EP1116266A1 - Verfahren zur herstellung selbstpolarisierter ferroelektrischer schichten, insbesondere pzt-schichten, mit rhomboedrischer kristallstruktur - Google Patents

Verfahren zur herstellung selbstpolarisierter ferroelektrischer schichten, insbesondere pzt-schichten, mit rhomboedrischer kristallstruktur

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EP1116266A1
EP1116266A1 EP99953667A EP99953667A EP1116266A1 EP 1116266 A1 EP1116266 A1 EP 1116266A1 EP 99953667 A EP99953667 A EP 99953667A EP 99953667 A EP99953667 A EP 99953667A EP 1116266 A1 EP1116266 A1 EP 1116266A1
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EP
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layer
metal
substrate
layers
crystal structure
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Withdrawn
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EP99953667A
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Rainer Bruchhaus
Dana Pitzer
Robert Primig
Matthias Schreiter
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing self-polarized ferroelectric layers, in particular PZT layers, with a rhombohedral crystal structure.
  • the invention further relates to such layers.
  • Ferroelectric layers are widely used in the semiconductor industry. For example, they are integrated as fine-structured ceramic components in the form of PZT layers in silicon ICs (integrated circuits). Other possible uses of such ceramic components can be actuators or the like.
  • PZT ceramics are ceramics from the lead zirconate-lead titanate system. PZT ceramics are characterized by the fact that, depending on their composition, they can have a rhombohedral or a tetragonal structure.
  • PZT layers with a tetragonal crystal structure have, for example, a Zr content (zirconium content) of less than 50%, preferably of 10 to 30%.
  • Zr content zirconium content
  • a transition to the ferroelectric state occurs when the absolute temperatures of the PZT layers fall below their Curie temperatures. This possibility is, for example, in the article "Slater model applied to polarization graded ferroelectrics" by Mantese, Schubring, Micheli, Catalan, Mohammed, Naik and Auner in the Magazine “Appl. Phys. Lett. 71 (14), October 6, 1997, pages 2047 to 2049 ".
  • the present invention is based on the object of providing a method with which self-polarized ferroelectric layers, in particular PZT layers, having a rhombohedral crystal structure can be produced.
  • a corresponding ferroelectric layer is also to be provided.
  • a method for producing self-polarized ferroelectric layers, in particular PZT layers, with a rhombohedral crystal structure which is characterized by the following steps: a) providing a substrate and heating the substrate to a temperature T1; b) applying a layer (10) with a rhombohedral crystal structure, which has a low-metal, self-polarized layer (13) with a Curie temperature TCl and a metal-rich layer (14) with a Curie temperature TC2, to the substrate (11), wherein applies: Tl>TCl>TC2; c) stopping the heating of the substrate and cooling of the layer with a rhombohedral crystal structure after the application process has ended.
  • the method now makes it possible to use a self-polarized layer for inducing the ferroelectric polarization in a material that otherwise does not self-polarize.
  • the layer in particular the PZT layer, is applied at substrate temperatures which are lower than the Curie temperature of the layer. This grows the layer with a cubic structure. The transition from the paraelectric cubic phase to the ferroelectric phase takes place only after the actual application process when the layer cools.
  • Self-polarized rhombohedral layers with (111) texture have the advantage over the self-polarized tetragonal layers with (111) texture that the polarization is perpendicular to the substrate surface and thus the pyroelectric coefficient is higher.
  • Any suitable material for example platinum or the like, can be used for the substrate.
  • the layer with a rhombohedral crystal structure can be applied in such a way that a low-metal layer with a Curie temperature TCl is first applied to the substrate and then a metal-rich layer with a Curie temperature TC2 is applied to the low-metal layer.
  • TC2 ⁇ TCKT1 applies to the individual temperatures.
  • the metal poverty and the metal richness of the layers refer to the presence of at least one metal of the fourth subgroup of the periodic table.
  • the low-metal layer is designed as a low-Zr layer and the metal-rich layer as a Zr-rich layer.
