Нелинейно-оптическая диагностика сегнетоэлектрических тонких пленок и наноструктур для микроэлектроники

1.

НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКАЯ
ДИАГНОСТИКА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ТОНКИХ ПЛЕНОК И НАНОСТРУКТУР ДЛЯ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

2.

Увеличение плотности элементов (до Тбит/см2)
Уменьшение поперечного размера активных элементов
Повышение качества материалов
Тонкие пленки
Параметры доменной структуры
Динамика переключения поляризации
Размерные эффекты
Наноструктуры
Технологии изготовления новых типов
наноструктур
Диагностика сегнетоэлектрических
свойств наноструктур
Создание эффективных неразрушающих методик
экспериментального исследования параметров
сегнетоэлектрических пленок и наноструктур,
используемых в устройствах микро- и наноэлектроники.

3.

Рентгеноструктурный анализ
Электронная микроскопия
Сканирующая зондовая микроскопия
Эллипсометрия
Рамановская спектроскопия
Люминесценция
Применение СЭ материалов в микроэлектронике
Диагностика СЭ материалов
FRAM
Ferroelectric Random
Access Memory
время хранения информации
– более 10 лет
1010 циклов считывания/записи
Электрооптические модуляторы
Конденсаторы
Фазовращатели
Частотные фильтры
Оптические процессоры
Микроактюаторы

4.

Z
P-in
P-out
2
Y
ПЛЕНКА
ПОДЛОЖКА
X
( 2)
Pi (2 ) ijk E j ( ) Ek ( )
в центросимметричной
(неполярной) среде
ijk
( 2)
0
Симметрия
Свойства поверхностей и
границ раздела
Объемные и поверхностные
фазовые переходы
Параметры доменной структуры

5. Методика генерации второй гармоники

ED:
2
MD:
Qadr:
2
NL ( 2 )
P
ˆ eee
M NL
ˆ mee
NL
qee
Q
ˆ
E
наличие
нецентросимметричной среды
2
( )
EE
ˆ
ˆ
ˆ mem ˆ mmm EH
qem
qmm
H
H
ˆ
ˆ
eem
emm
E
P( E )
2
E0
H
M (H )
Pi (2 ) ijk E j ( ) Ek ( )
P= 0
P 0
IВГ=0
IВГ 0
Эффективная методика при исследовании
переключения поляризации
5

6.

Вторая гармоника и переключение поляризации
P0 P ( E )
f
(0)
P
Ebg и P0 – вклады непереключаемой поляризации;
2ω
-6
-4
-2
0
2
4
6
120
100
gate
80
100
60
80
40
В случае, когда ξP(E) >> P0, петли
симметричны относительно нулевого
напряжения. Уменьшение
переключаемой части поляризации
относительно непереключаемой
приводит к асимметризации петли
вплоть до вырожденного
„квазилинейного“ типа.
1.0
60
gate
0.5
-0.5
n
b
2
4
0
4
2
66
16
80
0
0
2
1
a
m
1
5
,
0
0
4
z0
i
l
1
5
,
d
e
p
go
l
e
t
a
r
a
8
6
4
0
2
a
z
i
a
i
s
U (
V
)
4
6
0
2
0
,
0
6
4
0
12
,
1
5
,
5
,
00
,
i
t
0
n
o
n P o r m a l i z e d p o l a r i z a ti o n
2
)S (H cG o u n
I(P
i t s/te sn )s i ty
2
I(S U H )G ( c o
in u n
te n ts /i s)ty
40
r
o
S HI 2 ( U G ) i ( n c t o e u n n s ti st y / s )
n o rn P m a l i z e d p o l a r i z a t i o n
0.0
S IH2 (P) G( c o i n u t n e t n s s / si t ) y
ξ ~ коэффициент пропорциональности, зависящий от
факторов Френеля и нелинейной восприимчивости.
norm alized polarization
Pn
2
P(E) – переключаемая СЭ поляризация;
Поляризованный сегнетоэлектрик –
Нецентросимметричный материал
S H G intensity
I (P) (counts/s)
2
2
(E) E
2 2
bg
S H G intensity
I (U ) (cou nts/s)
I
2
P n
-1.0
20
-6
-4
-2
0
2
bias U (V)
4
6 -1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
normalized polarization Pn
E. D. Mishina, N. E. Sherstyuk, V.I. Stadnichuk, A.S.
Sigov, V.M. Mukhorotov, Yu.I. Golovko, A. van
Etteger, Th. Rasing, Appl. Phys. Lett. 83, 2402
(2003)
2
Ebg 0
P( E ) P0
P0 0
I 2 ( E ) Ebg2
2

7.

