Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 5 05;06 Сегнетоэлектрические материалы для интегральных схем динамической памяти й Б.М. Гольцман, В.К. Ярмаркин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 3 февраля 1998 г.) Обсуждаются возможности использования сегнетоэлектрических материалов для создания новых поколений интегральных схем динамической памяти с высокой плотностью записи (до 1 Gbit на одном кристалле).

Рассмотрено соответствие удельной емкости и токов утечки тонкопленочных сегнетоэлектрических конденсаторов требованиям для интегральных схем с различной информационной емкостью. Показано сильное влияние вольт-фарадной зависимости сегнетоэлектрика на удельную емкость и скорость снижения напряжения на конденсаторах при их разряде в процессе хранения информации. Рассматриваются перспективы повышения удельной емкости конденсаторов памяти при использовании релаксорных сегнетоэлектриков.

Развитие вычислительной техники в последние деся- x 0.7 и T 0 [2,3], а также сегнетоэлектрики с узкой тилетия определялось ростом информационной емкости петлей гистерезиса (Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)O3 (PLZT) при интегральных схем динамической памяти оперативных x = 0.09, y = 0.35 и Pb(Zr1-xTix)O3 (PZT) при x 0.5 = запоминающих устройств. Повышение информационной и толщине пленок менее 100 nm [4] (сужение петли емкости связано с многократным увеличением количе- гистерезиса в столь тонких пленках вызвано влиянием ства конденсаторов памяти в интегральной схеме, что на их диэлектрические свойства размерных эффектов, достигается уменьшением площади конденсаторов до ве- связанных с мелкозернистой структурой пленок, промеличин менее 1 m2, увеличением площади интегральной жуточных слоев на границах раздела пленкаЦэлектрод, схемы и уменьшением зазоров между конденсаторами. механических напряжений и др.).

Поскольку емкость конденсаторов при этом не должна В настоящей работе для ряда сегнетоэлектриков рассущественно уменьшаться, то возникает необходимость сматривается соответствие параметров Cs и j пленочных резкого повышения их удельной емкости Cs. Так, со- конденсаторов отмеченным выше требованиям. Принягласно оценкам [1], для поколений интегральных схем то во внимание, что, поскольку большие значения Cs с информационной емкостью 64, 256 Mbit и 1 Gbit зна- достигаются с пленками малой толщины, при рабочих чения Cs должны составлять 23, 35 и 100 fF/m2 соот- напряжениях 1.6Ц3.3 V в пленках действуют сильные ветственно (при наиболее простой и дешевой планарной электрические поля (до 1 MV/cm). Рассмотрено влияние конструкции конденсаторов). При этом смена поколений этих полей на величину Cs, а также на темп снижения интегральных схем динамической памяти сопровождает- напряжения на конденсаторе при его разряде в процессе ся уменьшением рабочего напряжения U в результате со- хранения информации. Оцениваются перспективы повывершенствования технологии изготовления транзисторов шения Cs конденсаторов с различными сегнетоэлектриячеек памяти: 64 Mbit Ч 3.3 V; 256 Mbin Ч2.5 V; 1 Gbit Ч ками за счет уменьшения толщины пленок, а также за 1.6 V. Плотность тока утечки конденсаторов j во всех счет повышения их диэлектрической проницаемости.

случаях не должна превышать 10-7 A/cm2. На рис. 1, a показана зависимость Cs от напряжения на Для повышения удельной емкости конденсаторов па- конденсаторе и толщины пленок STO и BST. Как видно, мяти перспективно использование тонких пленок сег- при увеличении U значения Cs уменьшаются приблизинетоэлектриков, для которых значения диэлектрической тельно по линейному закону, что связано с характерным проницаемости могут достигать нескольких тысяч. для этих материалов уменьшением при увеличении При этом для получения требуемых значений удельной напряженности электрического поля [5Ц7]. Из рис. 1, a емкости необходимо использование сегнетоэлектриче- видно также (на примере STO), что Cs возрастает при ских пленок с толщиной d, не превышающей 100 - уменьшении d медленнее, чем это следует из выраже200 nm. С целью повышения стабильности конденсато- ния для емкости плоского конденсатора (Cs 1/d).

