher Qualität. Ermüdung tritt wegen Defekteinfang an der Ferroelektrikum-Elektrode- Grenzfläche auf. Asymmetrische Ferroelektrikum-Elektrode- Grenzflächen und/oder ungleichmäßige Domänenverteilung im Volumen können zu asymmetrischer Polarisation bei wechselnder Polarität führen. Dies führt zu einer internen Felddifferenz, die eine effektive Bewegung von Defekten wie Leerstellen und beweglichen Fremdstoffionen in einer Richtung hervorrufen kann. Da die Ferroelektrikum-Elektrode-Grenzfläche chemisch instabil ist, erzeugt sie bei diesen Bauteilen Orte niedrigerer potenzieller Energie bezogen auf ein Volumenferroelektrikum, um dadurch Defekteinfang an diesen Grenzflächen hervorzurufen (siehe Yoo et al. "Fatigue Modeling of Lead Zirconate Titanate Thin Films", Jour. Material Sci. and Engineering). Dieser Einfang führt zu einem Polarisationsverlust im Ferroelektrikum.
  • Um das durch Defekte hervorgerufene Problem zu überwinden, ist es erforderlich, die Defektkonzentration, die Defektwanderung zur Oberfläche, den Defekteinfang an der Grenzfläche und den Zustand der Grenzfläche selbst zu kontrollieren. Gitterfehlanpassung, schlechte Haftung und große Differenzen der Arbeitsfunktionen zwischen der Elektrode und dem Ferroelektrikum verursachen chemische Instabilität der Grenzflä che. Daher ist es erforderlich, eine geeignete Elektrode zu wählen, die die Gitterfehlanpassung, die Arbeitsfunktionsdifferenzen und das Haftungsproblem an der Grenzfläche verringern kann. Die derzeitigen, allgemein verwendeten Metallelektroden wie aus Pt, Au usw. genügen diesen Kriterien wegen den großen Kristallstrukturdifferenzen zwischen der Elektrode (Metall) und dem Ferroelektrikum (Keramik) und wegen der Arbeitsfunktionsdifferenzen nicht.
  • Kwok et al. erörtern in "Conducting Oxide Electrodes for Ferroelectric Films", Integrated Ferroelectrics, 1993, Vol. 3, S. 121-130, beruhend auf Fourth International Symposium On Integrated Circuits, abgehalten am 19. März 1992, die Geeignetheit oxidischer Elektronenleiter [z. B. Rutheniumoxid und Indiumzinnoxid] als Kontaktmetallisierung für ferroelektrische Filme. Durch Vermischen der Metallkomponenten des oxidischen Elektronenleiters und des ferroelektrischen Films wird zwischen diesem oxidischen Elektronenleiter und dem ferroelektrischen Film eine leitende Zwischenschicht ausgebildet. Es wurde gezeigt, dass PZT-Filme auf RuOx-Elektroden verbesserte Ermüdungseigenschaften im Vergleich mit solchen auf Pt-Elektroden zeigen.
  • EP-A-0 415 750 gibt einen Dünnschichtkondensator mit einem Substrat, einer unteren Elektrode, einem Dielektrikum und einer oberen Elektrode in vertikal gestapelter Abfolge an, wobei die dielektrische Schicht aus elementarem Ruthenium, Rhenium, Osmium, Rhodium oder Iridium oder den Oxiden oder Siliciden dieser Metalle ausgewählt ist.
  • Um die Defektwanderung und den Defekteinfang besser zu kontrollieren, ist es erforderlich, einen plötzlichen Zusammensetzungsgradienten zwischen der Elektrode und dem Ferroelektrikum zu verringern.
  • Es ist eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, ein Elektrodensystem zu schaffen, das die Beeinträchtigungsprobleme in ferroelektrischen Kondensatoren überwinden kann. Es ist eine speziellere Aufgabe der Erfindung, ein Elektrodensystem zu schaffen, das die Ermüdungsprobleme in ferroelektrischen Kondensatoren überwinden kann. Es ist eine andere spezielle Aufgabe der Erfindung, ein Elektrodensystem zu schaffen, das Probleme hinsichtlich niedriger Durchschlagsspannung in ferroelektrischen Kondensatoren überwinden kann. Es ist eine andere spezielle Aufgabe der Erfindung, ein Elektrodensystem zu schaffen, das die Alterungsprobleme in ferroelektrischen Kondensatoren überwinden kann.