  • ferroelectric layers based on Zr.
  • the ferroelectric layers can also be formed on the basis of other metals from the fourth subgroup of the periodic table.
  • metal-poor and metal-rich layers other variants are also conceivable.
  • several low-metal and high-metal layers can be alternately applied to the substrate.
  • a metal-rich layer is sandwiched between two metal-poor layers and that this arrangement is arranged over one of the two metal-poor layers on the substrate.
  • the invention is not limited to the two embodiments described in more detail above.
  • the metal-poor layer can advantageously be applied with a thickness of approximately 100 nm on the substrate and / or the metal-rich layer.
  • the layer with the rhombohedral crystal structure can be applied in a total thickness of approximately 1 ⁇ m. Layers with such a thickness are used, for example, as integrated pyrodetector arrays.
  • the low-metal layer is made substantially thinner than the metal-rich layer.
  • an electrode is first applied to the substrate.
  • the layer with a rhombohedral crystal structure is then applied to this electrode.
  • the electrode can be connected to the substrate and the layer via suitable insulation and adhesive layers.
  • the layer with a rhombohedral crystal structure is advantageously applied to the substrate by means of a sputtering process.
  • Sputtering processes are known from the prior art.
  • a multi-target sputtering process can be used.
  • Deposition process changed the performances on the targets so that the Zr-rich layer continues to grow, as has already been described in a general manner above. Essentially, this is an increase in performance at the Zr and lead targets (when PZT layers are deposited).
  • a ferroelectric layer in particular a PZT layer, with a rhombohedral crystal structure is provided, the ferroelectric layer being arranged on a substrate.
  • This ferroelectric layer with a rhomohedral crystal structure is characterized in that it is self-polarized.
  • the ferroelectric layer can be formed from at least one metal-poor layer with a Curie temperature TCl and a metal-rich layer with a Curie temperature TC2, where the following applies for the temperatures: TC2 ⁇ TC1 and where the low metal content and the metal richness of the layers depend on the presence relates at least one metal from the fourth subgroup of the periodic table.
  • the low-metal layer can be arranged on the substrate and the high-metal layer on the low-metal layer.
  • the metal-rich layer can be arranged on the substrate and the metal-poor layer on the metal-rich layer.
  • the metal-rich and metal-poor layers can be formed as Zr layers.
  • the low-metal layer can advantageously have a thickness of approximately 100 nm.
  • the ferroelectric layer can preferably have a total thickness of approximately 1 ⁇ m.
  • An electrode can be provided between the substrate and the ferroelectric layer with a rhombohedral crystal structure.
  • Electrode 12 is applied.
  • the substrate 11 is heated to a temperature T1 by means of a substrate heater (not shown).
  • a low-Zr layer 13 with a Curie temperature TCl is deposited on the electrode 12 by means of a sputtering process.
  • the temperature ratio T1> TC1 applies.
  • FIG. 3 shows the ferroelectric layer 10 after the deposition process has ended. Zunachs' t is turned off, the Subtratsammlungung. Now the substrate 11 cools down and the low-Zr layer 13 first reaches the Curie temperature TCl into the ferroelectric phase and polarizes itself, as shown by corresponding arrows in Fig.3.
  • the Zr-rich layer 14 Upon further cooling, as shown in FIG. 4, the Zr-rich layer 14 also reaches its Curie temperature TC2. The Zr-rich layer 14 thereby polarizes itself. At the same time, the polarization already present in the Zr-poor layer 13 also induces the polarization in the Zr-rich layer 14. This is again shown by corresponding arrows.
