（凝聚态物理专业论文）硅基多晶钛酸锶钡铁电多层膜的结构与介电增强效应.pdf

硅摹多品钛酸锶钡铁屯多层膜的结构与介电增强效应 中文摘要 中文摘要 钛酸锶钡铁电薄膜因具有良好的铁电、介电、压电和热释电等性能而受到重视 这些性质使它们可应用于与硅电路集成的动态随机存储器。本论文的工作主要研究了 利用脉冲激光法，在硅基片上沉积多晶的钛酸锶钡铁电多层膜，使其介电常数增强的 同时，保持较低的介电损耗。通过对多层膜结构和性质的系统研究，分析了多晶的多 层膜中介电增强效应的形成机理。论文的研究结果如下 ( 1 ) 周期厚度对钛酸锶钡多层膜的影响 采用脉冲激光法在p t t i s i 0 2 s i 衬底上沉积了多晶的b a t i 0 3 b a o6 s r o4 t i 0 3 、 b a t i 0 3 b a o2 s r og t i 0 3 、b a t i 0 3 s r t i 0 3 三种多层膜，研究发现周期厚度明显影响多层 膜的介电性质，通过改变周期厚度，在三种多层膜中均发现了介电常数增强的现象。 在b a y i o b a o6 s r o4 y i 0 3 多层膜中当周期厚度为6 0 n m 时，介电常数高达1 3 3 6 ，介 电损耗仅为o 0 4 。在b a t i 0 3 b a o2 s r o8 t i 0 3 多层膜中，当周期厚度为8 0 n m 时，介电常 数为8 9 0 ，介电损耗为0 0 4 。在b a t i 0 3 s r t i 0 3 多层膜中，当周期厚度为6 0 n m 时，介 电常数为7 2 1 ，介电损耗仅为o 0 3 3 4 。研究同时表明，在硅基多晶的多层膜中，不同 介质材料的接触处存在明显的界面层，正是这一特殊的界面层导致了介电常数的增 强，该介电常数增强的现象与m a x w e l l - w a g n e r 效应相关。 ( 2 ) 后处理对钛酸锶钡多层膜的影响 利用脉冲激光沉积法在p t t i s i 0 2 s i 衬底上，沉积了单层厚度为4 8 r i m 的多晶 b a t i 0 3 b a o2 s r o8 t i 0 3 多层膜，通过对薄膜进行热后处理，研究了其介电性质。研究发 现，薄膜经过热处理后，相对介电常数明显增大而介电损耗变化不大。经过2 5 小 许撼多品钛睃镏 j j ：| 铁l 乜多层膜的结构- j 介i u 增强效心 中义摘筮 时后处理的多层膜，其相对介电常数高达8 9 1 ，而介电损耗仅为0 0 3 8 。作者采用m w 模型对实验数据进行了解释，结果表明，在合理的参数下，模拟曲线与实验结果相吻 ( 3 ) 薄膜厚度对钛酸锶钡多层膜的影响 利用脉冲激光沉积法在p t t i s i 0 2 s i 衬底上，沉积了不同总厚度的多晶 b a t i 0 3 b a o2 s r o8 t i 0 3 多层膜，研究了周期厚度、界面数对薄膜介电性质的影响。研究 表明，在相同界面数的情况下，厚度对薄膜的介电性质影响较大。在薄膜厚度为2 4 0 n m 时，多层膜的介电常数为8 1 0 介电损耗为o 0 3 6 。同样，在保持周期厚度相同的前 提下，薄膜厚度对介电性质也产生较大的影响。在薄膜厚度为3 2 0 n m 时，多层膜的 介电常数为9 1 3 ，而介电损耗仍然保持在较低的水平，仅为0 0 3 6 。分析表明，实验 结果与界面空间电荷极化有关，通过对实验数据进行m w 理论分析，发现拟合结果 与实验数据相符合。 关键词：介电增强效应，铁电多层膜，钛酸锶钡薄膜，脉冲激光沉积， m a x w e l l - w a g n e r 模型 作者：葛水兵 指导教师：宁兆元 硅批多品钛酸锶钾! 铁l 毡多层膜的结构_ 介l 乜增强效艟 英义摘婪 s t r u c t u r ea n dd i e l e c t r i ce n h a n c e m e n to f p o l y c r y s t a l l i n e ( b a ，s r ) t i 0 3f e r r o e l e c t r i cm u l t i l a y e r f i l m so ns is u b s t r a t e a b s t r a c t ( b a ，s r ) t i 0 3 t h i nf i l m ss h o wh i g h a p p l i c a t i o np o t e n t i a l i n h i 曲- d e n s i t y d r a m c a p a c i t o r sw i t hv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o nb e c a u s eo ft h e i rg o o df e r r o e l e c t r i c ，d