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铁电存储器用Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)薄膜的制备及性能研究

郭冬云  
【摘要】: 铁电存储器是一种在断电时不会丢失存储信息的非易失存储器,具有高速、高密度、低功耗和抗辐射等优点,显示出良好的应用前景和极大的发展潜力。而具有性能优良的铁电薄膜是制作铁电存储器的基础。本文以应用于非易失性存储器的铁电薄膜的制备和性能研究为目的,采用Sol-Gel法在Pt/Ti/SiO_2/Si和p-Si衬底上制备出Bi_4Ti_3O_(12)和Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)铁电薄膜,并对不同温度退火的样品的微观结构和铁电性能进行了系统地研究,还利用慢正电子束技术对La掺杂改善Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜疲劳性能的机理进行了探索性地研究,取得了一定的创新性成果和结论。 系统研究了La掺杂改善Bi_4Ti_3O_(12)薄膜铁电性能的机理,认为La~(3+)离子取代(Bi_2Ti_3O_(10))2-层中易挥发的Bi~(3+)离子后,对其晶格结构、电子结构和相互作用力等产生了改变。由于La~(3+)离子可以增强类钙钛矿层中氧离子的稳定性,减少在类钙钛矿层的VO ??缺陷浓度,提高抗疲劳特性。La~(3+)离子与氧离子2p的轨道杂化较弱,这就会间接影响了Ti4+离子3d轨道和O2-离子2p轨道的杂化,使得离子间的短程斥力增强,TiO6八面体的对称性会增加,极化沿c轴方向的偏转增大,导致a轴方向的极化减小,c轴方向的极化增加,从而提高了Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜的剩余极化值。 采用Sol-Gel法在Pt/Ti/SiO_2/Si和p-Si(100)衬底上成功制备出高质量的Bi_4Ti_3O_(12)和Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)薄膜。研究了退火温度对Bi_4Ti_3O_(12)和Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)薄膜的晶相及表面形貌的影响:少量La掺杂并没有改变Bi_4Ti_3O_(12)的基本晶格结构,经过550℃退火的薄膜基本是钙钛矿晶相,在600℃退火的薄膜已经形成比较完整的钙钛矿晶格结构;薄膜表面具有较好的平整度,晶粒排列致密,尺寸均匀,结晶情况良好,没有裂缝和孔洞等缺陷。 750℃退火的MFM结构Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)铁电薄膜在测试电压为6 V时,其2Pr为20.0μC/cm~2,2Vc是2.7 V;650℃退火的Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)铁电薄膜漏电流密度为2.8×10-8 A/cm~2,表现出良好的绝缘性能;Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)铁电薄膜在测试电压为5 V时,经过1×109次极化反转后,其剩余极化值几乎没有下降,表现出良好的抗疲劳特性。同时还研究了La掺杂对Bi_4Ti_3O_(12)薄膜铁电性能的影响。在测试电压为6 V时,700℃退火的MFM结构Bi_4Ti_3O_(12)和Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)薄膜,Bi_4Ti_3O_(12)薄膜剩余极化值2Pr从12.5μC/cm~2提高到Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)薄膜的18.6μC/cm~2,矫顽电压2Vc没有发生明显变化,都是2.8 V;而疲劳性能测试表明,经过1×10~9次极化反转后,Bi_4Ti_3O_(12)薄膜剩余极化值下降了24%,而Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)薄膜则表现出良好的抗疲劳特性,其剩余极化值几乎没有下降。 研究了MFM结构和MFS结构Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)薄膜的铁电性能,在此基础上探讨了衬底对其铁电性能的影响。发现制备在Pt/Ti/SiO_2/Si衬底上的Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)薄膜的铁电性能要优于制备在p-Si衬底上的,主要是直接制备在p-Si衬底上的Bi_(3.25)La_(0.75)Ti_3O_(12)薄膜,在F-S界面处形成一层低介电常数的氧化物薄膜层(一般为SiO_x),这种硅氧层对薄膜的铁电性能会产生破坏性的影响。 首次利用慢正电子束技术研究了铁电薄膜中V_O~(··)缺陷的作用,证实了La掺杂降低了Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜中V_O~(··)缺陷浓度,增强了(Bi_2Ti_3O_(10))2-层中O2-离子的稳定性,达到提高Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜抗疲劳特性的目的。为研究新型抗疲劳Bi系层状铁电薄膜提供了有价值的参考依据。


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