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(guó)研究者的廣泛青睞。其中,鐵電存儲(chǔ)器由于其兼有低功耗、讀寫速度快、抗輻射等多方面優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為最有前途的新一代非揮發(fā)存儲(chǔ)器之一。本文圍繞鐵電存儲(chǔ)器研制過程中相關(guān)的若干關(guān)鍵問題,開展了以下四個(gè)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(zhǔn)同形相界成分點(diǎn)的Pb(Zr,Ti)O3(PZT)薄膜是制備鐵電存儲(chǔ)器較為理想的材料。通過正交實(shí)驗(yàn)摸索了陶瓷靶材的最佳燒結(jié)工藝。研究了濺射氣壓對(duì)PZT薄膜成分波動(dòng)的影響,討論了濺射氣壓、氣氛、襯底溫度對(duì)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(chǔ)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(zhǎng)其上PZT薄膜的鐵電疲勞特性并降低矯頑場(chǎng)。 采用2θ-sin2ψ和Williamson-Hall法分別研究了生長(zhǎng)在不同厚度BPO電極上準(zhǔn)同形相PZT薄膜的殘余應(yīng)力和微觀應(yīng)力。結(jié)果表明當(dāng)BPO層厚度為34nm,68nm,135nm和270nm時(shí),PZT薄膜呈現(xiàn)張應(yīng)力。通過一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)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(zhǔn)同形相PZT薄膜中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變。在準(zhǔn)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(chǎng)。 從鐵電薄膜微觀機(jī)理入手,采用幾何圖示方法解釋了鐵電疇在外電場(chǎng)中極化反轉(zhuǎn)規(guī)律,并推導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)提取鐵電偶極子矯頑場(chǎng)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(qiáng)度隨外電場(chǎng)變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式,建立起用于鐵電存儲(chǔ)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(tái)的方法。該模型不僅可以用于鐵電存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí),具有最高的刻蝕速率,約8nm/min。對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jí)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(chǔ)技術(shù)概述
    1.3 鐵電存儲(chǔ)器研究中的重要課題
    1.4 本文主要研究?jī)?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(duì)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(yàn)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(shí)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(chǔ)器核心單元電路參數(shù)
6 鐵電存儲(chǔ)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(xiàn)
附錄1 陶瓷靶材正交試驗(yàn)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(qǐng)中的專利

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