i e l e c t r i c ， p i e z o e l e c t r i ca n dp y r o e l e c t r i cp r o p e r t i e s t h ep r e s e n td i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h er e s e a r c h o fd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so f p o l y c r y s t a l l i n e ( b a ，s r ) t i 0 3m u l t i l a y e rf i l m sp r e p a r e db yp u l s e d l a s e rd e p o s i t i o no bs is u b s t r a t e sa n dt h em e c h a n i s mo fd i e l e c t r i ce n h a n c e m e n ti sd i s c u s s e d s o m eo f t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e f f e c t so fs t a c k i n gp e r i o d i c i t yo nb s tm u l t i l a y e rf i l m s p o l y c r y s t a l l i n e b a t i 0 3 b a o6 s r 04 t 1 0 3 ，b a t i 0 3 b a 02 s r o8 t 1 0 3 a n d b a t i 0 3 s r t i 0 3 m u l t i l a y e rf i l m sw e r ef a b r i c a t e dv i ap u l s e dl a s e rd e p o s i t i o no n t op t t i s i 0 2 s i s u b s t r a t e s w i t hv a r i o u ss t a c k i n gp e r i o d i c i t i e s t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to ft h em u l t i l a y e rf i l m sw a s o b v i o u s l ye n h a n c e dw i t ht h ed e c r e a s eo f t h es t a c k i n gp e r i o d i c i t y , w h i l et h ed i e l e c t r i cl o s s w a s k e p t a tal o wl e v e l i nb a t i 0 3 b a o 6 s r 04 t 1 0 3m u l t i l a y e rf i l m s ，al a r g e d i e l e c t r i c c o n s t a n to f13 3 6w a so b s e r v e df o ras t a c k i n gp e r i o d i c i t yo f6 0n y a tt h ef r e q u e n c yo f10 k h za tr o o mt e m p e r a t u r e a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd i e l e c t r i cl o s sw a sm a i n t a i n e db e l o wo 0 5 i nb a t i 0 3 b a o2 s r os t i 0 3m u l t i l a y e rf i l m s ，ad i e l e c t r i cc o n s t a n to f8 9 0w a so b s e r v e df o ra s t a c k i n gp e r i o d i c i t yo f8 0a ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gd i e l e c t r i c l o s sw a so n l y0 0 4 i n b a t i 0 3 s r t i 0 3m u l t i l a y e rf i l m s ，ad i e l e c t r i cc o n s t a n to f7 2 1w a so b s e r v e df o ras t a c k i n g p