文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
用于铁电存储器的Bi<,>La<,>Ti<,3>O<,12>薄膜生长
与性能研究
姓名:李建军
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:于军
20090629
华中科技大学博士学位论文
摘要
铁电存储器是一种具有快速读写操作、低功耗、抗辐射等优异特性的非易失性
存储器,有广阔的应用前景。掺 La 钛酸铋(BLT, )铁电薄膜是用于
铁电存储器最具潜力的材料之一。本论文研究了提高 BLT 系列铁电薄膜性能的优化
工艺及薄膜生长的模拟。
采用溶胶-凝胶法在 Pt/TiO2/SiO2/p-Si(100)衬底上制备了 BLT 铁电薄膜。研究了
退火工艺对薄膜性能的影响。退火温度对薄膜的微观结构和铁电性能有强烈的影响。
同时,温度和气氛对薄膜铁电性能的影响存在着竞争关系,综合考虑,750℃下氧气
含量为 20%的氮氧混合气氛退火的薄膜具有最佳的铁电性能。退火氧气压对薄膜的
晶化度、微观形貌、铁电性能都有影响,10-1 atm 氧气压下退火的薄膜具有 a 轴择优
取向和良好的铁电性能。
5+
对 BLT 薄膜进行 B 位 V 掺杂改性研究。分别制备了 Bi4Ti3O12(BIT)、BLT、
(BTV)和 (BLTV)薄膜。BLTV 薄膜表现
出随机取向,并由倾斜于薄膜表面的柱状晶粒构成。同时,拉曼光谱表明,A 位的
La 掺杂对 B 位的 Ti 有一定的影响,V 的掺杂对 TiO6(或 VO6)八面体的对称性有
所降低,并增强了 Ti-O 键(或 V-O 键)的杂化。此外,V 掺杂能起到电荷中和的作
用,从而抑制和减少氧空位的产生。对比 BLT 薄膜,BLTV 薄膜在 V 掺杂的作用下
提高了铁电性能、抗疲劳特性并改善了漏电流特性。
为确定最佳 V 掺杂量,制备了不同 V 掺杂量的 -x/-xVxO12(x: 0~8%)
薄膜。随着 V 掺杂量的增加,薄膜的剩余极化和抗疲劳特性都表现出先提高后降低
的变化规律,当 V 掺杂量为 3%时,BLTVx 薄膜获得最大的剩余极化值( µc/cm2)
和最好的抗疲劳性能(经 1010 极化翻转后,剩余极化保持为初始值的 90%)。当 V
掺杂量达到 5%时,这种性能的提高达到饱和。而当 V 掺杂量达到 8%时,BLTVx 薄
膜将出现较大的晶格畸变,且过量的 V 将产生电荷缺陷,因此过量的 V 掺杂又将降
低薄膜的铁电性能。
I
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在研究 V 掺杂提高 BLT 薄膜性能的基础上,为了降低晶化温度,采用紫外光辅
助溶胶-凝胶法制备 BLTV 铁电薄膜。紫外光辐照促进了凝胶薄膜中相关 C、H、O
有机成分的分解,有利于薄膜在后期退火处理过程中的晶化。经紫外光辐照的 BLTV
2
薄膜样品在 650℃退火处理后表现出良好的铁电性能(2Pr 为 µc/cm ,2Ec 为
kV/cm)。
以形核理论为基础,研究了随着晶化温度的升高,晶粒尺寸增加,同时形核势
垒增加,形核主要由界面形核决定,并从实验中观测到 800℃晶化得到的 BLT 薄膜
表现出与界面形核相对应的 c 轴取向的柱状晶粒。结合扩散限制簇团聚模型和反应
限制聚集模型模拟了随着粒子数量增加对薄膜生长过程的影响。粒子数量较少时,
粒子聚集具有一定取向;随着粒子数量的增加,粒子聚集分布逐渐均匀。同时,通
过设计相关实验得到了模型的验证,粒子数量较少的薄膜的晶粒分布有一定的取向,
且晶粒尺寸较大,反映了粒子的集中聚集、长大;随着粒子数量的增加,晶粒尺寸
逐渐减少并逐渐分布均匀。
关键词: 铁电存储器集成铁电薄膜 薄膜铁电性能
溶胶-凝胶紫外光辐照薄膜生长
II
华中科技大学博士学位论文
Abstract
Ferroelectric nonvolatile memories have attracted much attention since last decades
due to their potential advantages of high speed, low power consumption, nonvolatility and
anti-radialization. (BLT) thin film is one of t