  • Diese und andere Ziele werden unter Verwendung eines Stapelelektrodensystems keramischer Elektroden erreicht. Keramikelektroden weisen Kristallstrukturen ähnlich denen von Ferroelektrika auf. Dies verringert die Gitterfehlanpassung und die Arbeitsfunktionsdifferenzen zwischen der Elektrode und dem Ferroelektrikum. Daher ist die Grenzfläche stabiler. Durch die Verwendung eines Stapelelektrodensystems aus Keramikelektroden, wie hier offenbart, ist der Zusammensetzungsgradient zwischen dem Ferroelektrikum und der Elektrode verringert. Demgemäß ändern sich der Grenzflächenzustand und der Zusammensetzungsgradient so, dass die Wanderung von Defekten und ihr nachfolgender Einfang verringert sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein ferroelektrisches Bauteil mit folgendem geschaffen:
  • a) einem Substrat (10);
  • b) einer Elektrode (11) aus einem leitenden Oxid auf dem Substrat, wobei dieses leitende Oxid aus der aus RuOx, ReOx, RhOx, IrOx, OsOx bestehenden Gruppe ausgewählt ist;
  • c) einer Schicht aus ferroelektrischem Material (13) auf der Elektrode (11), wobei die ferroelektrische Elektrode aus Bleizirkonattitanat und ferroelektrischen Verbindungen der Form ABO&sub2;, AA'BO&sub3; und AB'B"O&sub3; ausgewählt ist, wobei A und A' verschieden sind und aus Pb, Ba, Bi, La, Li und Sr ausgewählt sind, und B, B' und B" verschieden sind und jeweils aus Ti, Nb, Ta, Mg, Sn, W und Zr ausgewählt sind;
  • d) einer leitenden Zwischenschicht (12) zwischen der Elektrode (11) und der Schicht aus ferroelektrischem Material (13), wobei die Zwischenschicht (12) aus einer leitenden Verbindung besteht, die aus der aus Verbindungen der Form A&sub2;M&sub2;O&sub6;, A&sub2;M&sub2;O7-x, AMO&sub3; bestehenden Gruppe ausgewählt ist und durch die Reaktion zwischen der Keramikelektrode (11) und dem ferroelektrischen Material (13) gebildet wird, wobei A aus der aus Pb, Ba, Sr, Li, La bestehenden Gruppe ausgewählt ist und M aus der aus Ru, Re, Rh, Ir und Os bestehenden Gruppe ausgewählt ist;
  • e) einer leitenden Deckelektrode (14) auf der Schicht aus ferroelektrischem Material (13).
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines ferroelektrischen Bauteils, wie es oben beschrieben ist, geschaffen, das die folgenden Schritte aufweist:
  • a) Abscheiden des leitenden Oxids auf einem Gebiet einer Fläche des Substrats (10), um die Keramikelektrode (11) herzustellen;
  • b) Abscheiden der Schicht aus ferroelektrischem Material (13) auf der Elektrode (11);
  • c) Tempern der Elektrode (11) und der Schicht (13), um an der Grenzfläche die leitende Verbindung zu erzeugen, um die leitende Zwischenschicht (12) zu schaffen;
  • d) Abscheiden der leitenden Deckelektrode (14) auf der Schicht aus ferroelektrischem Material (13).
  • Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird ein ferroelektrisches Bauteil unter Verwendung einer Grundelektrode aus einem leitenden Oxid wie RuOx auf einem Substrat wie einem solchen aus Silicium oder Siliciumdioxid hergestellt. Auf der Grundelektrode wird ein ferroelektrisches Material wie Bleizirkonattitanat abgeschieden, und an der Grenzfläche zwischen dem Ferroelektrikum und der Elektrode bildet sich eine leitende Zwischenschicht. Diese Zwischenschicht bildet sich durch eine Reaktion zwischen dem Ferroelektrikum und der Elektrode, und in diesem Fall würde sie aus Pb&sub2;Ru&sub2;O7-x bestehen. Auf dem Ferroelektrikum wird eine leitende Deckschicht abgeschieden. Diese Deckschicht kann ein Metall sein, oder sie kann aus derselben Art von Materialien wie die Grundelektrode bestehen (leitendes Oxid), in welchem Fall sich an der Zwischenschicht eine andere Zwischenschicht bilden kann. Ein auf diese Art aufgebautes Bauteil hat die Eigenschaft geringerer Beeinträchtigung durch Ermüdung, durch Schläge und Alterung.
  • Die Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung angesehen werden, sind im beigefügten Anspruch 1 dargelegt. Die Erfindung selbst wird jedoch, wie auch andere Merkmale und Vorteile derselben, am besten unter Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels, wenn diese in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, zu verstehen sein.
  • Fig. 1 ist eine geschnittene Seitenansicht eines ferroelektrischen Bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 2 ist eine geschnittene Seitenansicht, wie die Fig. 1, eines ferroelektrischen Bauteils gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 3 ist ein XRD-Muster eines ferroelektrischen Bauteils unter Verwendung einer beispielhaften Zusammensetzung von Si/RuOx/PZT, getempert bei verschiedenen Temperaturen zwi schen 400ºC und 700ºC mit einem Intervall von 50ºC für 30 Minuten in O&sub2;-Atmosphäre;
  • Fig. 4 ist ein Diagramm für den Strom über der Spannung zum Vergleichen von Durchschlagsspannungen von PZT auf Grundelektroden aus RuOx und Pt;
  • Fig. 5 ist ein Diagramm zur Polarisation über der Zeit, und sie veranschaulicht Eigenschaften einer beschleunigten Alterung von PZT auf Grundelektroden aus RuOx und Pt;
  • Fig. 6 ist ein Diagramm normaler Ermüdungseigenschaften von PZT auf Elektroden aus RuOx und Pt bei einem Wechselimpuls; und
  • Fig. 7 ist ein Diagramm zur Polarisation über der Zeit, und sie veranschaulicht die Eigenschaften beschleunigter Ermüdung von PZT auf Elektroden aus RuOx und Pt bei einem Wechselimpuls.
  • In Fig. 1 ist ein ferroelektrisches Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Auf einem Substrat 10 ist eine Grundelektrode 11 abgeschieden, um als Leiter zum Herstellen einer Verbindung zu anderen Schaltungselementen in einer integrierten Schaltung zu wirken. Das Substrat 10 kann aus Silicium, einer Schicht von Siliciumoxid auf einem Siliciumchip, Galliumarsenid usw. bestehen. Selbstverständlich kann das Substrat 10 eine Stapelstruktur mit verschiedenen Schaltungselementen sein, die auf einem Siliciumchip mit Schichten aus Siliciumoxid, Polysilicium, implantierten Siliciumschichten usw. hergestellt sind, um eine komplexe integrierte Schaltung zu bilden. Auf der Grundelektrode 11 ist eine Zwischenschicht 12 ausgebildet, um eine Beeinträchtigung des ferroelektrischen Materials zu beeinträchtigen, wie dies beschrieben wird, was ein Haupt merkmal der Erfindung bildet. Diese Zwischenschicht 12 ist eine leitende Verbindung, die sich durch eine Reaktion der Materialien der keramischen Grundelektrode 11 und des Ferroelektrikums bildet. Eine Schicht 13 aus ferroelektrischem Material wie Bleizirkonattitanat (PZT) wird durch ein Verfahren wie dasjenige, das in der ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 848,389, eingereicht am 09. März 1992 für "Ferroelektrische Dünnschichten, die durch metallorganische, chemische Dampfabscheidung hergestellt werden", von Seshu B. Desu et al., die auf die Rechtsnachfolgerin zu dieser Erfindung übertragen ist, offenbart ist, auf der Zwischenschicht 12 abgeschieden. Auf dem ferroelektrischen Material 13 wird eine Deckelektrode 14 abgeschieden, um für eine Verbindung zu anderen Elementen der integrierten Schaltung zu sorgen. Diese Deckelektrode besteht aus einem Metall wie Pd, Au oder Ag. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist, besteht die Deckelektrode 14 aus demselben Typ von Material wie die Grundelektrode 11 (leitendes Oxid), und zwischen dem ferroelektrischen Material 13 und der Deckelektrode 14 ist eine andere Zwischenschicht 15 ausgebildet, um so für dieselbe Funktion wie die Zwischenschicht 12 an der Grenzfläche zwischen dem Ferroelektrikum und dem Grundleiter zu sorgen, wobei der Aufbau des Bauteils der Fig. 2 ansonsten derselbe wie der in Fig. 1 ist.