e r i o d i c i t y o f6 0n ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gd i e l e c t r i cl o s sw a so n l y0 0 3 3 4 t h es t u d y i n d i c a t e st h a tt h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h em u l t i l a y e rf i l m sa n dt h es i n g l ef i l m s i nd i e l e c t r i c p r o p e r t i e s t h e m e c h a n i s mo fd i e l e c t r i ce n h a n c e m e n to fp o l y c r y s t a l l i n e i t i 堡至兰曼羔苎墼堡塑垦皇兰墨坚竺苎型! 坌坐堂堂垫生 茎兰塑兰 m u l t i l a y e rf i l m sw a sr e l a t e dt om a x w e l l - w a g n e re f f e c t ( 2 ) e f f e c t so fp o s t a n n e a l i n go nb s t m u l t i l a y e rf i l m s p o l y c r y s t a l l i n eb a t i 0 3 b a 02 s r o8 t 1 0 3m u l t i l a y e rf i l m sw e r ep r e p a r e db yp u l s e dl a s e r d e p o s i t i o no n t op t t i s i 0 2 s i s u b s t r a t e sw i t hs u b l a y e rt h i c k n e s so f4 8r i mt h ed i e l e c t r i c c o n s t a n to ft h ef i l m sw a so b v i o u s l ye n h a n c e dt h r o u g hp o s t a n n e a l i n gp r o c e s s ，w h i l et h e d i e l e c t r i cl o s sw a sk e p ta tal o w e rl e v e l w h e nt h em u l t i l a y e rt h i nf i l mw a sp o s t a n n e a l e d f o r2 5h o u r s ，ad i e l e c t r i cc o n s t a n to f8 9 0w a so b s e r v e da tt h ef r e q u e n c yo f10k h za n dt h e d i e l e c t r i cl o s si ss m a l l e rt h a n o 0 5 m a x w e l l w a g n e r m o d e li su s e dt o e x p l a i n t h e e x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h er e s u l t so f t h em o d e l i n gc o n f o r mw e l lt ot h ee x p e r i m e n t p ) e f f e c t so f t h i c k n e s so nb s t m u l t i l a y e r f i l m s p o l y c r y s t a l l i n eb a t i 0 3 b a o2 s r os t i 0 3m u l t i l a y e rf i l m sw e r ed e p o s i t e dv i ap u l s e dl a s e r d e p o s i t i o nt e c h n i q u e o np t t i s i 0 2 s is u b s t r a t e sw i t hd i f f e r e n tt o t a lt h i c k n e s s t h e d i e l e c t r i cc o n s t a n to ft h em u l t i l a y e rf i l m sw a si n f l u e n c e db yt h et o t a lt h i c k n e s s ，w h