  • a ferroelectric layer 10 with a rhombohedral crystal structure results, which is completely self-polarized.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung selbstpolarisierter ferroelektrischer Schichten, insbesondere PZT-Schichten, mit rhomboedrischer Kristallstruktur beschrieben. Eine Selbstpolarisation der Schichten wird erreicht, indem zunächst ein Substrat bereitgestellt und auf eine Temperatur T1 erwärmt wird. Anschliessend wird die Schicht mit rhomboedrischer Kristallstruktur - beispielsweise mittels eines Sputter-Verfahrens - auf das Substrat aufgebracht. Diese Schicht weist eine bestimmte Curie-Temperatur TC auf, wobei gilt: T1>TC. Das Aufbringen der Schicht mit rhomboedrischer Kristallstruktur kann in einer Weise erfolgen, dass zunächst eine Zr-arme Schicht mit einer Curie-Temperatur TC1 auf das Substrat aufgebracht wird und dass anschliessend eine Zr-reiche Schicht mit einer Curie-Temperatur TC2 auf die Zr-arme Schicht aufgebracht wird, wobei gilt: TC2<TC1<T1. Nach Beendigung des Aufbringvorgangs wird auch die Erwärmung des Substrats eingestellt. Das Substrat kühlt ab, wodurch zunächst die Zr-arme Schicht und danach die Zr-reiche Schicht ihre Curie-Temperatur erreichen, wo sie in die ferroelektrische Phase übergehen und sich dabei selbst polarisieren. Zusätzlich induziert die bereits vorhandene Polarisation in der Zr-armen Schicht die Polarisation in der Zr-reichen Schicht, so dass die gesamte Schicht nach der Abkühlung selbstpolarisiert ist.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung selbstpolarisierter ferroelektrischer Schichten, insbesondere PZT-Schichten, mit rhomboedrischer Kristallstruktur
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung selbstpolarisierter ferroelektrischer Schichten, insbesondere PZT-Schichten, mit rhomboedrischer Kristallstruktur. Weiterhin betrifft die Erfindung derartige Schichten.
Ferroelektrische Schichten finden in der Halbleiterindustrie vielfältige Anwendung. Beispielsweise werden sie als keramische Bauelemente in Form von PZT-Schichten feinstrukturiert in Silizium-IC s (Integrierte Schaltkreise) integriert. Andere Anwendungsmöglichkeiten derartiger keramischer Bauelemente können Aktoren oder dergleichen sein. Unter PZT-Keramiken versteht man in allgemeiner Form Keramiken aus dem System Bleizirkonat-Bleititanat . PZT- Keramiken zeichnen sich dadurch aus, daß sie je nach Zusammensetzung eine rhomboedrische oder eine tetragonale Struktur aufweisen können.
Damit derartige Keramiken optimal verwendet werden können, müssen sie sich in der ferroelektrischen Phase befinden, das heißt polarisiert sein. Bei PZT-Schichten mit tetragonaler Kristallstruktur ist es möglich, die Polarisierung durch Selbstpolarisation der Schichten zu erreichen. PZT-Schichten mit tetragonaler Kristallstruktur weisen beispielsweise einen Zr-Gehalt (Zirkonium-Gehalt) von kleiner 50%, vorzugsweise von 10 bis 30%, auf. Ein Übergang in den ferroelektrischen Zustand erfolgt, wenn die absoluten Temperaturen der PZT- Schichten deren Curie-Temperaturen unterschreiten. Diese Möglichkeit ist beispielsweise in dem Aufsatz „Slater model applied to polarization graded ferroelectrics" von Mantese, Schubring, Micheli, Catalan, Mohammed, Naik und Auner in der Zeitschrift „Appl . Phys . Lett. 71 (14), 6 October 1997, Seiten 2047 bis 2049", beschrieben.
Selbstpolarisierte PZT-Schichten mit Zusammensetzungen der rhomboedrischen Seite des Phasendiagramms der PZT-Keramiken konnten jedoch noch nicht hergestellt werden. Derartige Schichten, die beispielsweise einen Zr-Gehalt von größer oder gleich 50% aufweisen, müssen bisher unpolarisiert hergestellt und nachträglich durch Anlegen eines elektrischen Feldes polarisiert werden, um die gewünschte ferroelektrische
(pyroelektrische) Funktion zu erhalten. Da hierzu ein sehr hohes elektrisches Feld erforderlich ist, kann die Polarisierung nur in aufwendiger Weise erfolgen. Weiterhin kommt es durch das hohe elektrische Feld zu einer hohen Ausschußrate bei den PZT-Schichten, etwa durch auftretende elektrische Durchschläge oder dergleichen.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem selbstpolarisierte ferroelektrische Schichten, insbesondere PZT-Schichten, mit rhomboedrischer Kristallstruktur hergestellt werden können. Weiterhin soll eine entsprechende ferroelektrische Schicht bereitgestellt werden .
