PZT薄膜晶化動力學過程研究.pdf

1、鋯鈦酸鉛(PZT)作為一種典型的鈣鈦礦結構鐵電材料，具有突出的介電、壓電和鐵電性質。由于其在微傳感器、微執(zhí)行器等微電子機械系統(tǒng)(MEMS)和非易失性存儲器(NVFRAM)中的廣闊應用前景，硅基PZT薄膜已經成為國內外微電子學和材料科學的研究熱點。本論文基于薄膜成核生長的基本原理，圍繞退火晶化工藝對PZT薄膜結晶品質、微結構以及電性能的影響進行了深入系統(tǒng)的分析。
　　首先，采用磁控射頻濺射在 Pt/Ti/SiO2/Si上制備了優(yōu)質的

2、非晶Pb(Zr0.48Ti0.52)O3薄膜，采用常規(guī)晶化（CFA）和快速晶化（RTA）兩種晶化工藝，研究了退火溫度、保溫時間及升降溫速率對薄膜結晶生長的影響。研究發(fā)現當升溫速率低于10℃/s為(100)面擇優(yōu)生長；升溫速率在10℃/s-20℃/s之間為（110）面擇優(yōu)生長；升溫速率在20℃/s以上則出現(111)面擇優(yōu)生長，且升溫速率越快(111)面擇優(yōu)生長越強烈。
　　針對晶化初期結晶行為表征困難的問題，首次提出用壓電響應力顯

3、微鏡（PFM）觀察電疇來描述結晶過程。經過大量實驗，確定了PZT薄膜結晶臨界溫度為550 o C，晶核形成并開始成長的起始保溫時間在20秒到40秒之間。一旦形核,晶粒將沿界面迅速生長并自發(fā)極化形成圓形的鐵電疇。通過對電疇的面積積分得到經550 o C60秒退火的樣品結晶率為4.6±0.2％。
　　通過PFM對PZT薄膜電疇結構的觀察發(fā)現薄膜電疇結構與薄膜的結構取向關系密切。在(100)取向的PZT薄膜中首次觀察到極化方向相反的電疇

4、交界處出現了魚骨狀交錯的復雜疇結構，這種魚骨結構的電疇被認為是由于薄膜受較強的退極化場影響而形成的。而在（110）取向的PZT薄膜中觀察到大量明暗交錯的90O電疇。由于90O電疇中疇壁處的“釘扎”效應會導致強烈的鐵電疲勞性，（110）取向的PZT薄膜不易用于鐵電器件的制備。
　　通過對Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si結構鐵電容電性能的測試發(fā)現經過650℃快速處理的（111）PZT薄膜的剩余極化（2Pr）為40μ c/cm2