i l et h e d i e l e c t r i cl o s sw a sm a i n t a i n e da tal o w e rl e v e l u n d e re q u a li n t e r f a c i a ln u m b e r , ad i e l e c t r i c c o n s t a n to f8 1 0w a so b s e r v e df o rat o t a lt h i c k n e s so f 2 4 0n ma n dd i e l e c t r i cl o s sw a s0 0 3 6 u n d e re q u a l s t a c k i n gp e r i o d i c i t y , ad i e l e c t r i c c o n s t a n to f9 1 3w a so b t a i n e df o rat o t a l t h i c k n e s so f3 2 0n ma n dt h ed i e l e c t r i cl o s sw a so 0 3 6 t h em a x w e l l w a g n e rm o d e li su s e d t o e x p l a i nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，a n dt h e r e s u l t so ft h em o d e l i n ga g r e ew e l lw i t ht h e e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：d i e l e c t r i ce n h a n c e m e n t ，f e r r o e l e c t r i cm u l t i l a y e rf i l m ，( b a ，s o t i 0 3t h i nf i l m ， p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ，m a x w e l l w a g n e rm o d e l w r i t t e nb yg es h u i - b i n g s u p e r v i s e db yn i n g z h a o - y u a n + y 6 4 5 3 20 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：镑塑些、日期：2 型坚坚。塞6 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包聋刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：、窒! 兰日期：2 i i 名蛆6 导师签名：物也乏日期：2 z 臣蜊 心 j | 硅批多品钛峻锯锁钛t b 多层膜的结构，r r i 乜增性效心 鹚一书绪论 1 1 铁电材料 第一章绪论 铁电晶体是电介质晶体中很重要的类。电介质的特征是f 、负电荷重心不重合， 它以电极化方式传递、存贮或记录电场的作用和影响，在其中超主要作用的足束缚电 荷。 电介质物理的中心问题是电极化、弛豫。电极化可用极化强度p ( 单位体积内感 应的电偶极矩) 柬描述。电偶极矩的大小定义为等量而异号的电荷与它们之间的距离 的乘积，方向由负电荷指向正电荷。从微观机制上讲，电极化的主要来源有四种，即 电子位移极化，离子位移极化、偶极子取向极化、界面和空间电荷极化( i n t e r f a c i a la n d s p a c e c h a r g ep o l a r i z a t i o n ) 【1 3 1 。 如果在没有外加电场的作用下电介质内部出现极化，这种极化被称之为自发极 化。晶体在整体上呈现自发极化，这意味着在其正负端分别有一层正的和负的束缚电 荷。束缚电荷产生的电场：即退极化场( d e p o l a r i z a t i o nf i e l d ) ，在晶体内部与极化方 向相反，使得静电能升高。在受机械约束时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增 加。如果将晶体分成若干个小区域，每个小区域内部的电偶极子沿同一方向，但各个 小区域的电偶极子方向不同，这些小区域称为电畴或畴( d o m a i n ) ，畴的间界叫畴壁 ( d o m a i nw a l l ) 。畴的出现使晶体的静电能和应变能降低，但畴壁的存在引入罩畴壁 能，总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定构型。 