用于铁电存储器的BiTiO薄膜材料的制备及性能研究

摘要

近年来，钛酸铋（Bi4Ti3O12，BIT）铁电薄膜材料及薄膜器件成为国内外科学工作者研究的热点。Bi4Ti3O12薄膜材料与Si单晶的晶格失配度小，易与硅半导体集成电路兼容，对于铁电存储器有着广阔的应用前景。因此对于铁电薄膜的制备、结构及性能的研究具有重要的意义。本文对Si衬底和Pt/Ti/SiO2/Si衬底Bi4Ti3O12薄膜的Sol－Gel法制备工艺及铁电性能进行了实验研究。在总结和分析Bi4Ti3O12铁电薄膜研究现状的基础上，通过实验探索Bi4Ti3O12薄膜的工艺参数和工艺流程的优化，分别在Si衬底和Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了Bi4Ti3O12薄膜；通过XRD微观分析手段对钛酸铋薄膜的晶格结构进行了分析，直接淀积在Si衬底上的Bi4Ti3O12薄膜在600－800℃退火温度下均未出现焦绿石等杂相，而且随退火温度升高其沿c轴取向生长的比重增加。而淀积在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上时，退火温度超过800℃后，薄膜中会出现焦绿石相，其生长取向随退火温度无明显变化；通过SEM微观分析手段对钛酸铋薄膜的表面形貌进行了分析，650℃对应的薄膜表面形貌最好，观察到很少的针孔。晶粒尺寸大约在数十个纳米左右。晶粒均匀而且致密，呈不规则球柱状，晶粒清晰可辨，说明制备的Bi4Ti3O12薄膜结晶情况良好。用慢正电子束测量了不同退火温度处理的Si衬底Bi4Ti3O12薄膜的S参数与入射正电子能量E的关系，研究退火温度对Bi4Ti3O12薄膜及表面、界面缺陷的影响。在测试的基础上讨论了Pt/Ti/SiO2/Si衬底Bi4Ti3O12铁电薄膜的J-V特性。讨论了金属－铁电薄膜形成的整流接触对正反向电流不对称的影响，以及不同电压范围的导电机制。在研究了不同退火温度处理下钛酸铋薄膜的电滞回线的基础上，探讨了工艺条件及衬底选取对薄膜铁电性能的影响。铁电性随退火温度的变化是尺寸效应和Bi4Ti3O12中载流子两种因素共同作用的结果。在650℃退火温度处理的Si衬底Bi4Ti3O12薄膜剩余极化为11.25μC/cm2，矫顽场为47.2kV/cm。与薄膜接触处的Si衬底空间电荷层的形成造成Si衬底上生长的Bi4Ti3O12薄膜电滞回线不对称，剩余极化降低，矫顽电场增大。