Pt-Si襯底上PHT鐵電薄膜的制備與研究.pdf

1、鐵電薄膜因具有優(yōu)秀的鐵電、介電、光電、非線性光學(xué)特性被普遍應(yīng)用于各類微電子集成器件中。但是，傳統(tǒng)的鈣鈦礦型鐵電薄膜如Pb(ZrxTi1-x)O3（PZT）在硅基上進(jìn)行集成時存在尺寸效應(yīng)、與硅基兼容性差、鐵電抗疲勞特性差的問題。為了滿足日益復(fù)雜的工作環(huán)境，人們對鐵電薄膜的兼容性、穩(wěn)定性、使用壽命提出了更高的要求。與傳統(tǒng)的鈣鈦礦型鐵電材料PZT相比，Pb(HfxTi1-x)O3（PHT）具有相似的鐵電與介電性能，但更好的鐵電抗疲勞特性，可用

2、于制備性能更加優(yōu)秀的鐵電存儲器（FeRAM）。
　　本論文以PHT鐵電材料為實驗對象，采用脈沖激光沉積技術(shù)（PLD）在Pt/Ti/SiO2/Si上進(jìn)行薄膜的沉積，對準(zhǔn)同型相界（MPB）附近的Pb(Hf0.48Ti0.52)O3薄膜進(jìn)行重點研究。不僅如此，改變薄膜中Hf的含量，對Hf摻雜量對薄膜的結(jié)構(gòu)與性能帶來的影響進(jìn)行分析探討。本論文的主要研究工作與結(jié)論如下：
　　1、在Pt/Si基片上進(jìn)行Pb(Hf0.48Ti0.52)O

3、3鐵電薄膜的制備，并探索其最佳生長工藝。實驗結(jié)果表明，生長氣氛與生長溫度對PHT薄膜的結(jié)構(gòu)與性能有著重要影響。當(dāng)氧分壓為20Pa，生長溫度為500℃時，薄膜結(jié)晶質(zhì)量最好。此時薄膜的剩余極化強度為80.97μC/cm2，相對介電常數(shù)為542，漏電流密度（≈2×10-9A/cm2）小于在其他氧分壓和溫度下生長的薄膜。
　　2、為了緩解襯底與薄膜間的晶格失配與熱失配，通過插入低溫自緩沖層進(jìn)行Pb(Hf0.48Ti0.52)O3薄膜的制備

4、，并探索不同溫度下生長的自緩沖層對薄膜的結(jié)構(gòu)與性能所帶來的影響。實驗結(jié)果表明，當(dāng)插入生長溫度為300℃的自緩沖層時，薄膜的主要衍射峰為（111）峰，與Pt/Si襯底的取向一致。不僅如此，XRD掃描圖譜出現(xiàn)了四方相的雙峰與菱形相的單峰，薄膜處于兩相共存狀態(tài)。與無緩沖層的薄膜對比，在300℃自緩沖層上生長的Pb(Hf0.48Ti0.52)O3薄膜的電學(xué)性能得到明顯提高：其剩余極化強度提高至93.23μC/cm2，相對介電常數(shù)上升至712，漏

5、電流密度有所減?。ā?×10-9A/cm2），鐵電抗疲勞性能得到明顯改善。
　　3、基于低溫自緩沖層技術(shù)，研究并分析了Hf摻雜量的改變對PHT薄膜結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)構(gòu)上，Pb(Hf0.48Ti0.52)O3處于兩相共存的狀態(tài)，當(dāng)Hf含量增加到x=0.52時，PHT由兩相共存轉(zhuǎn)變?yōu)榱庑蜗?；?dāng) Hf摻雜量繼續(xù)增加至x=0.7時，薄膜仍保持菱形相不變，表明Hf摻雜量的增加會促使薄膜結(jié)構(gòu)向菱形相改變，這與PZT相似。電學(xué)性能上，PHT處