铁电体的电滞回线如图1 l 所示。铁电体的极化随电场的变化而变化，当电场较 强时，极化与电场之间呈非线性关系。在电场作用下，新畴成核长大，畴壁移动，导 致极化转向。在电场很弱时，极化线性地依赖于电场( 见图1 1 ) ，此时可逆的畴壁移 动占董导地f 莎。当电场增强时，新畴成核，畴壁运动成为不可逆的，极化随电场的增 加比线性段快。当电场达到相应于b 点的值时，晶体成为单畴的，极化趋于饱和。电 场进步增强时，由于感应极化的增加，总极化仍然有所增大( 占c 段) ，如果趋于饱 肝垠多品钵愤锶 ；! j l 铁l 乜多层膜的结构。，介 也增强效应蚺一章绪论 和后电场减小，极化将随c b d 曲线减小，以至当电场达到零时，品体仍保持宏观极 化状态。线段o d 表示的极化称为剩余极化p r ( r e m a n e n tp o l a r i z a t i o n ) 。将线段外推 到与极化轴相交于e ，则线段o e 等于自发极化n 。如果电场反向，极化将随之降低 并改变方向，直到电场等于某数值时，极化又将趋于饱和，这一过程如曲线d f g 所示。o f 所代表的是使极化等于零的电场，称作矫顽场反( c o e r c i v e f i e l d ) 。电场在f 负饱和值之唰循环一周时，极化与电场的关系如曲线c b d f g h c 所，下，此曲线称为 电滞回线( h y s t e r e s i sl o o p ) 一j 。 二 c f 酊 夕 e 。 图1 i 铁电体的电滞回线 事实上，铁电材料的性质与元素“铁”毫无关系，晶体的铁电性通常只存在于一 定的温度范围内。当温度超过一定值时，自发极化消失，铁电体变成顺电体 ( d a r a e l e c t r i c ) 。铁电相与顺电相之间的转变通常简称为铁电相变，该温度称为居单 温度或居早点疋。 一般认为，人们对铁电体的研究始于1 9 2 0 年，当年法国人v a l a s e k 发现了罗息盐 ( 酒石酸剀钠，n a k c 4 h 4 0 6 4 h 2 0 ) 的特异的介电性能，导致了“铁电性”的概念的 出现。迄今铁电体的研究可大体分为四个阶段：第一阶段是1 9 2 0 1 9 3 9 年，在这阶 段中发现了两种铁电结构，即罗息盐和k h 2 p 0 4 系列。第二阶段是1 9 4 0 - 1 9 5 8 年，铁 电唯象理论丌始建立，并趋于成熟。第三阶段是1 9 5 9 年到7 0 年代，这是铁电软模理 # 提多晶锰陋锶锁铁l 乜多层膜的结构tj 介t 乜增强放心 辩一串 绪l 沦出现和基本完善的时期，称为软模阶段。第四阶段是8 0 年代下今，t 要明究各种 非均匀和低维系统。 近年来，铁电体的研究取得了多方面的进展，如第一性原理的计算、尺寸效应的 研究、铁电液品和铁电聚合物的基础和应用研究。但最值得关注的恐怕还是集成铁电 学的出现。集成铁电学即指研究铁电薄膜与半导体集成的科学，而铁电薄膜已成为 种重要的功能性薄膜材料，成为目前科学研究的热点“。 铁电薄膜相对于大块铁电材料，其优越性不仪在于尺寸小、重量轻、更重要的是 可以和现有的半导体器件和工艺相兼容。目前铁电薄膜的研究大概有以下几个方向 1 6 - 1 2 ： 1 微存储器技术：利用铁电体的高介电常数制成的动态存储器，其体积更小， 采用的材料主要为( b a ，s r ) t i 0 3 。同时纳米微雕技术、纳米自组构技术在铁电学上的应 用，使在很小的尺寸中制备大量微小的电容器成为可能。目前己成功制各了1 0 0 1 0 0 r i m 2 大小的电容器，并有望在2 0 0 4 年制成4 g b 的铁电存储器。 2 热释电红外探测器：由于传统的量子型红外探测器( 如利用h g c d t e 材料) 工 作在低温条件下，需要笨重的冷却设备。近两三年来，研究者开始把目光转到梯度铁 电薄膜上来，发现这种结构材料的热电系数很高，很适合在室温下实现红外凝视成像 及跟踪，因而受到了广泛关注。 3 铁电场效应管：利用铁电薄膜代替半导体场效应管中的绝缘层，这样由于铁 电薄膜不同的两个极化状态，将导致源。漏i 日j 的电流的明显变化，从而读出“0 ”与“1 ” 两种信息，利用这个原理能做出非挥发性随机存储器，它通常使用s b t 、p z t 等。 4 光存储技术：利用光伏打效应以及其他非线性光学效应来制备具有光学效应 的存储器。可以利用铁电体的不同极化对光折射率的不同，制造电写光读存储器，或 利用光对电极化的转变，制造出光写电读存储器，并有可能用于存储图像其前景卜 分诱人。 5 微机械：将铁电薄膜与医学器件集成，制成药物传输系统，血压传感器，微 型泵和微型阀等医学器件，其大部分使用的是铁电材料p z t 。 随着微电予技术、光电子和传感器等技术的方展，对材料的性能提出了更高的要 求。而铁电薄膜具有系列重要的性质如介电性、铁r 乜性、压电效应、热电效应、 针璀多品钛暄锶铀! 