  • Derzeitige ferroelektrische Kondensatoren sind mit einem ferroelektrischen Material aufgebaut, das zwischen zwei Metallelektroden eingebettet ist, d. h. ohne die Zwischenschichten 12 oder 15. Der Nachteil bei der Verwendung einer derartigen Kondensatorstruktur liegt in der Beeinträchtigung der Ferroelektrika aus den oben erörterten Gründen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Stapelelektrodenstruktur, wie sie aus den Fig. 1 und 2 erkennbar ist, ist die Grundelektrode eine leitende Oxidkeramik (MOx) wie RuOx (Rutheniumoxid), ReOx (Rheniumoxid), RhOx (Rhodiumoxid), IrOx (Iridiumoxid), OsOx (Osmiumoxid) usw., wie sie in der Tabelle 1 aufgelistet sind. Das ferroelektrische Material 13 besitzt allgemein Perovskit-Kristallstruktur, die durch die chemische Formel ABO&sub3; repräsentierbar ist. Das Element A ist ein großes Cation wie Ba, Pb, Sr, Bi usw., und das Element B ist ein kleineres Cation wie Ti, Nb usw., wie es in der Tabelle 1 aufgelistet ist. In der ferroelektrischen Phase nimmt die Perovskitstruktur im Allgemeinen tetragonale, orthorhombische oder rhomboedrische Struktur ein. Da die Elektrode 11 und das Ferroelektrikum 13 Oxidkeramiken sind, weisen sie sehr ähnliche Kristallstrukturen auf. Die Gitterfehlanpassung und die Arbeitsfunktionsdifferenzen sind verringert. Die Deckelektrode kann entweder dieselbe wie die Grundelektrode 11 sein, wie in Fig. 2 (symmetrische Konfiguration), oder es kann eine Elektrode aus einem anderen Material sein, wie in Fig. 1 (asymmetrische Konfiguration). Bei der symmetrischen Konfiguration können die Zwischenschichten 12 und 15 dadurch hergestellt werden, dass das System Elektrode/- Ferroelektrikum/Elektrode (MOx/ABO&sub3;/MOx) bei erhöhter Temperatur bearbeitet wird, während bei der asymmetrischen Konfiguration das System MOx/ABO&sub3; anfänglich getempert wird, um die gewünschte ferroelektrische Phase in der Schicht 13 und der Zwischenschicht 12 auszubilden, gefolgt von der Abscheidung der Deckelektrode 14. Die Deckelektrode 14 kann im Fall der Fig. 1 eine Metallelektrode sein, und die Zwischenschicht 12 bildet sich nur zwischen der Grundelektrode 11 und der ferroelektrischen Schicht 13. Die Ausbildung der Zwischenschicht 12 oder 15 erfolgt durch eine Reaktion zwischen dem Ferroelektrikum und der Elektrode bei erhöhter Temperatur. Die Temperatur, bei der sich die Zwischenschicht 12 oder 15 bildet, hängt vom Ferroelektrikum und den Elektrodenmaterialien ab, wie sie jeweils vorliegen. Die Zwischenschicht kann durch die allgemeine Formel A&sub2;M&sub2;O7-x re präsentiert werden. Als Beispiel sei der Fall des Ferroelektrikums Bleizirkonattitanat (PbZrxTi1-xO&sub3;) auf einer RuOx- Elektrode betrachtet. Das Tempern dieser Struktur bei erhöhter Temperatur (500ºC) führt aufgrund einer Reaktion zwischen PbO (aus dem Ferroelektrikum) und der RuOx-Elektrode zu einer Zwischenschicht aus Bleiruthenat (Pb&sub2;Ru&sub2;O&sub6;).
