Pt/Si衬底上PHT铁电薄膜的制备与研究

摘要

铁电薄膜因具有优秀的铁电、介电、光电、非线性光学特性被普遍应用于各类微电子集成器件中。但是，传统的钙钛矿型铁电薄膜如Pb(ZrxTi1-x)O3（PZT）在硅基上进行集成时存在尺寸效应、与硅基兼容性差、铁电抗疲劳特性差的问题。为了满足日益复杂的工作环境，人们对铁电薄膜的兼容性、稳定性、使用寿命提出了更高的要求。与传统的钙钛矿型铁电材料PZT相比，Pb(HfxTi1-x)O3（PHT）具有相似的铁电与介电性能，但更好的铁电抗疲劳特性，可用于制备性能更加优秀的铁电存储器（FeRAM）。
　　本论文以PHT铁电材料为实验对象，采用脉冲激光沉积技术（PLD）在Pt/Ti/SiO2/Si上进行薄膜的沉积，对准同型相界（MPB）附近的Pb(Hf0.48Ti0.52)O3薄膜进行重点研究。不仅如此，改变薄膜中Hf的含量，对Hf掺杂量对薄膜的结构与性能带来的影响进行分析探讨。本论文的主要研究工作与结论如下：
　　1、在Pt/Si基片上进行Pb(Hf0.48Ti0.52)O3铁电薄膜的制备，并探索其最佳生长工艺。实验结果表明，生长气氛与生长温度对PHT薄膜的结构与性能有着重要影响。当氧分压为20Pa，生长温度为500℃时，薄膜结晶质量最好。此时薄膜的剩余极化强度为80.97μC/cm2，相对介电常数为542，漏电流密度（≈2×10-9A/cm2）小于在其他氧分压和温度下生长的薄膜。
　　2、为了缓解衬底与薄膜间的晶格失配与热失配，通过插入低温自缓冲层进行Pb(Hf0.48Ti0.52)O3薄膜的制备，并探索不同温度下生长的自缓冲层对薄膜的结构与性能所带来的影响。实验结果表明，当插入生长温度为300℃的自缓冲层时，薄膜的主要衍射峰为（111）峰，与Pt/Si衬底的取向一致。不仅如此，XRD扫描图谱出现了四方相的双峰与菱形相的单峰，薄膜处于两相共存状态。与无缓冲层的薄膜对比，在300℃自缓冲层上生长的Pb(Hf0.48Ti0.52)O3薄膜的电学性能得到明显提高：其剩余极化强度提高至93.23μC/cm2，相对介电常数上升至712，漏电流密度有所减小（≈1×10-9A/cm2），铁电抗疲劳性能得到明显改善。
　　3、基于低温自缓冲层技术，研究并分析了Hf掺杂量的改变对PHT薄膜结构与性能的影响。结构上，Pb(Hf0.48Ti0.52)O3处于两相共存的状态，当Hf含量增加到x=0.52时，PHT由两相共存转变为菱形相；当 Hf掺杂量继续增加至x=0.7时，薄膜仍保持菱形相不变，表明Hf掺杂量的增加会促使薄膜结构向菱形相改变，这与PZT相似。电学性能上，PHT处于MPB附近时（x=0.48），虽然有着较大的漏电流密度，但显示出最好的铁电性能和介电性能。经过2.15×1010次极化翻转测试，不同Hf掺杂量的PHT薄膜都显示出良好的抗疲劳特性。从整体考虑，处于准同型相界（MPB）区域的PHT薄膜拥有最优秀的的电学性能。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 铁电材料与铁电薄膜

1.2薄膜的形成与生长

1.3 钙钛矿（ABO3）型铁电薄膜

1.4 Pb(HfxTi1-x)O3铁电材料简介

1.5 影响薄膜结构与性能的因素

1.6 论文选题及研究方案

第二章 常用的薄膜制备技术及分析方法

2.1常用的薄膜制备技术

2.2薄膜结构表征

2.3 薄膜电学性能表征

第三章 Pt/Si衬底上Pb(Hf0.48Ti0.52)O3薄膜制备工艺研究

3.1 靶材的制备

3.2 脉冲激光沉积法制备Pb(Hf0.48Ti0.52)O3薄膜

3.3 氧分压对Pb(Hf0.48Ti0.52)O3薄膜的影响

3.4 温度对Pb(Hf0.48Ti0.52)O3薄膜的影响

3.5 自缓冲层对Pb(Hf0.48Ti0.52)O3薄膜的影响

3.6 本章小结

第四章 Hf掺杂量对Pb(HfxTi1-x)O3薄膜的影响

4.1 不同Hf掺杂量下PHT薄膜的最佳生长参数探究

4.2 低温自缓冲层上生长PHT薄膜

4.3 本章小结

第五章 结论

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果