文档介绍：湘潭大学
硕士学位论文
FeFET存储器用BDT与BYT铁电薄膜的制备及性能研究
姓名:成传品
申请学位级别:硕士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:唐明华
20070510
湘潭大学硕士毕业论文 FeFET存储器用 BDT 与 BYT 铁电薄膜的制备及性能研究

摘要

随着现代科技的发展,对非挥发存储器(如铁电场效应晶体管FeFET
存储器)的需求与日俱增,从而导致了对新的存储器材料的研究与探索的
热潮。目前用于制备FeFET的铁电薄膜材料体系仍以锆钛酸铅(PZT)系为
主,PZT薄膜具有一些良好的铁电性能,如较大的剩余极化(2P r )值以及较
低的热处理温度等。然而,PZT薄膜同时具有一些致命的缺点,如抗疲劳
性能差,有毒等等。开发一类新的铁电材料来取代PZT变得尤为必要。稀
有金属离子掺杂的钛酸铋(Bi4 Ti3 O 12,简写为BIT)铁电薄膜材料结晶温度
较低、抗疲劳特性好、自发极化较大,所以可望成为新的适用于FeFET
器件的铁电薄膜材料。本文选择用溶胶- 凝胶(Sol-Gel) 法在
Pt(111)/Ti/SiO2 /Si(100)基片上制备了Dy元素和Yb元素掺杂的Bi4 Ti3 O 12薄
膜 O 12和 O 12( 分别简记为BDT和 BYT),并分别对
其性能进行了一些研究。
本论文在第一章中对铁电薄膜的发展概况、应用前景、制备方法和
目前的研究现状进行了综述。在此基础上,给出了本文的选材及研究目
的、内容。第二章介绍了本文实验所用的材料以及方法,并就影响实验
结果的一些主要因素进行了分析。
在第三章和第四章中,分别研究了退火气氛和退火温度对BDT薄膜
的微观结构、铁电性能及电学性能等性质的影响。结果表明退火气氛对
薄膜的微观结构和铁电性能等都有很大的影响。氮气中较低温度650°C 退
火的BDT薄膜结晶完全,显示良好的铁电性和抗疲劳特性,而空气和氧
气中退火的BDT薄膜只有在退火温度升高到700°C时才显示较好的结晶
度和铁电性。所以,与空气和氧气相比,氮气中退火可以大大降低BDT
薄膜的结晶温度。另外,氮气、空气和氧气中退火的BDT薄膜的表面颗
粒平均尺寸随着退火温度的升高而增大,铁电性却并不是随着退火温度
单调增长,而是在到达最佳退火温度点后,剩余极化值又随着退火温度
的进一步提高而减小。
第五章研究了Dy元素的含量对BDT薄膜的性能影响,结论是:
O 12薄膜的性能最好。我们认为得出这样的结果的原因在于
Dy3+离子取代Bi3+离子的位置有差异。当 Dy元素的含量在一个适当的范围
3+ 3+
之内时,Dy 离子优先取代Bi2 O 2 层的Bi 离子,而这将破坏铋层状钙钛
V
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矿结构的对称性,从而提高BDT薄膜的自发极化强度(或剩余极化强度)。
3+ 3+
但是过多的Dy掺杂又会导致Dy 离子取代位于Bi2 Ti3 O 10结构中的Bi 离
子,这会破坏Bi2 Ti3 O 10的钙钛矿结构,从而降低薄膜的自发极化强度(或
剩余极化强度)。
第六章介绍了BYT薄膜的制备过程。采用Sol-Gel法我们首次成功地
在 Pt(111)/Ti/SiO2 /Si(100) O 12(BYT)铁电薄膜,
此项工作目前还没有任何文献报道。详细研究了不同退火温度
(600°C-750°C)下 BYT铁电薄膜的铁电性能。

关键词: BDT/BYT铁电薄膜;铁电场效应晶体管存储器;溶胶-凝胶法;
电滞回线;疲劳特性;漏电流

VI
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ABSTRACT

With the development of modern science and technology, the
ever-increasing demands for nonvolatile memories such as ferroelectric
field effect transistor (FeFET) memory, have led to the intensive search for
a new kind of material. At present the materials used to prepare
ferroelectric thin fi