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LaNiO_3电极及层状Bi系铁电薄膜特性研究

康晓旭  
【摘要】:铁电材料是一种功能材料,它不仅具备铁电特性,而且具有高介电常数、压 电效应、热释电效应、电光效应等特殊性质,可以应用于 High-K 介质材料、声 学探测器、压电传感器件、微机械系统领域、热电探测器、铁电光阀显示器等等; 因此,铁电体以其独特的物理、化学性质越来越引起人们对其技术应用的重视。 然而直到近几十年,随着铁电薄膜制备技术的发展完善,特别是与半导体集成电 路的结合,铁电材料才真正迈出了走向大规模应用的关键性一步。 目前,铁电材料主要应用于 DRAM 以及嵌入式存储器中,特别是随着现代 可移动式电子设备的普及,例如 PDA、手机、数字照相机、非接触式 IC 卡、智 能卡等,市场对非挥发性存储器的需求越来越大、要求也越来越高。铁电不挥发 存储器(FERAM)不仅能实现高速读写,而且工作电压比较低,功耗也很低, 擦写次数远远大于一般浮栅结构的非挥发性存储器,同时其抗辐射的特殊性质也 使其在航空、航天、军事领域中得到广泛的应用。 铁电存储器是近几十年中技术发展最快的器件,以 FERAM 而言,其单元结 构从最早的 8T-2C、2T-2C 到目前比较先进的 1T-1C,使用的材料从 PZT 到 SBT、 BLT 等等,而集成度也从 4Kbit、64Kbit、256Kbit 到 1Mbit、4Mbit。根据 VLSI 2002 的最新报道,三星公司已经制出了 32Mbit 的 FERAM。可以预见,铁电存储器 具有广阔而光明的发展前景。 本文以铁电材料在存储器中的应用为主要目的,研究了 PZT 铁电电容的特 性,并使用导电氧化物 LaNiO3(LNO)取代 Pt 电极,以改善 PZT 的抗疲劳特性; 对以 Ti 为氧八面体体心的几种层状 Bi 结构系列的铁电材料 Bi4Ti3O12(BTi)、 Bi3.25La0.75Ti3O12(BLT)和 SrBi4Ti4O15(SBTi)制备工艺和特性进行了研究;并 以 BLT 为铁电材料,研究了 MFS 和 MFIS 电容的制备工艺及其特性。本文的创 新点主要有以下几点: 1、制备了 Au(Cr)/PZT/LaNiO3/SiO2 结构的电容,并进行了 I-V 特性的测试;该 结构的电容具有很小的漏电流,且极化反转电流与不反转电流有很大的差异; 同时观察到了由于铁电畴的 back-switching 引起的负阻现象,结合电滞回线的 不对称,揭示了内建电场、应力和非 180 度铁电畴是形成电滞回线偏移和负 阻效应的根本原因。 2、以 Sol-Gel 方法制备了 SrBi4Ti4O15(SBTi)和 Bi3.25La0.75Ti3O12(BLT)薄膜,提出 了一种优化的工艺处理方法,制备了取向度、铁电特性和漏电特性都很好的 薄膜;通过 Bi 含量对其疲劳特性影响的研究,制备了抗疲劳特性和保持特性 很好的 SBTi 和 BLT 薄膜;以 Bi4Ti3O12 薄膜为籽晶层,制备了 Bi4Ti3O12— WP=3 摘要 SrBi4Ti4O15 结构的薄膜,不仅降低了 SrBi4Ti4O15 薄膜的析晶温度,而且其非 C 取向度很好,电滞回线饱和特性较好。 3、测试了局部电滞回线,根据测试结果探讨了 MFS 和 MFIS 非破坏性读出的机 理。 通过不同脉冲宽度对铁电薄膜疲劳特性的影响,揭示了其疲劳现象的根本原 因;这种以系统的电学测试方法来揭示与薄膜内部缺陷相关的一些机理具有 一定新意。 测试了疲劳特性在不同电压区域与测试电压的关系。 本文的主要内容如下: 制备了 Au(Cr)/PZT/Pt 结构铁电电容,系统研究了 PZT 铁电薄膜的电滞回线、 C-V 特性、疲劳特性等铁电特性随外加测试信号条件的变化规律。研究表明,由 于杂质和缺陷的影响,在 PZT 铁电薄膜内部存在慢响应的偶极子,从而使得其 电滞回线的测试结果与外加测试信号的频率相关,频率升高时,其剩余及饱和极 化强度减小;同时由于极化反转时产生的应力影响,当测试频率升高时,矫顽电 压增大;随着外加测试电压的增大,电滞回线和 CV 曲线趋于饱和。对于 PZT 的疲劳特性,通过改变测试信号的类型(单边、双边)、频率、脉冲宽度等条件, 系统研究了其疲劳特性随外加测试条件的变化规律,并通过氧空位的形成和迁移 过程以及缺陷对载流子的俘获过程,定性分析了形成这些现象的内在原因,揭示 了 PZT 疲劳现象的机理。最后通过设计和实现 8×8bit 的 FERAM 测试原型器件, 表明制备的 PZT 铁电电容具有在 FERAM 中应用的实用价值。 以甲酸镍和硝酸镧为原料,采用水基化学溶液涂布的方法,制备出了导电的 LNO 氧化物薄膜电极;系统研究了退火温度、退火时间、薄膜厚度、退火方式 等不同工艺条件对 LNO 薄膜特性的影响,并利用薄膜导电的散射机制、晶粒的 成核及生长、籽晶层对薄膜结构的影响等机理分析了产生这些影响的原因,且找 出了最佳工艺条件;使用优化的工艺条件,750℃下退火 30min,在 SiO2/Si 绝缘 衬底上制备出了 LNO 薄膜,其室温电阻率约为1.77×10?3??cm,且 SEM 照片表 明薄膜具有良好的形貌,具备应用到铁电电容里面的条件。 将 LNO 氧化物电极应用到 PZT 铁电电容中,制备了 Au(Cr)/PZT/LNO/ SiO2 结构的电容,其 XRD 分析表明 PZT 在与其结构相同晶格常数接近的 LNO 上具 有很强的外延生长趋势;而氧化物 LNO 电极取代了传统的 Pt 下电极后,PZT 的 抗疲劳特性得到了极大的


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