ров и устранения усталости сегнетоэлектрика при мно- Возможные причины этого Ч увеличение объемной гократном переключении поляризации, связанном с дви- доли дефектных слоев на границах пленкаЦэлектроды, жением доменных стенок, предпочтительны материалы, а также уменьшение диэлектрической проницаемости находящиеся при рабочей температуре в парафазе или пленки, вызванное измельчением кристаллических зерен в сегнетофазе с узкой петлей гистерезиса [1]. К таким и увеличением напряженности электрического поля.

материалам, интенсивно исследуемым в последнее время Согласно данным рис. 1, a, пленки STO толщиной для использования в конденсаторах памяти, относятся 92 nm приблизительно удовлетворяют требованиям к Cs пароэлектрики SrTiO3 (STO) и (BaxSr1-x)TiO3 (BST) при для информационной емкости 64 Mbit (Cs = 20 fF/m90 Б.М. Гольцман, В.К. Ярмаркин онной емкости интегральных схем памяти. Оценка дает Cs = 71 fF/m2 при U = 2.5V и Сs = 90 fF/mпри U = 1.6 V. Поскольку при U = 1.6-2.5V j < 10-8 A/cm2 [11], то пленки BST обеспечивают требования к Cs, U и jL для 256 Mbit и близки (по величине Cs) к требованиям для 1 Gbit. Как видно из приведенных данных, поле, действующее в пленке, снижает величину Cs на 40% при U = 2.5 V и на 25% при U = 1.6V.

Здесь, как и в случае пленок STO, имеется возможность повышения Cs за счет уменьшения толщины пленок в пределах допустимых значений плотности тока утечки.

В отличие от STO для BST переход от объемных образцов к пленочным, так же как и уменьшение d от 500Ц1000 до 20 nm, резко снижает (в 3 раза и более). Очевидно, специфика процесса формирования пленок, заключающаяся в одновременном образовании и росте большого числа кристаллических зерен, вызывает в случае BST большее (по сравнению с STO) ухудшение совершенства структуры как в объеме пленок, так и в приэлектродных областях. Под ухудшением совершенства структуры пленок подразумевается связанное с измельчением зерен и блоков развитие межкристаллитных границ, увеличение концентрации примесей и вакансий, других точечных дефектов, дислокаций, рост механических макро- и микронапряжений. Сильное ухудшение структуры пленок BST можно объяснить более сложным составом твердого раствора BST по сравнению с индивидуальным химическим соединением SrTiO3 (STO).

Рис. 1. Зависимости удельной емкости от напряжения для Сказанное позволяет предположить, что в случае BST конденсаторов памяти на основе SrTiO3 [5] (сплошная линия), имеются резервы повышения Cs за счет совершенство(Ba0.5Sr0.5)TiO3 [11] (штриховая) (a) иPb(Zr0.5Ti0.5)O3 (сплошвания технологии изготовления пленок, приводящего к ная линия) и (Pb0.91La0.09)(Zr0.65Ti0.35)O3 [4] (штриховая) (b).

увеличению.

Следует отметить, что при улучшении совершенства структуры пленок STO и BST зависимость C(U) становиться более резкой. Так, если при U = 0.8V при U = 3.3V). При этом плотность тока утечки (E = 210 kV/cm) в пленках BST толщиной 38 nm конденсатора j < 10-8 A/cm2 [8]. Видно также, что значение Cs уменьшается на 15% [17], то для пленок при напряжении 3.3 V поле, действующее в пленке, того же состава толщиной 1000Ц1200 nm с крупнозерсущественно снижает Cs (на 30%). Основной резерв нистой структурой (отжиг при 1150C) уменьшение Cs повышения Cs конденсаторов на основе STO состо(при таком же E) составляет 30% [7]. Это обстояит в уменьшении d в пределах допустимых значений j < 10-7 A/cm2, поскольку возможности увеличения пленок STO за счет совершенствования технологии их изготовления невелики: для относительно толстых пленок STO величина достигает 300 [9], что близко к значениям для объемных образцов. Существенные резервы повышения пленок малых толщин за счет совершенствования технологии также отсутствуют, так как уже сейчас при уменьшении толщины пленок в интервале от 150 до 20 nm уменьшается всего лишь на 40% (рис. 2) [10Ц16].