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung selbstpolarisierter ferroelektrischer Schichten, insbesondere PZT-Schichten, mit rhomboedrischer Kristallstruktur gelöst, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: a) Bereitstellen eines Substrats und Erwärmen des Substrats auf eine Temperatur Tl; b) Aufbringen einer Schicht (10) mit rhomboedrischer Kristallstruktur, die eine metallarme, selbstpolarisierte Schicht (13) mit einer Curie-Temperatur TCl und eine metallreiche Schicht (14) mit einer Curie-Temperatur TC2 aufweist, auf das Substrat (11), wobei gilt: Tl > TCl > TC2 ; c) Beenden der Erwärmung des Substrats und Abkühlen der Schicht mit rhomboedrischer Kristallstruktur nach Beendigung des Aufbringvorgangs.
Durch das Verfahren wird es nunmehr möglich, eine selbstpolarisierte Schicht zum Induzieren der ferroelektπschen Polarisation in einem Material zu verwenden, das sich ansonsten nicht selbst polarisiert. Das bedeutet, daß selbstpolarisierte ferroelektrische Schichten, und hier insbesondere PZT-Schichten, mit Zusammensetzungen der rhomboedrischen Seite des entsprechenden Phasendiagramms hergestellt werden können.
Das Aufbringen der Schicht, insbesondere der PZT-Schicht, erfolgt bei Substrattemperaturen, die noher als die Curie- Temperatur der Schicht liegen. Damit wachst die Schicht mit kubischer Struktur auf. Erst nach dem eigentlichen Aufbringprozeß beim Abkühlen der Schicht erfolgt der Übergang von der paraelektrischen kubischen Phase in die ferroelektrische Phase.
Selbstpolarisierte rhomboedrische Schichten mit (111) -Textur haben gegenüber den selbstpolarisierten tetragonalen Schichten mit (111) -Textur den Vorteil, daß die Polarisation senkrecht auf der Substratoberflache steht und dadurch der pyroelektrische Koeffizient hoher wird.
Für das Substrat kann jedes geeignete Material, beispielsweise Platin oder dergleichen, verwendet werden.
Bevorzugte Ausfuhrungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteranspruchen . Das Aufbringen der Schicht mit rhomboedrischer Kristallstruktur kann m einer Weise erfolgen, daß zunächst eine metallarme Schicht mit einer Curie-Temperatur TCl auf das Substrat aufgebracht wird und daß anschließend eine etallreiche Schicht m t einer Curie- Temperatur TC2 auf die metallarme Schicht aufgebracht wird. Für die einzelnen Temperaturen gilt die Beziehung TC2<TCKT1. Die Metallarmut und der Metallreichtum der Schichten bezieht sich dabei auf die Anwesenheit von wenigstens einem Metall der vierten Nebengruppe des Periodensystems.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die jedoch nicht ausschließlich zu verstehen ist, ist die metallarme Schicht als Zr-arme Schicht, und die metallreiche Schicht als Zr-reiche Schicht ausgebildet.
Nachfolgend wird zum besseren Verständnis deshalb die Bildung von ferroelektrischen Schichten auf Zr-Basis beschrieben. Allerdings können die ferroelektrischen Schichten auch auf Basis anderer Metalle aus der vierten Nebengruppe des Periodensystems gebildet werden.
