文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
钛酸锶钡、钛酸锶铌及多层铁电存储器研究
姓名:鲍军波
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:李兴教
20050905
摘要
本文包括钛酸锶钡、钛酸锶铌及铁电存储器的研究。分别评述了钛酸锶钡介电材料、钛
酸锶铌陶瓷材料及铁电存储器的研究现状;并成功地设计了钛酸锶钡薄膜介电材料、钛酸锶
铌陶瓷变阻器的制备工艺,以及多层铁电薄膜存储器;通过对材料的晶相结构测试分析以及
电特性的研究,探讨了钛酸锶钡薄膜介电材料的高频及 DRAM 介质应用、钛酸锶铌陶瓷材料
作为多功能器件的应用及铁电存储器的物理问题。主要内容如下:
1)通过选择合适配比钛源溶剂及金属离子溶剂,建立了简单有机溶剂体系的“水基”溶
胶凝胶法,提高了多成份溶胶对水的兼容性,适合于 BST 薄膜制备过程中进行多种离子掺杂,
制备了掺杂 Mn 的 BST 铁电薄膜,薄膜结晶良好,表面致密。研究发现 Mn 掺杂对 BST 薄膜
的漏电流和介电特性有较大的改善,漏电流密度达到 ,介电常数达到 800 以上,而
介电损耗仅为 ~,对于 300nm 的薄膜材料,这是已有文献中最好的数据。
2)采用多种氧化物掺杂,制备了钛酸锶铌基变阻器陶瓷,其介电性能测试与公开文献相
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比,性能均优异,特别是 V1mA 最低(2V/mm),α很大(8~13),εeff 大一个数量级以上(10 ),
tg δ小一个数量级(1%),综合指标处于国际领先。
4 )新型铁电存储器研究。本文分析了 Au/BIT/p-Si(100) , Au/PZT/BIT/p-Si(100) 和
Au/BIT/PZT/BIT/p-Si(100) 三种结构铁电薄膜的存储器物理,系统地研究了多层铁电薄膜存
储器电性能的本质问题,得出了以下的物理效应和规律:
(1)漏电流效应。三种铁电薄膜结构的漏电流都很小,达到了 10-10A/cm2,满足铁电存
储器的要求。
(2)内建电场。计算了内建电压,对靠近界面的能带弯曲产生影响,可导致能带的不对
称性,并引起不对称的整流效应、刻印失败和退极化;
(3)电容效应。为了使 C-t 曲线的斜率不下降,退极化场 Edep 必须小于矫顽场,即∆Vb
必须低于 Vc。
以上三点证明了三层结构 Au/BIT/PZT/BIT/p-Si(100)的不对称性、失效与退极化,电容降
斜率都是最小的,而剩余电荷最多,并有最大的存储窗口,是新型存储器的最佳而且唯一的
选择。
(4)频率效应。在高频时,随着频率的增加,在铁电层表面邻近的耗尽层宽度增大,使
得界面电位降和内建电压差增大,形成了多层结构铁电薄膜的工作频率的上限,根据拟合公
式外推的上限工作频率为 46MHz。
(5)VT 与 VC 关系式。根据 MFS 多层电容器的特性,设计并制造了一个新型 MFS 结构
的多层铁电存储器 Au/BIT/PZT/BIT/p-Si(100),该存储器具有 I-V 回线特征,并得到了晶粒边
界势垒高度与矫顽场的关系,进而得到了转变电压与矫顽场的关系。
这个关系诱导着 I-V 回线与 P-V 回线对应的关系,并用来区别以 I-V 回线操作的新的铁电
存储器的逻辑“1”和“0”状态。这些关系是非挥发存储器进行非破坏读出的条件。转变电
压 VT 和矫顽电压 Vc 之间存在线性关系;只要 P-V 回线的 Vc 确定,对应的 VT 一定存在。VT
是 Ec,和 Ps 的函数,这是铁电存储器的理论基础。这些关系是 I-V 回线与 P-V 回线的匹配条
件,可以实现“1”和“0”的读出。
(6)演示出存储器的存储波形。
以上这些效应是互相关联的,并由此可能解释更多的铁电材料与铁电器件的特殊现象。
关键词:掺锰钛酸锶钡薄膜钛酸锶铌变阻器多层铁电存储器(FeRAM)
内建电压存储窗口保持特性疲劳退极化
Abstract
This dissertation includes three parts of the studies: BSTO, Nb-STO and FeRAM. Reviews of
the preperation and characterization of BSTO thin films, Nb-STO ceramic varistor, and multilayer
ferroelectric thin films are given. The applications of BSTO on DRAMs and MMICs, Nb-STO on
multi-fun