В пленках BST при x = 0.5 и d = 40 nm получено значение Cs = 120 fF/m2 при U 0 и оценена = чувствительность Cs к напряжению смещения [11]. Используя эту оценку в предположении линейной зависиРис. 2. Зависимости диэлектрической проницаемости племости C(U) (рис. 1), можно определить величину Cs при нок SrTiO3 (1), (Ba0.5Sr0.5)TiO3 (2) и 0.9 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - значениях U, соответствующих различной информаци- 0.1 PbTiO3 (3) от толщины [5,10-16].

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Сегнетоэлектрические материалы для интегральных схем динамической памяти тельство снижает эффект повышения Cs пленок BST На рис. 1, b показаны зависимости Cs от U пленок PZT при улучшении совершенства их структуры, а также (x = 0.5) и PLZT (x = 0.09, y = 0.35), построенные приводит к увеличению скорости падения напряжения на основании данных [4]. В отличие от соответствуюна конденсаторе в результате его разряда при хранении щих данных для STO и BST эти зависимости для PZT информации. Действительно, снижение напряжения при имеют максимум, отражающий, по-видимому, тот факт, разряде конденсатора вызывает повышение емкости, что что пленки находятся в сегнетофазе, и действующие в в свою очередь дополнительно снижает напряжение, пленках поля близки к коэрцитивным. Отличие от пленок емкости опять возрастает и т. д.

STO cостоит в том, что, как видно из рис. 1, в практиИмея в виду, что скорость падения напряжения на чески интересной области U = 1.6-2.5 V у пленок PZT конденсаторе не должна быть очень велика, определим толщиной 100Ц300 nm Cs изменяется в соответствии с изменение со временем t начального напряжения U0.

законом Cs 1/d. Это объясняется слабой зависимоДля простоты расчета примем j = U/R, где R =const.

стью (E) в указанном диапазоне напряжений (усиление Рассмотрим, согласно рис. 1, a, линейную зависимость поля при уменьшении d не влияет существенно на емкость). При больших U снижение емкости под действием C(U) =C0 -BU, (1) поля усиливается, что ослабляет зависимость Cs(d). В результате кривая Cs(U) для d = 70 nm при U > 1.7V где B Ч постоянный коэффициент.

расположена ниже кривой для d = 100 nm. Благодаря Приравнивая производную dQ/dt (Q = CU Чзаряд слабой зависимости C(U) при рабочих напряжениях 1.6 - конденсатора) току утечки, получим 2.5 V в случае PZT должен незначительно проявляться dQ/dt = CdU/dt + UdC/dUdU/dt = -U/R. (2) отмеченный выше эффект увеличения скорости падения напряжения при разряде конденсатора из-за роста Cs при Из (1) и (2) имеем снижении U.

Для пленок PZT при U = 1.6V(согласно требованиям dt = 2BRdU - C0RdU/U. (3) для информационной емкости, равной 1 Gbit) и при d = 70-100 nm Cs = 130 fF/m2 [4], что превышает Интегрируя (3), получим минимально необходимую для этой информационной U/U0 exp[2B(U0 - U)/C0] =exp(-t/RC0). (4) емкости величину 100 fF/m2. Однако при этом j превышает 10-7 A/cm2 ( j = 510-7 A/cm2). Есть возможность Cоотношение (4) позволяет определить, насколько под снизить j, увеличивая d, и тем самым приблизиться к влиянием зависимости C(U) сократится время разряда требованиям для 1 Gbit.