  • Die Zwischenschicht 12 oder 15 verringert den Gradienten des chemischen Potenzials zwischen der Elektrode 11 oder 14 und dem Ferroelektrikum 13 für die Bewegung und den Einfang von Defekten. Außerdem nehmen die Zwischenschichtmaterialien im Allgemeinen eine Pyrochlorstruktur ein, und sie sind von Natur aus leitend. Die Grundelektrode 11 und die leitende Zwischenschicht 12 bilden zusammen das Stapelelektrodensystem. Die Grundelektroden 11 werden normalerweise auf einem Substrat 10 aus Si, Si/SiO&sub2; (mit einer metallischen Zwischenschicht aus Ti oder Ni für bessere Haftung), Saphir, MgO oder Al&sub2;O&sub3; abgeschieden. Die Wahl des Substrats 10 hängt nur von der Endanwendung des ferroelektrischen Bauteils ab, und die Liste von Substraten ist nicht erschöpfend. Für Anwendungen bei nicht flüchtigen Speichern werden im Allgemeinen Substrate aus Si oder Si/SiO&sub2; verwendet. Die Abscheidung der Elektroden und Schichten gemäß den Fig. 1 und 2 erfolgt durch eine beliebige der üblichen Dünnschicht-Abscheidetechniken wie Sputtern, chemische Dampfabscheidung, Sol-Gel, metallorganische Zersetzung, Elektronenstrahlverdampfung usw. Beispielsweise wurde RuOx durch die oben genannten Techniken auf verschiedenen Substraten abgeschieden (siehe Krusin-Elbaum et al., "Conducting Transition Metal Oxides: Possibilities for RuO&sub2; in VLSI Metallization", J. Electrochem. Soc.: Solid State Science and Technology, Vol. 135, No. 10, 1988, S. 2610 sowie Green et al., "Chemical Vapor Deposition of Ruthenium and Ruthenium Dioxide Films", J. electrochem. Soc., Vol. 132, S. 2677, 1985).
  • Das ferroelektrische Material 13 wird durch eine beliebige konkurrenzfähige Dünnschicht-Abscheidetechnik, die für gute Gleichmäßigkeit und Stöchiometrie im Film sorgen kann, auf der Oberseite der Grundelektrode 11 abgeschieden. Die üblicherweise verwendeten Abscheidetechniken sind Sol-Gel, MOCVD, Sputtern usw. Um die erforderlichen ferroelektrischen Eigenschaften zu erzielen, muss das Material die gewünschte Struktur besitzen, die im Allgemeinen die Perovskitstruktur ist. Diese Struktur wird entweder während der Abscheidung selbst oder durch ein Tempern nach der Abscheidung erhalten, abhängig von der Art des verwendeten Abscheideprozesses. Die oben genannte ebenfalls anhängige Anmeldung mit der Seriennr. 848,389 liefert ein Beispiel eines Abscheideverfahrens, das für die Schicht 13 aus ferroelektrischem Material verwendet werden kann.