Die Herstellung der rhomboedrischen Schichten, insbesondere der PZT-Schichten, mit induzierter Polung erfolgt derart, daß zunächst die Zr-arme Schicht auf das Substrat aufgebracht wird. Nachdem diese Schicht aufgebracht ist, werden wahrend des Aufbringvorgangs die Parameter an der jeweiligen Aufbringvorrichtung (beispielsweise einer wie weiter unten näher beschriebenen Sputter-Vorrichtung) derart geändert, daß eine Zr-reiche Schicht weiter wächst. Hat die Schicht die gewünschte Gesamtdicke erreicht, wird der Aufbringvorgang beendet. Gleichzeitig wird auch die Erwärmung des Substrats eingestellt, etwa durch Abschalten einer entsprechenden Substratheizung. Jetzt kühlt das Substrat ab und die Zr-arme Schicht erreicht als erste ihre Curie-Temperatur, geht in die ferroelektrische Phase über und polarisiert sich dabei selbst. Bei der weiteren Abkühlung nähert sich die Temperatur der Schicht der Curie-Temperatur der Zr-reichen Schicht. Dabei induziert die bereits vorhandene Polarisierung in der Zr-armen Schicht die Polarisation in der Zr-reichen Schicht und die gesamte Schicht ist nach der Abkühlung selbstpolarisiert. Dabei laßt die niedrigere Curie-Temperatur der Zr-reichen Schicht im Vergleich zur Zr-armen Schicht einen höheren pyroelektrischen Koeffizienten erwarten.
Der gleiche Induzierungseffekt kann auch erreicht werden, wenn die Zr-arme Schicht auf der Zr-reichen Schicht aufgebracht wird.
Gemäß einer anderen Ausfuhrungsform ist deshalb vorgesehen, daß das Aufbringen der Schicht mit rhomboedrischer Kristallstruktur in einer Weise erfolgen kann, daß zunächst eine metallreiche Schicht mit einer Curie-Temperatur TC2 auf das Substrat aufgebracht wird und daß anschließend eine metallarme Schicht mit einer Curie-Temperatur TCl auf die metallreiche Schicht aufgebracht wird. Für die einzelnen Temperaturen gilt die Beziehung TC2<TC1<T1. Die Metallarmut und der Metalireichtum der Schichten bezieht sich dabei auf die Anwesenheit von wenigstens einem Metall der vierten Nebengruppe des Periodensystems.
Als bevorzugtes Metall kann vorteilhaft wiederum Zirkonium (Zr) verwendet werden.
Im Hinblick auf die Anordnungsmoglichkeiten der metallarmen und der metallreichen Schichten sind auch noch andere Varianten denkbar. So können beispielsweise abwechselnd mehrere metallarme und metallreiche Schichten auf dem Substrat aufgebracht werden. Auch ist es denkbar, daß eine metallreiche Schicht sandwichartig zwischen zwei metallarmen Schichten angeordnet ist und daß diese Anordnung über eine der beiden metallarmen Schichten auf dem Substrat angeordnet ist. Die Erfindung ist nicht auf die beiden oben naher beschriebenen Ausfuhrungsformen beschrankt.
Vorteilhaft kann die metallarme Schicht mit einer Dicke von etwa lOOnm auf dem Substrat und/oder der metallreichen Schicht aufgebracht werden. Die Schicht mit der rhomboedrischen Kristallstruktur kann in einer Gesamtdicke von etwa lμm aufgebracht werden. Schichten mit einer solchen Dicke werden beispielsweise als integrierte Pyrodetektorarrays verwendet.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die metallarme Schicht wesentlich dunner als die metallreiche Schicht ausgebildet ist .
In weiterer Ausgestaltung wird auf das Substrat zunächst eine Elektrode aufgebracht. Auf diese Elektrode wird dann anschließend die Schicht mit rhomboedrischer Kristallstruktur aufgebracht. Die Elektrode kann mit dem Substrat und der Schicht über geeignete Isolations- und Haftschichten verbunden sein.
Vorteilhaft wird die Schicht mit rhomboedrischer Kristallstruktur mittels eines Sputter-Verfahrens auf das Substrat aufgebracht. Sputter-Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann ein Multi-Target- Sputterverfahren verwendet werden.