до заданной величины U либо насколько увеличится паМожно считать, что параметры конденсаторов на дение U за заданное время разряда. Оценка, выполненная основе PLZT также близки к требованиям для индля зависимости C(U) пленок BST (рис. 1, a), показала, формационной емкости 1 Gbit. Так, при U = 1.6V что время снижения U на 10% конденсатора, заряженно j 10-7 A/cm2 (для пленок толщиной 150 nm [4]), а = го до U0 = 2.5 V, сокращается из-за зависимости C(U) экстраполяция зависимости Cs(U) (рис. 1, b) дает велив 4 раза, а при заданном времени разряда снижение чину Cs 100 fF/m2 при этом напряжении.

= достигает 30% вместо 10% для случая, когда C(U) не Следует отметить, что значениями параметров Cs, U учитывается.

и j не охватывается весь комплекс требований к конНа скорость снижения напряжения при разряде конденсаторам памяти и в отношении соответствия другим ценсатора влияет также характер зависимости j(U).

требованиям могут быть проблемы. Например, в [18] Эта зависимость определяется структурой и составом наблюдалось снижение пленок BST на 10% после пленки, а также потенциальными барьерами на границиклов зарядЦразряд с электродами из Ir и на 30% после цах пленкаЦэлектроды. Как правило, зависимость j(U) 108 циклов при электродах из Pt, что намного меньотклоняется от закона Ома в сторону более сильного ше требуемых 1012 циклов [19]. Поэтому необходимо снижения тока утечки при уменьшении напряжения. Это рассматривать возможность использования и других сегзамедляет разряд конденсатора. Для приближенной оценнетоэлектрических материалов, помимо рассмотренных ки влияния зависимости j(U) на изменение напряжения выше.

на конденсаторе при разряде сравним средние значения Перспективными представляются соединения и их токов утечки за время снижения напряжения на 10% (от твердые растворы из обширного семейства сегнетоэлекU = 2.5V) при омической зависимости j(U) и при более триков со структурой перовскита с размытым фазовым сильной зависимости, приведенной в [11]. В последнем переходом (так называемых сегнетоэлектриков релаксорслучае средний ток утечки и, следовательно, скорость ного типа). Эти материалы были открыты и детально разряда конденсатора оказываются на 10% меньше, чем исследованы в работах Г.А. Смоленского с сотруднив случае омической зависимости, т. е. напряжение при разряде уменьшится на 9%. Таким образом, влияние ками [20]. Отличительными особенностями указанных отклонения зависимости j(U) от закона Ома незначи- материалов являются высокие значения и узкая петля тельное. диэлектрического гистерезиса.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 92 Б.М. Гольцман, В.К. Ярмаркин Имеющиеся в литературе немногочисленные сведения Список литературы о свойствах тонких пленок из указанных материалов [1] Kotecki D.E. // Integrated Ferroelectrics. 1997. Vol. 16. N 1Ц4.

относятся к сравнительно толстым пленам (d 250 nm), P. 1Ц19.

поэтому, несмотря на достаточно высокие значения [2] Яффе Б., Кук У., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика.

в этих пленках, величины Cs конденсаторов на их М.: Мир, 1974. 288 с.

основе существенно ниже, чем для конденсаторов на [3] Lemanov V.V., Smirnova E.P., Syrnikov P.P., основе BST, PZT и PLZT. Так, для конденсаторов на Tarakanov E.A. // Phys. Rev. 1996. Vol. B54. N 5.

основе Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN) Cs = 67 fF/m2 при P. 3151Ц3157.

d = 500 nm и = 3800 [21], для твердого рас[4] Jones R.E., Maniar P.D., Campbell A.C. et al. // Integrated твора 0.9 PMNЦ0.1 PbTiO3 (PT) Cs = 70 fF/m2 при Ferroelectrics. 1994. Vol. 5. N 3. P. 235Ц244.

d = 250 nm и = 2000 [16], для Pb(Sc1/2Ta1/2)O3 (PST) [5] Abe K., Komatsu Sh. // Jpn. J. Appl. Phys. 1993. Vol. 32.

Pt. 2. P. L1157ЦL1159.

Cs = 15 fF/m2 при d = 2700 nm и = 4500 [22].

[6] Гольцман Б.М., Дедык А.И., Леманов В.В. и др. // ФТТ.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам