鋯鈦酸鉛PZT薄膜制備及氫氣退火研究.pdf

1、鐵電存儲器是一種以鐵電薄膜作為存儲材料的存儲器件。鐵電薄膜可以被外加電場極化，即使外加電場被除去，極化依然得以保持。在所有的鐵電材料中，鋯鈦酸鉛(PZT)薄膜材料被作為未來存儲器件的功能材料而被廣泛研究，這是因為它有很快的讀寫速度，相對較大的剩余極化強(qiáng)度，簡單可靠的制備方法，而且當(dāng)使用氧化物電極時，有很好的抗疲勞屬性。
　　在本論文中，利用溶膠凝膠法(sol-gel)制備了不同厚度的鋯鈦酸鉛Pb(Zr0.3Ti0.7)O3鐵電薄膜

2、。從實驗所得的電滯回線和電容電壓曲線可以看出，經(jīng)650℃快速熱退火后，PZT鐵電薄膜呈現(xiàn)良好的鐵電性。利用原子力顯微鏡(AFM)和壓電力顯微鏡(PFM)觀測了PZT薄膜的表面形貌，電疇反轉(zhuǎn)和壓電性質(zhì)。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，在數(shù)微米的尺度范圍內(nèi)，AFM可以清楚的觀測到薄膜表面的顆粒大小，粗糙度和表面起伏，薄膜表面致密平整。通過在PFM探針上加上大于薄膜矯頑場的直流電壓，可以在微觀區(qū)域?qū)﹁F電薄膜偶極子進(jìn)行極化反轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生出用壓電力顯微鏡針尖精確控制

3、的人工電疇。在鐵電薄膜的PFM壓電曲線中，通過計算求出了鐵電薄膜的壓電系數(shù)隨所加電壓的變化曲線，有效壓電系數(shù)d33的最大值約為40pm/V。
　　雖然PZT薄膜材料是鐵電存儲器中被使用最多的功能材料，但是仍然存在著一些問題制約著基于PZT薄膜的鐵電存儲器的發(fā)展，比如和傳統(tǒng)的集成電路制造工藝的兼容性問題。這其中一個重要的問題就是PZT薄膜在氫氣等forming gas中退火時鐵電性會遭到破壞，而氫氣退火是集成電路制造工藝中必不可少的

4、工藝步驟，在后段工藝中用來實現(xiàn)器件鈍化和去除芯片表面的缺陷。由于對這種PZT薄膜失效機(jī)理缺乏足夠的了解，嚴(yán)重的影響了PZT材料在非揮發(fā)性鐵電存儲器(NVFRAM)中的應(yīng)用。為了研究其中的機(jī)理，很多的研究者對這個問題就不同的方向進(jìn)行了大量的研究，比如說電滯回線的研究，電極催化作用的研究，氫氣退火后PZT薄膜的鐵電性恢復(fù)方法等。
　　為了解決這個問題，我們研究了利用經(jīng)過氫氣退火的PZT薄膜和未經(jīng)過氫氣退火的PZT薄膜制備的Pt/PZT

5、/Pt電容結(jié)構(gòu)器件。我們發(fā)現(xiàn)PZT薄膜在氫氣退火之后失去了標(biāo)準(zhǔn)的電滯回線。此外，對于不同的退火溫度，不同的電滯回線形狀和漏電流的大小表明對于不同的退火溫度存在著不一樣的主要失效機(jī)制。盡管對失去電滯回線的氫氣退火以后的PZT薄膜在氧氣環(huán)境中進(jìn)行后退火可以使PZT薄膜恢復(fù)原來的電滯回線形狀，但是恢復(fù)之后的剩余極化強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于初始值。這意味著在退火過程中，部分的失效是不可逆的。為了研究失效機(jī)制和其在不同溫度范圍里的重要性，本文分別測定和分析了

6、退火前和退火后薄膜的XRD物相，AFM形貌圖性，漏電流，剩余極化，疲勞特性等性質(zhì)。導(dǎo)電的壓電力顯微鏡(PFM)針尖被用作浮動的上電極來表征薄膜微觀區(qū)域的壓電和鐵電特性。
　　在以前的研究中，大部分學(xué)者將注意力放在氫氣退火的低溫區(qū)間，而本文在一個更大的溫度區(qū)間內(nèi)對這一現(xiàn)象做了深入的研究，至少提出了三種機(jī)制去解釋PZT薄膜在氫氣中退火的失效。本文不光有效的研究了其失效機(jī)制，還對在氧氣中后退火的恢復(fù)機(jī)理做出了合理的解釋。對于低溫退火氫原