  • Abschließend werden die oberen Elektroden wie Pd, Au, Ag, Pt usw. unter Verwendung einer beliebigen der üblichen Dünnschicht-Abscheidetechniken wie Verdampfung im Vakuum, Sputtern usw. abgeschieden. Die Dicke, Gleichmäßigkeit und Zusammensetzung des ferroelektrischen Materials und der Elektroden sind prozessabhängig, und die Prozessbedingungen können variiert werden, um die gewünschten Werte zu erzielen. Als Testerzeugnis wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung von PZT als ferroelektrisches Material, RuOx für die Grundelektrode, Pd für die Deckelektrode und Pb&sub2;Ru&sub2;O7-x als Zwischenschicht verwendet. Das RuOx wurde als Grundelektrode 11 mit einer Ti-Zwischenschicht 16 (für bessere Haftung der Elektrode 11 auf dem Substrat 10) auf Si/SiO&sub2;-Substraten 10 abgeschieden. Bei anderen Proben wurde das RuOx durch reaktives Ionensputtern gesondert auf Si-Substraten 10 abgeschieden. Der Sputtervorgang wurde bei 51ºC in Vakuum bei 2,0 · 10&supmin;&sup4; Torr ausgeführt. Die aus PbZrxTi1-xO&sub3; (x = 0,53) bestehende ferroelektrische Schicht 13 wurde dann mittels des Sol-Gel-Verfahrens und durch Schleuderbeschichten auf der Grundelektrode 11 abgeschieden. Proben wurden bei Temperaturen zwischen 400ºC und 700ºC mit Intervallen von 50ºC in geregelter O&sub2;-Atmosphäre getempert. Dann wurden an den getemperten Proben Röntgenbeugungs(XRD)- untersuchungen ausgeführt, um die vorliegenden Phasen zu identifizieren.
  • Fig. 3 zeigt das Röntgenbeugungs(XRD)muster der Proben aus Si/RuO&sub2;/PZT bei verschiedenen Temperungstemperaturen. Aus den Mustern ist ersichtlich, dass sich die Perovskitphase von PZT ab ungefähr 550ºC zu bilden beginnt und die Bildung bei 600ºC abgeschlossen ist. Dies zeigt an, dass sich bei 600ºC die vollständige ferroelektrische Phase für dieses System ausbildet. Auch ist aus dem XRD-Muster die Bildung der Pyrochlorphase von Pb&sub2;Ru&sub2;O7-x bei ungefähr 500ºC erkennbar. Dies ist die Zwischenschicht, die sich zwischen der Elektrode und dem Ferroelektrikum bildet. Diese Schicht ist leitend und weist einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 2 · 10&supmin;&sup4; Ohm · cm auf (siehe Longo et al., "Pb&sub2;M&sub2;O7-x - Preparation and Properties of Oxygen Deficient Pyrochlores", Mat. Res. Bull., Vol. 4, 1969, S. 1991).
  • Dann wurden auf der Oberseite der PZT-Filme 13 durch Verdampfung mittels Elektronenstrahl bei Vakuum von 1,5 · 10&supmin;&sup7; Torr Deckelektroden 14 aus Palladium (Pd) abgeschieden.
  • Auf die oben beschriebene Weise hergestellte Bauteile zeigten bei Tests hinsichtlich der Ermüdung, der Durchschlagsspannung und des beschleunigten Alterns verbesserte Eigenschaften. Bei diesen Tests werden die elektrischen Eigenschaften der PZT-Dünnschichten auf RuOx (Keramik) und mit Grundelektroden aus Pt (Metall) mit Si/SiO&sub2; als Substrat und mit Pd als Deckelektrode für dieselbe Zusammensetzung (x = 0,53) und Temperungsbedingungen (600ºC) mit den in der Fig. 4 dargestellten Ergebnissen verglichen, wobei die Durchschlagsspannungen von PZT auf dem Metall und Keramikelektroden verglichen werden. Für diesen Fall wurde ein Widerstand von 47kΩ in Reihenschaltung verwendet, um die Testanordnung zu schützen. Das Durchschlagsfeld für das System Pt/PZT ist niedriger als das für das System RuOx/PZT. Fig. 5 vergleicht den Effekt beschleunigter Alterung in PZT auf RuOx und Pt- Elektroden. Bei einem Gleichspannungs-Belastungsfeld mit einem Reihenwiderstand von 47kΩ zeigt die Probe auf RuOx sehr geringe Polarisationsverluste, während bei der Pt/PZT- Probe die Polarisationsverluste über die Zeit (Alterung/Ermüdung) deutlich sind. Die normalen Ermüdungseigenschaften von PZT-Filmen auf diesen Elektroden bei einem Testfeld von 150 kV/cm und unter Verwendung eines Impulssignals sind in Fig. 6 dargestellt, und die Eigenschaften betreffend beschleunigte Ermüdung bei hoher Frequenz sind in Fig. 7 dargestellt. Bei diesen beiden Bedingungen zeigt der Film auf der RuOx-Keramikelektrode keinerlei Ermüdung. Jedoch ermüdet der Film ziemlich schwerwiegend auf der Metall(Pt)elektrode.