Bei Verwendung eines Sputterverfahrens kann zunächst eine Zr- arme Schicht auf das Substrat gesputtert werden. Nachdem die Schicht aufgebracht ist, werden wahrend des laufenden
Abscheideprozesses die Leistungen an den Targets so geändert, daß die Zr-reiche Schicht weiterwachst, wie dies weiter oben bereits in allgemeiner Weise beschrieben worden ist. Im wesentlichen handelt es sich dabei um eine Erhöhung der Leistung am Zr- und am Bleitarget (wenn PZT-Schichten abgeschieden werden) .
Das wie vorstehend beschriebene Verfahren kann vorteilhaft zur Herstellung von selbstpolarisierten, ferroelektrischen, rhomboedrischen Bleizirkontitanat-Schichten verwendet werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine ferroelektrische Schicht, insbesondere eine PZT-Schicht, mit rhomboedrischer Kristallstruktur bereitgestellt, wobei die ferroelektrische Schicht auf einem Substrat angeordnet ist. Diese ferroelektrische Schicht mit rhomooedrischer Kristallstruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß sie selbstpolarisiert ist.
Dadurch können die im Hinblick auf den oben beschriebenen Stand der Technik genannten Nachteile vermieden werden. Zu den Vorteilen, Wirkungen, Effekten und der Funktionsweise der ferroelektrischen Schicht wird auf die vorstehenden
Ausfuhrungen zum Herstellungsverfahren vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.
Bevorzugte Ausfuhrungsformen ergeben sich aus den
Unteranspruchen .
Die ferroelektrische Schicht kann aus wenigstens einer metallarmen Schicht mit einer Curie-Temperatur TCl und einer metallreichen Schicht mit einer Curie-Temperatur TC2 gebildet sein, wobei für die Temperaturen gilt: TC2<TC1 und wobei sich die Metallarmut und der Metalireichtum der Schichten auf die Anwesenheit wenigstens eines Metalls aus der vierten Nebengruppe des Periodensystems bezieht.
In weiterer Ausgestaltung kann die metallarme Schicht auf dem Substrat und die metallreiche Schicht auf der metallarmen Schicht angeordnet sein. Gemäß einer anderen Ausfuhrungsform kann die metallreiche Schicht auf dem Substrat und die metallarme Schicht auf der metallreichen Schicht angeordnet sein. Es sind auch die oben beschriebenen anderen Anordnungsvarianten möglich.
Die metallreichen und metallarmen Schichten können als Zr- Schichten ausgebildet sein. Die metallarme Schicht kann vorteilhaft eine Dicke von etwa lOOnm aufweisen. Die ferroelektrische Schicht kann vorzugsweise eine Gesamtdicke von etwa lμm aufweisen.
Zwischen dem Substrat und der ferroelektrischen Schicht mit rhomboedrischer Kristallstruktur kann eine Elektrode vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausfuhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung naher erläutert. Es zeigen die Fig.l bis 4 in schematischer Ansicht den Ablauf des Verfahrens.
In den Fig.l bis 4 ist die Herstellung einer selbstpolaπsierten ferroelektrischen PZT-Schicht 10 (Bleizirkontitanat-Schicht) mit rhomboedrischer Kristallstruktur dargestellt.
Aus Fig.l wird ersichtlich, daß auf ein Substrat 11 über geeignete Haft- und Isolationsschichten zunächst eine
Elektrode 12 aufgebracht wird. Das Substrat 11 wird mittels einer Substratheizung (nicht dargestellt) auf eine Temperatur Tl erwärmt. Auf der Elektrode 12 wird mittels eines Sputter- Verfahrens eine Zr-arme Schicht 13 mit einer Curie-Temperatur TCl abgeschieden. Dabei gilt das Temperaturverhaltnis T1>TC1.
