強(qiáng)介電材料Si—MOS電容特性和光電性質(zhì)研究.pdf

1、強(qiáng)介電材料一般為鐵電體，其體材料具有非常大的介電常數(shù)(幾百到幾千)，其多晶薄膜的介電常數(shù)也能達(dá)到100以上，居里溫度和介電性能可通過元素組分比來調(diào)制。隨著微電子集成技術(shù)的進(jìn)步，特別是鐵電薄膜制備技術(shù)的一系列突破，人們已經(jīng)成功的制備出性能優(yōu)良的鐵電薄膜，工作電壓可以在3—5V，可與Si或GaAs電路集成，這很大的促進(jìn)了鐵電薄膜的制備與器件應(yīng)用研究的發(fā)展，使之在微電子學(xué)、光電子學(xué)、集成光學(xué)和微機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 當(dāng)前

2、提高集成電路性能和性能/價(jià)格比的主要途徑仍是繼續(xù)縮小器件的特征尺寸。隨著器件尺寸的縮小，為了抑制短溝道效應(yīng)，保證器件有良好的器件特性，需要同時(shí)減小柵氧化層的厚度，而因柵氧厚度的減小引起的柵介質(zhì)的漏電流和可靠性將成為十分嚴(yán)重的問題。為此，人們提出了采用具有高介電常數(shù)的柵介質(zhì)(通常稱為高K柵介質(zhì))的解決途徑。 目前正在研究的高介電常數(shù)柵介質(zhì)的很大一部分是強(qiáng)介電材料，如鈣鈦礦相氧化物。與Ⅲ族金屬氧化物和Ⅵ族金屬氧化物相比，此類材料的介

3、電常數(shù)較高，應(yīng)用前景很好。本文選擇了傳統(tǒng)的強(qiáng)介電材料鋯鈦酸鉛(PZT)為研究對(duì)象，采用溶膠-凝膠的工藝制備薄膜，并且研究了它的Si—MOS電容的電學(xué)性質(zhì)。 強(qiáng)介電材料中有很大一類為Bi系層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料，又稱為Aurivillius結(jié)構(gòu)材料，這類鐵電材料是鉍層與類鈣鈦礦層交替形成的復(fù)合氧化物，具有鐵電性的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)子晶格即氧八面體被非鐵電性的Bi<,2>O<,2>層分隔開來，形成一種天然的超晶格結(jié)構(gòu)。因具有無疲勞特性、長(zhǎng)的極化

4、壽命和在亞微米(小于100 nm)厚度下，仍具有體材料的優(yōu)良電學(xué)性質(zhì)等，Bi系層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電薄膜已成為鐵電物理學(xué)中最熱門的研究材料之一，并成為鐵電存儲(chǔ)器首選材料。 Bi系層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中研究最多的是SBT系列薄膜材料。目前，人們已對(duì)SBT系列薄膜的電學(xué)性質(zhì)作了較多的研究，但迄今為止，對(duì)SBT系列薄膜光學(xué)性質(zhì)的報(bào)道還很少。SBT系列薄膜在電光器件如光開關(guān)、光調(diào)節(jié)器、光顯示器件和紅外探測(cè)器等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，對(duì)SBT

5、系列薄膜的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的研究具有重要的意義。在本文中，我們進(jìn)行了SBTN薄膜的疲勞特性以及光學(xué)性質(zhì)的研究。 論文第一章首先引入了介電材料的概念，然后介紹了強(qiáng)介電材料的概念、分類和性質(zhì)，以及強(qiáng)介電材料Si—MOS研究背景及其現(xiàn)狀和強(qiáng)介電材料光電性質(zhì)研究背景及其現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)之上，我們分析了本文的研究意義以及本文要做的工作。 論文第二章概述了目前幾種制備強(qiáng)介電材料的工藝，我們?cè)敿?xì)討論了溶膠-凝膠(Sol-gel)法的反應(yīng)機(jī)

6、理，以及溶膠一凝膠工藝中幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)所制備薄膜質(zhì)量的影響，包括原料的選擇、計(jì)量比、溶液的濃度與粘度、添加劑、PH值和緩沖層的影響。本章詳細(xì)討論了脈沖激光沉積(PLD)的沉積過程，重點(diǎn)討論了沉積過程中的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)所制備薄膜質(zhì)量的影響，包括靶材的致密度、激光能量、激光頻率、沉積氣氛與氧壓、靶一基距離和襯底溫度的影響。我們還討論了后續(xù)退火工藝的選擇和快速熱退火(RTP)的優(yōu)點(diǎn)，討論了退火時(shí)間、退火溫度和退火環(huán)境的影響。論文第三章研究了鋯

7、鈦酸鉛(PZT)薄膜Si-MOS電容特性，我們采用Sol-gel方法制備了PZT薄膜，并制作出Al/PZT/Si電容結(jié)構(gòu)，測(cè)量了電容結(jié)構(gòu)的C-V特性和漏電流特性。我們考察了有氧退火和引入PT緩沖層的方法對(duì)Al/PZT/Si結(jié)構(gòu)電學(xué)特性的影響并分析了其中的機(jī)理。 論文第四章研究了SrBi<,2>Ta<,2-x>Nb<,x>O<,9>(SBTN)薄膜的光電性質(zhì)。SBTN的疲勞實(shí)驗(yàn)分為電學(xué)疲勞實(shí)驗(yàn)和光學(xué)疲勞實(shí)驗(yàn)，我們分析了SBTN薄膜