Эпитаксиальные пленки
Ba0,7Sr0,3TiO3 @ MgO(100)
образец
Ti:Sap
лазер
~U
поляризатор
= 710 810 нм
= 100 фс
f = 82 МГц
W = 500 мВт
Wимп 105 Вт
2
анализатор
Метод изготовления –
магнетронное напыление
df = 6 240 нм
ТС = 150С
Поликристаллические пленки
PbХZr0.53Ti0.47O3
ФЭУ
система счета
фотонов
Метод изготовления –
золь-гель
df = 200 нм
То = 6500С

8.

PbxZr0.53Ti 0.47O3
x=1 1.3
напряжение
bias
поляризация
polarization
Ni 3 нм
ЦТС 200 нм
Pt
Si
Напряжение
(В)
Bias (V)
5
0
delay
-5
gate
-1.0
Сигнал ВГ полностью изотропный:
неупорядоченное распределение
микрокристаллитов в плоскости пленки.
Нанесение полупрозрачного электрода
не повлияло на параметры рассеяния ВГ.
gate=0.02 ms
-0.5
0.0
Время
(мс)
Time
(ms)
0.5
1.0

9.

-6
-4
-2
0
2
4
6 -1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
120
100
gate
80
100
60
80
2
40
S H G intensity
I (P) (counts/s)
2
norm alized polarization
Pn SH G intensity
I (U ) (counts/s)
I 2 ( P) I bg ( Pn Pn ) 2
1.0
60
0.5
gate
0.0
40
-0.5
-1.0
-6
-4
-2
0
2
bias U (V)
4
6 -1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
20
normalized polarization Pn
Пространственное разрешение методики
ограничено размером лазерного пятна
на поверхности образца (50 мкм).

10.

Интенсивность ВГ (отн. ед.)
Эпитаксиальные пленки
Ba0,7Sr0,3TiO3 @ MgO(100)
df = 140 нм
ТС = 150С
1000
100
до приложения напряжения
U = 0В
10
0
100
200
300
400
I 2 ( P) I bg ( Pn Pn ) 2
500
Интенсивность ВГ (отн. ед.)
х (мкм)
1000
190
200
210
220
х (мкм)
Ni, 3нм
100
Сu,
500нм
БСТ, 140нм
10
MgO (100)
U = 0В
U = -100В
U = +100В
0
100
200
х (мкм)
300
400
500

11.

Нелинейно-оптические исследования
процессов переключения в тонких
сегнетоэлектрических пленках BST
BST-25нм
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-6
-4
-2
0
2
0.001 Гц
0.01 Гц
10 Гц
100 кГц
30
4
6
СЭ поляризация (отн./ед.)
Интенсивность ВГ (фотон/сек)
1. BaSrTiO3
20
10
Исследована серия
образцов с толщиной 25,
65, 150 и 225 нм в
диапазоне частот 1 мГц 100 кГц
0
-10
-20
-30
-6
-4
-2
0
2
4
6
Полученные методом ГВГ
результаты соответствуют
электрофизическим
измерениям, проведенным
В.М, Мухортовым (ЮНЦ РАН)
BST-65 нм
1000
0.001 Гц
1 kГц
100 kГц
800
600
400
200
0
-6
-4
-2
0
2
4
6
ФЕ поляризация (отн./ед)
Петли имеют симметричный
вид:
1.Доля непереключаемой
поляризации стремится к нулю
2.НО гистерезис появляется
только на малых частотах
Интенсивность ВГ (фотон/сек)
Электрическое поле (кВ/см)
30
20
10
0
-10
-20
-30
-6
-4
-2
0
Электрическое поле (кВ/см)
2
4
6
11

12.

1. BaSrTiO3
Оценка параметров переключения в зависимости от частоты приложенного
BST-65 нм
60
E-(bg)
50
60
2
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0.6
0
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0.0
0.0
-0.2
-0.2
+
-0.4
P0
-0.6
P0
-0.4
-
10
-2
0
2
10
10
10
Частота, Гц
4
10
-0.6
-2
0
10
10
2
4
10
(E) E
Диэлектрические потери (отн.ед.)
BST-25нм
I
2
Параметры аппроксимации (отн.ед.)
Параметры аппроксимации (отн.ед.)
Аппроксимация экспериментальных
зависимостей соотношением
2 2
bg
P0 P ( E )
18
d=25 нм
16
d=65 нм
14
12
10
8
6
4
2
0 -3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
10 10 10 10 10 10 10 10 10
Частота, Гц
Диэлектрические потери рассчитаны
как площадь под зависимостью Р(Е)
Частота, Гц
С ростом толщины пленки и частоты переменного электрического
поля для всех толщин происходит уменьшение параметра (а,
следовательно, и ), и рост доли непереключаемой поляризации . С
ростом частоты приложенного поля уменьшаются диэлектрические
потери в структуре.
12
2

13.

