PZT铁电薄膜的离子束刻蚀工艺与性能损伤研究

摘要

由于铁电薄膜材料优异的电学性能、稳定的温度特性和丰富的材料体系，近年来，基于硅工艺的铁电器件在微电子机械系统、新能源光伏，尤其是非挥发性存储器等领域具有广泛应用。通过图形化工艺制作一定规则图形的铁电薄膜是其集成应用的基础。随着微电子工艺的不断发展，制作更小尺寸的铁电薄膜有利于提高铁电存储密度、降低生产成本。但图形化工艺过程导致的铁电性能损伤越来越严重，已成为制约铁电器件发展的重要原因之一。锆钛酸铅(PZT)是最有代表性的铁电材料，具有剩余极化值大、矫顽场值小、结晶温度低等优点，成为铁电薄膜材料的研究热点。本论文采用离子束刻蚀法(IBE)对溶胶-凝胶法制备的 PZT铁电薄膜微图形化工艺进行了研究，研究了刻蚀工艺参数对图形质量、铁电性能的影响和刻蚀损伤的工艺方法改善。其主要研究内容如下：
　　(1)采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel法)制备 Pb1.1(Zr0.52,Ti0.48)O3薄膜。研究了退火温度对PZT薄膜铁电性能的影响。在最佳退火温度650℃下制备出剩余极化值约25μC/cm2、矫顽场值约100 kV/cm的PZT铁电薄膜。
　　(2)优化了 PZT铁电薄膜刻蚀保护层(ILR-1050型光刻胶)的制备工艺参数，研究了曝光能量、前烘温度、显影时间、后烘温度等对刻蚀保护层表面质量和侧壁的影响。通过优化工艺，获得了最佳的光刻工艺参数，如甩胶转速4500 rpm，前烘温度90℃，曝光时间12 s，显影时间60 s，后烘温度120℃。得到了表面平整、边线平直、显影干净、图形完整的光刻胶图形。
　　(3)研究了离子束入射角、屏极电压、氩气流量等刻蚀参数对 PZT铁电薄膜刻蚀速率和表面粗糙度的影响。实验发现，当氩气流量为7 sccm、屏级电压值为600 V、氩离子束的入射角度约为45o时，是最优的工艺参数。此时，刻蚀速率达到最大值25 nm/min，表面粗糙度值Rq(均方根)和Ra(算术平均值)分别为0.976 nm和0.776 nm且它们的降幅分别达到65.2％和65.9%。
　　(4)从刻蚀 PZT铁电薄膜的厚度比值和图形尺寸两个方面，研究了它们的刻蚀性能损伤问题。发现当刻蚀等比例厚度时，由于缺陷的畴钉扎作用，矫顽场随初始薄膜厚度的增大而减小。随着 PZT铁电电容尺寸的增大，由于基板对铁电薄膜的夹持作用，形成了更大的界面势阱，导致矫顽场增加。研究表明采用非晶刻蚀工艺后，PZT薄膜的铁电性能几乎能恢复到刻蚀前，如矫顽场值、漏电流、疲劳性能等。采用两步刻蚀法刻蚀非晶 PZT薄膜时，它的铁电性能会得到更好的改善。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 铁电存储器的发展现状

1.3 铁电薄膜材料

1.4 铁电薄膜刻蚀的研究现状

1.5 PZT薄膜的刻蚀损伤

1.6 本论文的选题依据和研究内容

第2章 PZT薄膜制备与测试表征方法

2.1 PZT铁电薄膜的制备

2.2 实验仪器及分析测试方法

第3章 PZT薄膜的光刻及刻蚀工艺

3.1 光刻工艺参数的优化

3.2 刻蚀工艺参数的优化

3.3 本章小结

第4章 PZT铁电薄膜的刻蚀损伤及优化

4.1 刻蚀等比例PZT薄膜与性能损伤的研究

4.2 尺寸效应与刻蚀性能损伤的研究

4.3 退火工艺对刻蚀性能损伤的影响

4.4 两步刻蚀法对薄膜电学性能的影响

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果