Im Anschluß wird auf die Zr-arme Schicht 13 eine Zr-reiche Schicht 14 aufgesputtert, indem die Leistung am nicht dargestellten Zr- und Bleitarget der ebenfalls nicht dargestellten Sputter-Vorrichtung erhöht wird. Die Zr-reiche Schicht 14 hat eine Curie-Temperatur TC2, wobei gilt: TC2<TCKT1. Dies ist m Fig.2 dargestellt.
Fig.3 zeigt die ferroelektrische Schicht 10 nach Beendigung des Abscheidevorgangs. Zunachs't wird die Subtratheizung abgestellt. Jetzt kühlt das Substrat 11 ab und die Zr-arme Schicht 13 erreicht als erste die Curie-Temperatur TCl, geht in die ferroelektrische Phase über und polarisiert sich dabei selbst, wie dies durch entsprechende Pfeile in Fig.3 dargestellt ist.
Bei der weiteren Abkühlung, wie sie in Fig.4 gezeigt ist, erreicht auch die Zr-reiche Schicht 14 ihre Curie-Temperatur TC2. Dabei polarisiert sich die Zr-reiche Schicht 14. Gleichzeitig induziert auch die bereits vorhandene Polarisation in der Zr-armen Schicht 13 die Polarisation in der Zr-reichen Schicht 14. Dies ist wiederum durch entsprechende Pfeile dargestellt.
Nach Beendigung der Abkühlphase ergibt sich eine ferroelektrische Schicht 10 mit rhomboedrischer Kristallstruktur, die vollständig selbstpolarisiert ist.

Claims

Patentansprüche
1) Verfahren zur Herstellung selbstpolarisierter ferroelektrischer Schichten, insbesondere PZT-Schichten, mit rhomboedrischer Kristallstruktur, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Substrats (11) und Erwärmen des Substrats (11) auf eine Temperatur Tl; b) Aufbringen einer Schicht (10) mit rhomboedrischer Kristallstruktur, die eine metallarme, selbstpolarisierte Schicht (13) mit einer Curie-Temperatur TCl und eine metallreiche Schicht (14) mit einer Curie-Temperatur TC2 aufweist, auf das Substrat (11), wobei gilt: Tl > TCl > TC2; c) Beenden der Erwärmung des Substrats (11) und Abkühlen der Schicht (10) mit rhomboedrischer Kristallstruktur nach
Beendigung des Aufbringvorgangs .
2) Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Aufbringen der Schicht (10) mit rhomboedrischer Kristallstruktur in einer Weise erfolgt, daß zunächst eine metallarme Schicht (13) mit einer Curie-Temperatur TCl auf das Substrat (11) aufgebracht wird und daß anschließend eine metallreiche Schicht (14) mit einer Curie-Temperatur TC2 auf die metallarme Schicht (13) aufgebracht wird, wobei gilt: TC2 < TCl < Tl und wobei sich die Metallarmut und der Metallreichtum der Schichten (13, 14) auf die Anwesenheit wenigstens eines Metalls aus der vierten Nebengruppe des Periodensystems bezieht.
3) Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Aufbringen der Schicht (10) mit rhomboedrischer Kristallstruktur in einer Weise erfolgt, daß zunächst eine metallreiche Schicht (14) mit einer Curie-Temperatur TC2 auf das Substrat (11) aufgebracht wird und daß anschließend eine metallarme Schicht (13) mit einer Curie-Temperatur TCl auf die metallreiche Schicht (14) aufgebracht wird, wobei gilt: TC2 < TCl < Tl und wobei sich die Metallarmut und der Metallreichtum der Schichten (13, 14) auf die Anwesenheit wenigstens eines Metalls aus der vierten Nebengruppe des Periodensystems bezieht.
4) Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die metallarme Schicht (13) als Zr-arme Schicht und die metallreiche Schicht (14) als Zr- reiche Schicht ausgebildet ist.
5) Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die metallarme Schicht (13) mit einer Dicke von etwa lOOnm aufgebracht wird.
6) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schicht (10) mit rhomboedrischer Kristallstruktur in einer Gesamtdicke von etwa lμm aufgebracht wird.
7) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf das Substrat (11) zunächst eine Elektrode (12) aufgebracht wird und daß anschließend die Schicht (10) mit rhomboedrischer Kristallstruktur auf die Elektrode (12) aufgebracht wird.
8) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schicht (10) mit rhomboedrischer Kristallstruktur mittels eine Sputter- Verfahrens auf das Substrat (11) aufgebracht wird.
9) Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung selbstpolarisierter, ferroelektrischer, rhomboedrischer Bleizirkontitanat-Schichten.
10) Ferroelektrische Schicht (10), insbesondere PZT-Schicht, mit rhomboedrischer Kristallstruktur, wobei die ferroelektrische Schicht (10) auf einem Substrat (11) angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die ferroelektrische Schicht (10) mit rhomboedrischer Kristallstruktur selbstpolarisiert ist.
11) Ferroelektrische Schicht nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß diese aus wenigstens einer metallarmen Schicht (13) mit einer Curie-Temperatur TCl und wenigstens einer metallreichen Schicht (14) mit einer Curie- Temperatur TC2 gebildet ist, wobei gilt: TC2 < TCl und wobei sich die Metallarmut und der Metallreichtum der Schichten (13, 14) auf die Anwesenheit wenigstens eines Metalls aus der vierten Nebengruppe des Periodensystems bezieht.
12) Ferroelektrische Schicht nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die metallarme Schicht (13) auf dem Substrat (11) angeordnet ist und daß die metallreiche Schicht (14) auf der metallarmen Schicht (13) angeordnet ist.
13) Ferroelektrische Schicht nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die metallreiche Schicht (14) auf dem Substrat (11) angeordnet ist und daß die metallarme Schicht (13) auf der metallreichen Schicht (14) angeordnet ist.
14) Ferroelektrische Schicht nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die metallarme Schicht (13) eine Zr-arme Schicht ist und daß die metallreiche Schicht (14) eine Zr-reiche Schicht ist.
15) Ferroelektrische Schicht nach einem der Ansprüche 11 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die metallarme Schicht (13) eine Dicke von etwa lOOnm aufweist.
16) Ferroelektrische Schicht nach einem der Ansprüche 10 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß diese eine Gesamtdicke von etwa lμm aufweist. 17) Ferroelektrische Schicht nach einem der Ansprüche 10 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen dem Substrat (11) und der ferroelektrischen Schicht (10) eine Elektrode (12) vorgesehen ist.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3971598B2 (ja) * 2001-11-01 2007-09-05 富士通株式会社 強誘電体キャパシタおよび半導体装置
US7229662B2 (en) * 2003-12-16 2007-06-12 National University Of Singapore Heterolayered ferroelectric thin films and methods of forming same
US6872669B1 (en) 2003-12-19 2005-03-29 Texas Instruments Incorporated PZT (111) texture through Ir texture improvement
US7732991B2 (en) * 2007-09-28 2010-06-08 Freescale Semiconductor, Inc. Self-poling piezoelectric MEMs device
DE102011000752B3 (de) 2011-02-15 2012-06-06 Pyreos Ltd. Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilms aus Blei-Zirkonat-Titanat, elektronisches Bauteil mit dem Dünnfilm und Verwendung des Bauteils
DE102012105036A1 (de) 2012-06-12 2013-12-12 Pyreos Ltd. Verfahren zum Herstellen eines Mikrosystems

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4731172A (en) 1985-04-18 1988-03-15 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for sputtering multi-component thin-film
JP2532381B2 (ja) * 1986-03-04 1996-09-11 松下電器産業株式会社 強誘電体薄膜素子及びその製造方法
KR100190558B1 (ko) * 1995-03-04 1999-10-15 구본준 강유전체 및 이를 채용한 반도체장치의 커패시터
US5719417A (en) 1996-11-27 1998-02-17 Advanced Technology Materials, Inc. Ferroelectric integrated circuit structure

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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