铣l b 多层膜的结构ij 介i 也增性效心 第一争绪论 电光、声光效应、光折变效应和非线性光学效应，i 几j u 寸薄膜技术的发展，也为制备尚 质量铁电薄膜扫除了技术障碍，因此铁电薄膜现已成为全世界研究者、厂商、政府关 注的热点。 1 , 2 电介质在d r a m 中的应用 近三十年内，半导体工业取得了巨大的进步。 通过不断地减小尺寸，使得单个 芯片上的元器件数目不断的增加，并且同时伴随着芯片性能的提高和价格的下降，这 也使市场以每年百分之十的速度增加，如图l ，2 所示【1 3 , 1 4 。 o e - o k o _ 卫 y e a r 图1 2d p , a m 未来几年的单个芯片的容量和技术结构 在硅集成电路中一个最主要的特点是硅能与氧( o ) 、氮( n ) 结合，从而生成 具有良好的力学、电学和介电性质的绝缘材料，介电材料s i 0 2 、s i 0 n 是两种最重 要的半导体元器件的材料，它可作为动态随机存储器( ) r a m ) 中的介电材料，作为 c m o s f e t 晶体管中的栅极介电材料”】。在f 一代半导体器件中。随着尺i j 减薄，小 有的介电材料( 如s i 0 2 和s i 一0 n ) 不论是在d r a m 中，或者在晶体管中，由于隧穿 漏电流过大已达到极限，成为一个主要的技术障碍，需要找到一种高介电常数的材料 咎代s i 0 2 这也意味着介电层的物理厚度可能增加，从而达到减小隧穿漏电流的目 4 f幢。丁：oo聃芝，o盘。一：_j一 型兰曼堡竺堡塑竺! ! 兰壁堕些丝塑! ! 坌! ! 堕堂垡坐 塑二! 堑堡 的。 d r a m 在半导体工业中是最基本的存储元件。1 9 9 9 年，其产值约为2 1 亿美儿， 约占半导体：业总产值的百分之十三。d r a m 是一种挥发性存储器其中存储的信 息读取具有和处理器同样的工作速度。而其他的介质存储器，如磁介质存储器及闪存 都只能i + 作在较慢的速度下。在d r a m 中信息必须按一定的周期被刷新，媳型的 周期为2 5 6 毫秒。表1 1 列出了主要的存储器的工作参数“6 1 。 表1 1 典型存储器的工作参数 d e v i c eh a r d f l o p p y d r a ms r a m f l a s hf r a m a t t ，i b “t e d i s k d i s k 1 n o n v o l a t i l i t yn nyyyy 2 h i g h d e n s i t y ynyy y n 3 l o wp o w e rnnyynn 4 b i ta l t e r a b i l i t yyynyyy 5 f a s tr e a d w r i t eyyyynn 6 h i g he n d u r a n c e yyyyyy 7 l o wc o s ty nyn y y 8 h i g hi n t e g r a t i o n yyyn nn d r a m 中的电容器结构很容易形成，只需把s i 表面氧化，用s i 0 2 作为电容器的 介电材料。但是d r a m 的制造商都面临着如下的问题，当芯片的集成度不断提高后， 可容许的单个电容器所占的面积变得非常小( 现在，每单位约为0 2 2l a m 2 ) 而同时电 荷量却要保持相同，因此，需要提高单位面积的电容量。对于早期的d r a m 产品中 的电容( 从七卜年代到八十年代中期) ，通过减小介质厚度，问题被简单解决了。凶 为根据平行板电容器的电容公式 c c = 氏占，三 ( 1 1 ) 硅皋多品钒艘锶 ! j j 铁1 u 多层膜的结构0 介i 乜增强效心 第一爷绪论 但是当介质厚度被减小的同时，一个非常重要的问题出现了，邪就是拒刷新的j 割 期内，电荷量很难保持。因为在小介质厚度时，漏电流物理机制是量子效应，它是材 料的本质问题不可能通过技术的革新来解决此问题。因此对于s i 0 2 来说，存在一 个最小有用介质厚度问题。 图1 3 三维电容器结构示意图 从八十年代中期开始，d r a m 的制造商把精力集中于提高单个电容器的有效面 积上来，而不增加其在s i 表面所占的面积。这主要可通过两种方式：构造一个突出 表面的结构( 图1 3 ) ，在其上沉积电介质。在s i 表面腐蚀出一条槽，在槽壁上沉积 电介质。同时在这期间，通过掺入氮( n ) ，s i 0 2 的介电常数也可被提高至6 左右， 这种材料被称之为s i o - n 电介质。 直至九十年代，使用s i o n 作介质的d r a m 制造商开始意识到他们不能再进一 步提高集成度，因此研究者开始寻找一种更替的方式，最主要的方式是研究高k 材 料。实验研究者主要集中于多晶或菲晶的t a 2 0 s 作为一种过渡替代品，从长远角度讲， 则是晶态的b a 。