  • Die in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Daten veranschaulichen, dass PZT minimale Ermüdung und Alterung sowie höhere Durchschlagsspannungen auf RuOx-Elektroden im Vergleich mit Pt-Elektroden zeigt. Allgemeiner gesagt, veranschaulichen diese Figuren, dass Ferroelektrika auf keramischen Stapelelektroden gemäß der Erfindung minimale Beeinträchtigungsprobleme zeigen. dies gilt für jedes Ausführungsbeispiel des Systems, d. h. für jede keramische Grundelektrode 11 und jedes Ferroelektrikum 13 sowie bei jedem Satz von Verarbeitungsbedingungen für die Elektrode und das Ferroelektrikum (Abscheidetechnik, Zusammensetzung des Films und Temperungsbedingungen), vorausgesetzt, dass sich zwischen dem ferroelektrischen Film 13 und der Keramikelektrode 11 eine Zwischenschicht 12 aus leitenden Oxiden bildet. Z. B. wird bei einem anderen speziellen Ausführungsbeispiel des Systems BaTiO&sub3; als ferroelektrische Schicht 13 verwendet, RuOx für die Elektroden 12 und 13 sowie BaRu&sub2;O7-x als Zwischenschichten 12 und 15. Bei noch einem anderen speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Ba1-xSrxTiO&sub3; als Ferroelektrikum verwendet, RuOx für die Elektroden 11 und 14 sowie Ba1-xSrxRu&sub2;O7-y als Zwischenschichten 12 und 15. Einige Beispiele der Keramikelektroden 11 oder 14, der verwendeten ferroelektrischen Schichten 13 und der Zwischenschichten 12 oder 15, wie sie sich bilden können, sind in der Tabelle 1 angegeben, und die in der Tabelle 1 aufgelisteten Materialien sind in keiner Weise erschöpfend. Die Liste ferroelektrischer Materialien ist ziemlich groß. Es ist möglich, eine Anzahl von Ersatzverbindungen vom Typ AB'B"O&sub3; und vom Typ AA'BO&sub3; zur Verwendung als Ferroelektrikum 13 herzustellen. PbZrXTi1-xO&sub3; und Ba1-xSrxTiO&sub3; sind gute Beispiele für diese Verbindungstypen. Die sich bildende Zwischenschicht kann die AMO&sub3;-Strukturart einnehmen. Z. B. bildet SrTiO&sub3; den Perovskit SrRuO&sub3; als Zwischenschicht auf RuOx-Elektroden. Wie bereits ausgeführt, kann jeder konkurrenzfähige Prozess zur Abscheidung der Filme und Elektroden verwendet werden. Z. B. können der Prozess und die Reaktion zum Abscheiden der ferroelektrischen Filme verwendet werden, wie sie in der oben genannten ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der Seriennr. 848,389 offenbart sind. Die Temperungstemperaturen für die verschiedenen ferroelektrischen Materialien zum Erzeugen der geeigneten Phase und der Zwischenschichten 12 und 15 befinden sich im Bereich von ungefähr 400 bis 700ºC, und sie werden unter Verwendung einer Anzahl von Temperaturen, wie oben erörtert, mittels der Röntgenbeugungs(XRD)technik (siehe Fig. 3) ausgewählt, um den Punkt zu bestimmen, an dem die korrekte ferroelektrische Phase fertiggestellt ist.
  • Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ein spezielles Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, soll die Beschreibung nicht in beschränkendem Sinn ausgelegt werden. Dem Fachmann sind unter Bezugnahme auf diese Beschreibung verschiedene Modifizierungen des offenbarten Ausführungsbeispiels wie auch andere Ausführungsbeispiele der Erfindung ersichtlich. Daher wird davon ausgegangen, dass die beigefügten Ansprüche derartige Modifizierungen oder Ausführungsbeispiele abdecken. TABELLE 1

Claims (9)

1. Ferroelektrisches Bauteil mit:
a) einem Substrat (10);
b) einer Elektrode (11) aus einem leitenden Oxid auf dem Substrat, wobei dieses leitende Oxid aus der aus RuOx, ReOx, RhOx, IrOx, OsOx bestehenden Gruppe ausgewählt ist;
c) einer Schicht aus ferroelektrischem Material (13) auf der Elektrode (11), wobei die ferroelektrische Elektrode aus Bleizirkonattitanat und ferroelektrischen Verbindungen der Form ABO&sub2;, AA'BO&sub3; und AB'B"O&sub3; ausgewählt ist, wobei A und A' verschieden sind und aus Pb, Ba, Bi, La, Li und Sr ausgewählt sind, und B, B' und B" verschieden sind und jeweils aus Ti, Nb, Ta, Mg, Sn, W und Zr ausgewählt sind;
d) einer leitenden Zwischenschicht (12) zwischen der Elektrode (11) und der Schicht aus ferroelektrischem Material (13), wobei die Zwischenschicht (12) aus einer leitenden Verbindung besteht, die aus der aus Verbindungen der Form A&sub2;M&sub2;O&sub6;, A&sub2;M&sub2;O7-x, AMO&sub3; bestehenden Gruppe ausgewählt ist und durch die Reaktion zwischen der Keramikelektrode (11) und dem ferroelektrischen Material (13) gebildet wird, wobei A aus der aus Pb, Ba, Sr, Li, La bestehenden Gruppe ausgewählt ist und M aus der aus Ru, Re, Rh, Ir und Os bestehenden Gruppe ausgewählt ist;
e) einer leitenden Deckelektrode (14) auf der Schicht aus ferroelektrischem Material (13).
2. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (10) aus einem Material besteht, das aus der aus Silicium, Saphir, Siliciumoxid, Silicium mit Siliciumoxidbeschichtung und Galliumarsenid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Deckelektrode (14) aus einem Metall besteht, das aus der aus Pd, Pt, W, Au und Ag bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer zweiten Zwischenschicht (15) aus einer leitenden Verbindung, die zwischen der Schicht aus ferroelektrischem Material (13) und der Deckschicht (14) liegt.
5. Bauteil nach Anspruch 4, bei dem die zweite Zwischenschicht (15) aus demselben Material wie die leitende Zwischenschicht (12) besteht.
6. Verfahren zum Herstellen eines ferroelektrischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den folgenden Schritten:
a) Abscheiden des leitenden Oxids auf einem Gebiet einer Fläche des Substrats (10), um die Keramikelektrode (11) herzustellen;
b) Abscheiden der Schicht aus ferroelektrischem Material (13) auf der Elektrode (11);
c) Tempern der Elektrode (11) und der Schicht (13), um an der Grenzfläche die leitende Verbindung zu erzeugen, um die leitende Zwischenschicht (12) zu schaffen;
d) Abscheiden der leitenden Deckelektrode (14) auf der Schicht aus ferroelektrischem Material (13).
7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit dem Schritt des Herstellens einer zweiten Zwischenschicht (15) aus einer leitenden Verbindung zwischen der Schicht aus ferroelektrischem Material (13) und der Deckschicht (14).
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die zweite Zwischenschicht (15) aus denselben Materialien wie die leitende Zwischenschicht (12) besteht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Schritte des Abscheidens der Schichten (12, 15) und der Elektroden (11, 14) durch eine Technik aus der Klasse Sputtern, CVD, Sol-Gel, Verdampfung mittels Elektronenstrahl, metallorganische Zersetzung und Laserablation ausgeführt werden.
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