近幾年來,將鐵電薄膜和硅基半導(dǎo)體工藝相結(jié)合的新型半導(dǎo)體器件越來越受到世界各國研究者的廣泛青睞。其中,鐵電存儲器由于其兼有低功耗、讀寫速度快、抗輻射等多方面優(yōu)點,被認為最有前途的新一代非揮發(fā)存儲器之一。本文圍繞鐵電存儲器研制過程中相關(guān)的若干關(guān)鍵問題,開展了以下四個方面的研究工作。 從鐵電性、介電性及漏電流方面考慮,確定了處于準同形相界成分點的Pb(Zr,Ti)O3(PZT)薄膜是制備鐵電存儲器較為理想的材料。通過正交實驗摸索了陶瓷靶材的最佳燒結(jié)工藝。研究了濺射氣壓對PZT薄膜成分波動的影響,討論了濺射氣壓、氣氛、襯底溫度對BaPbO3(BPO)薄膜電阻率的影響。使用射頻磁控濺射法以500℃的較低溫度在BPO電極上原位沉積了用于鐵電存儲器的PZT薄膜。和傳統(tǒng)的Pt電極相比,BPO電極的使用能有效的改善生長其上PZT薄膜的鐵電疲勞特性并降低矯頑場。 采用2θ-sin2ψ和Williamson-Hall法分別研究了生長在不同厚度BPO電極上準同形相PZT薄膜的殘余應(yīng)力和微觀應(yīng)力。結(jié)果表明當BPO層厚度為34nm,68nm,135nm和270nm時,PZT薄膜呈現(xiàn)張應(yīng)力。通過一個簡單的計算可以得知,這種張應(yīng)力主要來自相變應(yīng)力,它和PZT薄膜的晶粒尺寸成正比,并且可以通過改變BPO層的厚度來加以調(diào)整。結(jié)合結(jié)構(gòu)精修的分析方法,我們發(fā)現(xiàn),張應(yīng)力的存在有助于準同形相PZT薄膜中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變。在準同性相附近,單斜相比四方相具有更大的極化效率,從而能獲得更高的剩余極化和更小的矯頑場。 從鐵電薄膜微觀機理入手,采用幾何圖示方法解釋了鐵電疇在外電場中極化反轉(zhuǎn)規(guī)律,并推導(dǎo)出實驗提取鐵電偶極子矯頑場分布函數(shù)p(Ec+,Ec-)的方法。在此基礎(chǔ)上,引入了極化反轉(zhuǎn)函數(shù)來表征鐵電電容宏觀極化強度隨外電場變化的數(shù)學(xué)表達式,建立起用于鐵電存儲器電路仿真的鐵電電容器件模型和將該模型嵌入IC仿真平臺的方法。該模型不僅可以用于鐵電存儲器電路優(yōu)化,還能作為一種分析工具來研究鐵電薄膜中的各種電致退化。 研究了用于鐵電存儲器的氫隔離層工藝,分析了不同刻蝕方案下A1203隔離層的刻蝕速度。結(jié)果表明,使用CHC13作為刻蝕氣體,刻蝕氣壓1Pa,功率60W時,具有最高的刻蝕速率,約8nm/min。對比實驗表明,具有Al_2O_3氫隔離層的鐵電薄膜能夠有效的抵御還原性氣氛退火對鐵電薄膜的侵蝕。此外,我們也研究了和Al_2O_3氫隔離層有關(guān)的應(yīng)力匹配問題。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：TP333
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 鐵電材料基本特性
    1.2 鐵電存儲技術(shù)概述
    1.3 鐵電存儲器研究中的重要課題
    1.4 本文主要研究內(nèi)容
2 PZT與BPO薄膜低溫制備工藝研究
    2.1 高密度靶材的制備
    2.2 PZT薄膜濺射工藝優(yōu)化
    2.3 BPO薄膜濺射工藝優(yōu)化
    2.4 BPO和Pt電極效果比較
3 BPO電極對PZT薄膜微觀結(jié)構(gòu)及電學(xué)特性影響
    3.1 微觀結(jié)構(gòu)、擇優(yōu)取向和表面形貌分析
    3.2 殘余應(yīng)力分析
    3.3 鐵電和介電特性分析
    3.4 結(jié)構(gòu)精修分析
4 基于極化反轉(zhuǎn)函數(shù)的鐵電電容器件模型
    4.1 鐵電模型物理基礎(chǔ)
    4.2 鐵電電容的極化反轉(zhuǎn)函數(shù)
    4.3 參數(shù)提取和模型驗證
    4.4 將模型嵌入EDA工具的方法
5 鐵電電容模型應(yīng)用實例
    5.1 將模型用來解釋疲勞相關(guān)的印記現(xiàn)象
    5.2 將模型用于優(yōu)化鐵電存儲器核心單元電路參數(shù)
6 鐵電存儲器氫隔離工藝研究
    6.1 氫隔離層的刻蝕工藝
2O₃氫隔離層的效果'>    6.2 Al₂O₃氫隔離層的效果
    6.3 和氫隔離工藝有關(guān)的應(yīng)力匹配問題
7 全文總結(jié)
致謝
參考文獻
附錄1 陶瓷靶材正交試驗表
附錄2 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表和待發(fā)表的論文目錄
附錄3 已授權(quán)和申請中的專利

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