強介電材料Si—MOS電容特性和光電性質研究.pdf

1、強介電材料一般為鐵電體，其體材料具有非常大的介電常數(幾百到幾千)，其多晶薄膜的介電常數也能達到100以上，居里溫度和介電性能可通過元素組分比來調制。隨著微電子集成技術的進步，特別是鐵電薄膜制備技術的一系列突破，人們已經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，這很大的促進了鐵電薄膜的制備與器件應用研究的發(fā)展，使之在微電子學、光電子學、集成光學和微機械系統等領域有著廣泛的應用前景。 當前

2、提高集成電路性能和性能/價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，保證器件有良好的器件特性，需要同時減小柵氧化層的厚度，而因柵氧厚度的減小引起的柵介質的漏電流和可靠性將成為十分嚴重的問題。為此，人們提出了采用具有高介電常數的柵介質(通常稱為高K柵介質)的解決途徑。 目前正在研究的高介電常數柵介質的很大一部分是強介電材料，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、電常數較高，應用前景很好。本文選擇了傳統的強介電材料鋯鈦酸鉛(PZT)為研究對象，采用溶膠-凝膠的工藝制備薄膜，并且研究了它的Si—MOS電容的電學性質。 強介電材料中有很大一類為Bi系層狀鈣鈦礦結構材料，又稱為Aurivillius結構材料，這類鐵電材料是鉍層與類鈣鈦礦層交替形成的復合氧化物，具有鐵電性的鈣鈦礦結構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構。因具有無疲勞特性、長的極化

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

5、系列薄膜的電學和光學性質的研究具有重要的意義。在本文中，我們進行了SBTN薄膜的疲勞特性以及光學性質的研究。 論文第一章首先引入了介電材料的概念，然后介紹了強介電材料的概念、分類和性質，以及強介電材料Si—MOS研究背景及其現狀和強介電材料光電性質研究背景及其現狀，在此基礎之上，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介電材料的工藝，我們詳細討論了溶膠-凝膠(Sol-gel)法的反應機

6、理，以及溶膠一凝膠工藝中幾個關鍵參數對所制備薄膜質量的影響，包括原料的選擇、計量比、溶液的濃度與粘度、添加劑、PH值和緩沖層的影響。本章詳細討論了脈沖激光沉積(PLD)的沉積過程，重點討論了沉積過程中的幾個關鍵參數對所制備薄膜質量的影響，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，討論了退火時間、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電容結構，測量了電容結構的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Al/PZT/Si結構電學特性的影響并分析了其中的機理。 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。SBTN的疲勞實驗分為電學疲勞實驗和光學疲勞實驗，我們分析了SBTN薄膜