鋯鈦酸鉛PZT薄膜制備及氫氣退火研究.pdf

1、鐵電存儲(chǔ)器是一種以鐵電薄膜作為存儲(chǔ)材料的存儲(chǔ)器件。鐵電薄膜可以被外加電場(chǎng)極化，即使外加電場(chǎng)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(lái)存儲(chǔ)器件的功能材料而被廣泛研究，這是因?yàn)樗泻芸斓淖x寫速度，相對(duì)較大的剩余極化強(qiáng)度，簡(jiǎn)單可靠的制備方法，而且當(dāng)使用氧化物電極時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(cè)了PZT薄膜的表面形貌，電疇反轉(zhuǎn)和壓電性質(zhì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在數(shù)微米的尺度范圍內(nèi)，AFM可以清楚的觀測(cè)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(guò)在PFM探針上加上大于薄膜矯頑場(chǎng)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(guò)計(jì)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(chǔ)器中被使用最多的功能材料，但是仍然存在著一些問(wèn)題制約著基于PZT薄膜的鐵電存儲(chǔ)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(wèn)題。這其中一個(gè)重要的問(wèn)題就是PZT薄膜在氫氣等f(wàn)orming gas中退火時(shí)鐵電性會(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)器件鈍化和去除芯片表面的缺陷。由于對(duì)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(chǔ)器(NVFRAM)中的應(yīng)用。為了研究其中的機(jī)理，很多的研究者對(duì)這個(gè)問(wèn)題就不同的方向進(jìn)行了大量的研究，比如說(shuō)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(gè)問(wèn)題，我們研究了利用經(jīng)過(guò)氫氣退火的PZT薄膜和未經(jīng)過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(guò)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(cè)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(dòng)的上電極來(lái)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(gè)更大的溫度區(qū)間內(nèi)對(duì)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(duì)在氧氣中后退火的恢復(fù)機(jī)理做出了合理的解釋。對(duì)于低溫退火氫原