Нелинейно-оптические исследования процессов переключения
в тонких сегнетоэлектрических пленках NBFO
NBFO1
NBFO2
NBFO4
толщина пленки, нм
420
70
210
зазор между электродами, мкм
2,1
1,2
2,2 и 0,6
ширина электрода, мкм
2,2
1,1
2,2 и 1
Без поля
постоянное напряжение -10V
постоянное напряжение +10V
1800
1600
1400
Без поля
Постоянное напряжение 10В
Постоянное напряжение -10В
NBFO1
1200
1000
800
600
400
200
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
Угол дифракции, град
Интенсивность ВГ, фот./сек.
U=0
NBFO2
Без поля
постоянное напряжение 10V
постоянное напряжение -10V
11000
10000
9000
8000
7000
6000
Интенсивность ВГ, фот./сек.
Интенсивность ВГ, фот./сек.
2. NdBiFeO3
2400
2200
NBFO2
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
Угол дифракции, град.
NBFO4
5000
4000
3000
2000
1000
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
Угол дифракции, град.
Не когерентная
-> непереключаемая
-> шероховатость -> широкая индикатриса рассеяни
13
Подтверждено AFM

14.

Частотные зависимости
8
x 10
I
3
6
4
0,01 Гц
0,1 Гц
1 Гц
10 кГц
2
0
-6
-4
-2
0
2
4
6
Параметры аппроксимации, отн.ед.
Интенсивность ВГ, фот./сек.
Bi0.98
0.98FeNd0.02
0.02O3 (NBFO)
df = 35 нм
2
2 2
bg
(E) E
P0 P ( E )
2
70
50
60
+
40
-
50
+
P0
+
40
P0
Ebg
30
2
20
30
20
10
10
0
-2
10
Потери, отн.ед.
2. NdBiFeO3
10
-1
10
0
10
1
10
2
Частота, Гц
10
3
10
4
0
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
Частота, Гц
Электрическое поле, кВ/см
Зависимости интенсивности ВГ от приложенного напряжения имеют ярко
выраженную асимметрию:
1.Значительная доля непереключаемой поляризации
2.С ростом частоты приложенного поля уменьшаются диэлектрические потери в
структуре.
3.С ростом частоты уменьшается , доля непереключаемой поляризации практически
14
не изменяется

15.

2. NdBiFeO3
Аппроксимация
35 нм
300
250
200
150
100
50
-10
-5
0
5
10
Напряжение, В
1000
900
150 нм
800
700
600
500
-10
-5
0
5
10
Напряжение, В
Bi0.98
0.98FeNd0.02
0.02O3 (NBFO)
f = 10 мГц
250
I
70 нм
200
150
100
50
-10
-5
0
5
10
Напряжение, В
260
240
225 нм
220
200
180
160
140
120
100
80
-10
-5
0
5
Напряжение, В
10
2
(E) E
Параметры аппроксимации, отн.ед.
350
Интенсивность ВГ, фот./сек.
400
Интенсивность ВГ, фот./сек.
Интенсивность ВГ, фот./сек.
Интенсивность ВГ, фот./сек.
Толщинные
зависимости
20
2 2
bg
P0 P ( E )
15
10
P0
5
0
1.0
0.8
0.6
0.4
Ebg2
20
15
10
0
50
100
150
200
250
Толщина пленки, нм
Заметное уменьшение доли непереключаемой
поляризации на толщине 70нм
Уменьшение диэлектрической проницаемости с
увеличением толщины пленки, что соответствует
данным электрофизических измерений
15
2

16.

Методика изготовления: ВЧ-распыление
(В.М. Мухортов, ЮНЦ РАН)
Описание образцов
Тонкие сегнетоэлектрические и
мультиферроидные пленки
1. BaSrTiO3
2. NdBiFeO3
3. NdBiFeO3 /BaSrTiO3
+
U
Мультислойные структуры
«сегнетоэлектрик/мультиферроик»
U = ±10 В
E ~ 105 В/см
4. BaSrTiO3 /ФК
1D и 2D
фотоннокристаллические
структуры на основе СЭ
пленок
Методика изготовления:
травление фокусированным
ионным пучком (МГТУ
16
МИРЭА)

17.

3. NdBiFeO3 /BaSrTiO3
Вклад BST выше NBFO -> н/о отклик структуры
определяется свойствами BST
160
Комнатная температура
SHG intensity (counts/sec)
140
BaSrTiO
3
Nd0.02Bi0.98FeO3 /BaSrTiO3
120
100
80
60
40
20
0
-60
-40
-20
0
20
40
60
250
Напряжение, В
Nd0.02Bi0.98FeO3
200
Интенсивность ВГ, фот./сек.
Интенсивность ВГ ( фотон/сек)
Voltage, U
•Чистые пленки 100 нм:
Интенсивность ВГ в BST в 20 раз выше, чем в пленках
NBFO
150
100
50
0
6000
-10 -8 -6 -4 -2 0
2
4
Напряжение, В
6
8 10
5000
4000
3000
2000
1000
0
-10
-5
0
5
Напряжение, В
10
•Мультислойные структуры (N=5, толщина =20
нм):
Несимметричная петля
17
Низкий уровень Ebg

18.

