摘要：采用新颖的化学溶液淀积方法，配制出可长时间稳定的先体溶液，采用红外分析和热分析等手段，对成膜过程中发生的反应变化进行了分析，结果表明采用新的方法可以增加先体的稳定性，并且确定了薄膜的析晶温度。xrd测试表明薄膜在不到500℃即开始析晶，并且析晶情况与bi含量有关。对薄膜的电学性能研究表明随着bi含量的增加，薄膜的漏电性能和抗疲劳特性变差，矫顽场变大，而2 pr在bi过量10%的情况下达到最大31.6μc/cm2 。
关键词：铁电薄膜；化学溶液淀积；疲劳
中图分类号：tn386 文献标识码： a 文章编号：1003-353x(2004)03-0049-05
1 引言
随着集成电路的发展，与传统的存储器相比，具有非挥发性、更快读写速度的铁电存储器正越来越受到人们的重视。而在铁电存储器的研究中，选用哪种铁电材料无疑是一个非常重要的问题。 pzt是一种很好的铁电材料，具有很高的自发极化强度，并且其制备技术和特性也经过了多年的研究和发展。但是pzt也有缺点，该材料中含有重金属铅，易挥发，会对环境和人体造成危害，且pzt薄膜的抗疲劳特性较差。近年来，层状bi材料(bi2o2)2+(am-1bmo3m+1)2-（其中m取决于单元结构中氧八面体的数目）引起了人们更多的关注。其中，srbi 2ta2o9(sbt)被认为是一种很有应用前景的材料，该材料的自发极化强度比pzt小，可是漏电特性、矫顽场均优于pzt，特别是在抗疲劳特性方面更表现出了优越的性能[1,2]。但析晶温度较高，通常高于750℃。另一种层状bi结构的材料bi3.25 la0.75 ti3o12（blt），其结构如图1所示。它的2pr可以达到28μc/cm2左右，在经过1010次的电压翻转后，其剩余极化强度也没有显著的下降。与sbt材料相比，blt在不到700℃下退火即可得到具有铁电性能的结构，被认为是最具有应用前景的铁电材料之一[3]。 目前,用于制备blt薄膜的方法主要有pld、mocvd和sol-gel等[3,4,5]。本文中，采用了化学溶液淀积法(csd)制备blt薄膜，所用原料均为国产，不需要复杂的设备，具有工艺简单，成本低的优点。由于用到的原料容易水解而造成先体的不稳定，通过研究后采用了新的先体配制方法增强了先体的稳定性。除了la的含量对blt材料的电学性能有影响外，本文发现bi的含量也有很大关系，这方面还没有见到系统的报导。 2 实验 2.1 先体的配制与薄膜的制备
实验中采用的原料：硝酸铋bi(no3 )·5h2o、硝酸镧la(no3)·nh2o和钛酸正四丁酯ti(oc4h9)4,溶剂为冰乙酸ch3cooh、乙二醇hoch3ch3oh和乙酰丙酮ch3coch2coch3。 制备先体的方法：(1)先将硝酸铋置于热板上，保持温度在120℃左右烘干成白色粉末。(2)分别将一定量烘干的硝酸铋和硝酸镧溶解于冰乙酸和乙二醇中，不断搅拌并加热至沸腾，然后保持温度半个小时左右。控制两种溶液的体积在1:1。待冷却到室温后，将两者混合搅拌均匀。(3）按照摩尔比1:2取钛酸丁酯和乙酰丙酮，将两者搅拌均匀并微热螯合。冷却后，将硝酸铋和硝酸镧的混合溶液倒入并搅拌均匀，最后得到淡黄色的清亮溶液。所配制的先体溶液的浓度为0.07mol/l左右，其中bi∶la=3.25∶0.75。 采用旋涂法将先体溶液旋涂在pt/ti/sio2/si衬底上。旋涂的转速为4000r/min，时间为30s。每涂好一层热处理一次，先在200℃保温5min，然后升温到450℃保温10min，之后随炉冷却。每两层退火一次，退火温度与最终退火温度相同，时间为10min。共旋涂5～6层，每层厚度为50nm左右。最终退火一次，时间为30min。整个热处理过程均在氧气气氛中进行，氧气流量为2l/min。薄膜制备完成后，用lift-off方法制作铬/金上电极阵列，电极的面积为100mm×100mm。 2.2 分析测试
采用avatar-360tr对先体溶液进行红外分析；采用dta7和tga7对先体溶液进行热分析；采用d/max-rb12kw旋转阳极靶多晶x射线衍射仪对薄膜进行xrd分析；采用keithley 4200测试薄膜的漏电性能；采用rt66a测试样品的铁电性能。 3 结果与讨论 3.1 先体溶液的红外分析
实验中所用到的原料钛酸丁酯极易发生水解反应而导致先体发生浑浊，而原料硝酸铋和硝酸镧中都含有结晶水。实验表明，即使采用在溶剂中长时间加热的方法，先体也只能稳定1～2天就会变浑浊，这表明该方法不能有效地去除结晶水。如果采用机械添加乙酰丙酮的方法，即配制先体时钛酸丁酯和乙酰丙酮混合溶液不加热，一周左右即有
王晓光, 林殷茵, 汤庭鳌 | （复旦大学微电子学系 asic和系统实验室，上海 200433） |
