铁电存储器关键工艺与器件建模研究

摘要

近几年来，将铁电薄膜和硅基半导体工艺相结合的新型半导体器件越来越受到世界各国研究者的广泛青睐。其中，铁电存储器由于其兼有低功耗、读写速度快、抗辐射等多方面优点，被认为最有前途的新一代非挥发存储器之一。本文围绕铁电存储器研制过程中相关的若干关键问题，开展了以下四个方面的研究工作。
　　 ⑴从铁电性、介电性及漏电流方面考虑，确定了处于准同形相界成分点的Pb(Zr,Ti)O3(PZT)薄膜是制备铁电存储器较为理想的材料。通过正交实验摸索了陶瓷靶材的最佳烧结工艺。研究了溅射气压对PZT 薄膜成分波动的影响，讨论了溅射气压、气氛、衬底温度对BaPbO3(BPO)薄膜电阻率的影响。使用射频磁控溅射法以500oC的较低温度在BPO 电极上原位沉积了用于铁电存储器的PZT 薄膜。和传统的Pt 电极相比，BPO 电极的使用能有效的改善生长其上PZT 薄膜的铁电疲劳特性并降低矫顽场。
　　 ⑵采用2θ-sin2ψ和Williamson-Hall 法分别研究了生长在不同厚度BPO 电极上准同形相PZT 薄膜的残余应力和微观应力。结果表明当BPO 层厚度为34nm，68nm，135nm和270nm 时，PZT 薄膜呈现张应力。通过一个简单的计算可以得知，这种张应力主要来自相变应力，它和PZT 薄膜的晶粒尺寸成正比，并且可以通过改变BPO 层的厚度来加以调整。结合结构精修的分析方法，我们发现，张应力的存在有助于准同形相PZT 薄膜中四方相向单斜相的转变。在准同性相附近，单斜相比四方相具有更大的极化效率，从而能获得更高的剩余极化和更小的矫顽场。
　　 ⑶从铁电薄膜微观机理入手，采用几何图示方法解释了铁电畴在外电场中极化反转规律，并推导出实验提取铁电偶极子矫顽场分布函数ρ(Ec+,Ec-)的方法。在此基础上，引入了极化反转函数来表征铁电电容宏观极化强度随外电场变化的数学表达式，建立起用于铁电存储器电路仿真的铁电电容器件模型和将该模型嵌入IC 仿真平台的方法。该模型不仅可以用于铁电存储器电路优化，还能作为一种分析工具来研究铁电薄膜中的各种电致退化。
　　 ⑷研究了用于铁电存储器的氢隔离层工艺，分析了不同刻蚀方案下Al2O3 隔离层的刻蚀速度。结果表明，使用CHCl3 作为刻蚀气体，刻蚀气压1Pa，功率60W 时，具有最高的刻蚀速率，约8nm/min。对比实验表明，具有Al2O3 氢隔离层的铁电薄膜能够有效的抵御还原性气氛退火对铁电薄膜的侵蚀。此外，我们也研究了和Al2O3 氢隔离层有关的应力匹配问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 PZT 与BPO 薄膜低温制备工艺研究

3 BPO 电极对PZT 薄膜微观结构及电学特性影响

4 基于极化反转函数的铁电电容器件模型

5 铁电电容模型应用实例

6 铁电存储器氢隔离工艺研究

7 全文总结

致 谢

参考文献

附录