320
300
Толстый образец ( 147нм)
Тонкий образец ( 100нм)
280
260
Мультиферроидные структуры
240
220
сегнетоэлектрик/мультиферроик
200
180
160
140
120
100
80
0
-60
-40
-20
0
20
Напряжение (В)
С уменьшением общей толщины
возрастает асимметрия НО
отклика - возрастает доля
непереключаемой поляризации
(когерентная и некогерентная
составляющая) – влияние
механических напряжений на
границе слоев.
Та же тенденция проявляется на
40
Толстый образец ( 147нм)
Тонкий образец ( 100нм)
280
260
240
220
60
200
10 кГц
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-60
-40
-20
0
20
40
60
Напряжение ( В)
450
Толстый образец ( 147нм)
Тонкий образец ( 100нм)
400
350
300
100 Гц
250
200
150
100
50
0
-60
-40
-20
0
20
40
Напряжение ( В)
60
Интенсивность ВГ ( Фот./сек.)
20
Интенсивность ВГ ( Фот./сек.)
40
Интенсивность ВГ ( Фот./сек.)
60
Интенсивность ВГ ( Фот./сек.)
Интенсивность ВГ (фотон.сек.)
3. NdBiFeO3 /BaSrTiO3
350
Толстый образец ( 147нм)
Тонкий образец ( 100нм)
300
250
1 кГц
200
150
100
50
0
-60
-40
-20
0
20
40
60
Напряжение ( В)
400
Толстый образец ( 147нм)
Тонкий образец ( 100нм)
350
300
250
10 Гц
200
150
100
50
0
-60
-40
-20
0
20
40
18
Напряжение ( В)
60

19.

PbxZr0.53Ti 0.47O3
x=1 1.3
del=0.25мс
Polarization
Ti:Sap
лазер
С
З
П
del=0
bias
образец
объектив
Г = 50
del=0.5мс
del=0.75мс

20.

25000
20000
7 x 5 пикс.
15000
10000
а)
5000
-6
-4
-2
0
2
4
6
Напряжение (В)
Поляризация
(отн. ед.)
Polarization (arb.units)
60
(х
x270y311
2, у2 )
(х
x268y311
2-2, у2)
x267y311
(х
2-3, у2)
15000
SHG intensity
Итенсивность
ВГ (отн. ед.)
Итенсивность ВГ (отн. ед.)
(х
x178y324
1, у1)
(х
x179y324
1+1, у1)
(х
x180y324
1 +2, у1)
10000
5000
б)
0
-6
-4
-2
0
2
4
6
bias (V)
Напряжение (В)
(х
1, у1)
x178
(хx179
1+1, у1)
(хx180
1+2, у1)
40
x 1,22 2 NA 400 нм
20
0
в)
-20
-6
-4
-2
0
2
4
bias (V)
Напряжение
(В)
6

21.

3. NdBiFeO3 /BaSrTiO3
Нелинейно-оптическая микросокпия (дальнепольная),
оценка эффективности переключения.
BST/NBFO
электро-индуцированная ВГ
15 x 15 мкм
-30 В
0В
+30В
-40В
-20В
-10В
8 x 8 мкм
+10В
+20В
21
+40В

22.

Напряжение (В)
Напряжение (В)
«Λ-импульс»
tR ~ 5нс, ~ 20 нс,
Um = 15 В,
EL = 6 105 В/м
«V-импульс»
Время (нс)
Время (нс)
25 мкм
Cu
БСТ
Х

23.

350
0
20
40
60
80 100
12
0
20
40
60
80 100
10
300
8
250
200
150
Поведение сигнала ВГ в
зависимости от
приложенного напряжения
соответствует состоянию
доменной структуры
пленки в данный момент
времени и может
использоваться для
диагностики процессов
переключения в пленках.
6
4
2
100
0
50
-2
0
-4
del= 0 нс
del= 22 нс
del= 42 нс
900
Интенсивность ВГ (отн. ед.)
время (нс)
U (В)
Интенсивность ВГ (отн. ед.)
del (нс)
до приложения U
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
50
100
150
200
250
Поляризационный угол (град.)
300
350

24.

I 2
D
P0d
P
d
E0
2
dPx
3
A0 (T Tc ) Px BPx 0 E x
dt
Px p x p x dV Fx
I (2 ) Fx
Временное разрешение методики ограничено
пределом временного разрешения системы
детектирования ( pc = 5 нс)