摘要：采用新颖的化学溶液淀积方法，配制出可长时间稳定的先体溶液，采用红外分析和热分析等手段，对成膜过程中发生的反应变化进行了分析，结果表明采用新的方法可以增加先体的稳定性，并且确定了薄膜的析晶温度。xrd测试表明薄膜在不到500℃即开始析晶，并且析晶情况与bi含量有关。对薄膜的电学性能研究表明随着bi含量的增加，薄膜的漏电性能和抗疲劳特性变差，矫顽场变大，而2 pr在bi过量10%的情况下达到最大31.6μc/cm2 。
关键词：铁电薄膜；化学溶液淀积；疲劳
中图分类号：tn386 文献标识码： a 文章编号：1003-353x(2004)03-0049-05
1 引言
随着集成电路的发展，与传统的存储器相比，具有非挥发性、更快读写速度的铁电存储器正越来越受到人们的重视。而在铁电存储器的研究中，选用哪种铁电材料无疑是一个非常重要的问题。 pzt是一种很好的铁电材料，具有很高的自发极化强度，并且其制备技术和特性也经过了多年的研究和发展。但是pzt也有缺点，该材料中含有重金属铅，易挥发，会对环境和人体造成危害，且pzt薄膜的抗疲劳特性较差。近年来，层状bi材料(bi2o2)2+(am-1bmo3m+1)2-（其中m取决于单元结构中氧八面体的数目）引起了人们更多的关注。其中，srbi 2ta2o9(sbt)被认为是一种很有应用前景的材料，该材料的自发极化强度比pzt小，可是漏电特性、矫顽场均优于pzt，特别是在抗疲劳特性方面更表现出了优越的性能[1,2]。但析晶温度较高，通常高于750℃。另一种层状bi结构的材料bi3.25 la0.75 ti3o12（blt），其结构如图1所示。它的2pr可以达到28μc/cm2左右，在经过1010次的电压翻转后，其剩余极化强度也没有显著的下降。与sbt材料相比，blt在不到700℃下退火即可得到具有铁电性能的结构，被认为是最具有应用前景的铁电材料之一[3]。 目前,用于制备blt薄膜的方法主要有pld、mocvd和sol-gel等[3,4,5]。本文中，采用了化学溶液淀积法(csd)制备blt薄膜，所用原料均为国产，不需要复杂的设备，具有工艺简单，成本低的优点。由于用到的原料容易水解而造成先体的不稳定，通过研究后采用了新的先体配制方法增强了先体的稳定性。除了la的含量对blt材料的电学性能有影响外，本文发现bi的含量也有很大关系，这方面还没有见到系统的报导。 2 实验 2.1 先体的配制与薄膜的制备
实验中采用的原料：硝酸铋bi(no3 )·5h2o、硝酸镧la(no3)·nh2o和钛酸正四丁酯ti(oc4h9)4,溶剂为冰乙酸ch3cooh、乙二醇hoch3ch3oh和乙酰丙酮ch3coch2coch3。 制备先体的方法：(1)先将硝酸铋置于热板上，保持温度在120℃左右烘干成白色粉末。(2)分别将一定量烘干的硝酸铋和硝酸镧溶解于冰乙酸和乙二醇中，不断搅拌并加热至沸腾，然后保持温度半个小时左右。控制两种溶液的体积在1:1。待冷却到室温后，将两者混合搅拌均匀。(3）按照摩尔比1:2取钛酸丁酯和乙酰丙酮，将两者搅拌均匀并微热螯合。冷却后，将硝酸铋和硝酸镧的混合溶液倒入并搅拌均匀，最后得到淡黄色的清亮溶液。所配制的先体溶液的浓度为0.07mol/l左右，其中bi∶la=3.25∶0.75。 采用旋涂法将先体溶液旋涂在pt/ti/sio2/si衬底上。旋涂的转速为4000r/min，时间为30s。每涂好一层热处理一次，先在200℃保温5min，然后升温到450℃保温10min，之后随炉冷却。每两层退火一次，退火温度与最终退火温度相同，时间为10min。共旋涂5～6层，每层厚度为50nm左右。最终退火一次，时间为30min。整个热处理过程均在氧气气氛中进行，氧气流量为2l/min。薄膜制备完成后，用lift-off方法制作铬/金上电极阵列，电极的面积为100mm×100mm。 2.2 分析测试
采用avatar-360tr对先体溶液进行红外分析；采用dta7和tga7对先体溶液进行热分析；采用d/max-rb12kw旋转阳极靶多晶x射线衍射仪对薄膜进行xrd分析；采用keithley 4200测试薄膜的漏电性能；采用rt66a测试样品的铁电性能。 3 结果与讨论 3.1 先体溶液的红外分析
实验中所用到的原料钛酸丁酯极易发生水解反应而导致先体发生浑浊，而原料硝酸铋和硝酸镧中都含有结晶水。实验表明，即使采用在溶剂中长时间加热的方法，先体也只能稳定1～2天就会变浑浊，这表明该方法不能有效地去除结晶水。如果采用机械添加乙酰丙酮的方法，即配制先体时钛酸丁酯和乙酰丙酮混合溶液不加热，一周左右即有
 热门点击
推荐技术资料
|
| 
公网安备44030402000607