s r l 。t i 0 3 ( b s t ) 材料。经过多年的研究发展，基于t a 2 0 5 的d r a m 已经进入市场，被用于下两代产品中。 图1 4b s t 电容器结构示意图 6 牡捧多品 | ：酸锶钏铁i u 多层膜的结掏l j 介l 也增强敛j 避 笫一章绍沦 b s t 体材料是一种常用的电容器介质材料因而b s t 也被选择作为d r a m 。 的 电介质材料。b s t 多晶陶瓷的介电常数为1 0 0 0 1 0 0 0 0 ，因此这种材料比t a 2 0 5 ( e ，t2 5 ) 更具潜力，它能适用于未来的d r a m 产品。研究者把目光更多的集中在那些在体材 料室温时已能表现出良好性质的b s t 材料e 。九十年代初对b s t 在d r a m 上的 应用的研究起源于同本【1 ，从1 9 9 3 年至1 9 9 7 年，全世界范出都jr 始了刈b sr 侄 d r a m 应用的可行性研究，并取得了巨大的进步，其电容器的结构如图1 4 所示。山 图可见，在元器件结构设计上，这种结构比以前的结构有显著的不同：第一，传统结 构中s i 0 2 或s i o n 介质直接沉积于s i 上的，s i 本身充当底电极，在其上再沉积余 属电极，使之成为会属。绝缘体一半导体结构的电容器。但是，因为b s t 材料会与s i 发生反应，因此全新的金属绝缘体一会属结构被提出。第二，b s t 薄膜需在较高的沉 积温度( 6 5 0 - - 8 0 0 ) 和氧气气氛条件下生成，因此金属电极必须能抗氧化( 贵金 属如p t 或导电氧化物) 。同时，在底电极下需要一个氧势垒层以防止氧的渗入。总之， 如果b s t 应用于d r a m 需要一个全新的结构，同时需要一整套新材料( 如电极和氧 势垒层材料) 。回顾b s t 在d r a m 方面所取得的研究成果和发展的进程，我们有必 要认识到，它不仅仅是用一种介电材料简单取代另一种介电材料。半导体行业普遍认 识到与s i 0 2 比较，b s t 薄膜表现出不同的物理性质，可归纳为如下四点： 1 介电性质。在我们感兴趣的电场强度范围内，s i 0 2 是一种线性材料( 介电常数 不随电场变化) ，而b s t 是- q , 强非线性材料( 介电常数随电场增加而变小) 。b s t 的高介电常数来源于其低温铁电相的光学软模，它在高场或强应力条件下可能会逐步 减弱。应变同时会改变其相交性质，也就是改变其介电温度特性。对于b s t 薄膜来 说，其介电常数一般在2 0 0 - - 8 0 0 之间，这远小于相应体材料的介电常数，同时也小 于人们对它的期望值，另外b s t 的介电常数强烈依赖于其厚度的变化l l 。 2 损耗机制。在基于s i 0 2 的d r a m 中，存储电荷流失的基本机制是通过电介质 的漏电流。但是绝大多数高介电材料，存在着显著的存储电荷随时间而变化的特征t 这源于材料的介电弛豫现象。而d r a m 需要在几个纳秒的时间内读出其数据，这对 薄膜的质量提出了严格的要求，一般要求其介电损耗在0 0 0 5 以下，而目前绝大多数 已沉积的b s t 薄膜不能满足这些条件。 旦堑型坠型墅墅型坐堡壁! 唑i 丝：! 坌l ! 望些塑竺 垫：垦竺堡 3 成分控制。s i 0 2 的一大优点在r 其成份容易控制，但b s t 则小亓j 它需要严 格控制其( b a + s r ) 与t i 之比以获得相应的性质，因此，必须发展新的沉积1 _ 艺来满 足此要求1 2 0 1 。 4 失效机制。b s t 的失效机制不i 亓j 于s i 0 2 ，b s t 的基本失效机制被称之为电阻 哀变( r e s i s t a n c ed e g r a d a t i o n ) r i l l 。其内在的微观机制尚4 i 完全清楚，但是肯定不同厂 其体材料，有报道认为它与氧空位在界面附近的行为有关，可能因此改变界面的性质。 迄今为止，b s t 依然未应用到d r a m 上。因为b s t 材料的复杂性，很多物理及 工艺问题尚未解决，亟待解决的主要问题如下： 1 合适的介电常数、损耗及它们的频谱特性； 2 对于给定的电极，控制漏电流的机制； 3 失效机制： 4 高介电常数和良好电阻的获得方法。 总之，b s t 在d r a m 上的应用研究继续发展着，并和其它一些更替的解决方案 相竞争，最后何种解决方案将会在工业上被采用现在还不能下结论，但是，很显然 b s t 在d r a m 卜的应用绝不是简单的介电材料的更替，它伴随着全新的对d r a m 和 b s t 材料本身的认识。 1 3 钛酸锶钡铁电多层膜的研究背景 如前几节所叙述的，近年来随着制备技术的发展，铁电( 介电) 薄膜的研究和应 用得到了较大的进展，尤其是钙钛矿铁电( 介电) 薄膜材料( 如钛酸铅、锆钛酸铅、 钛酸锶钡等) 因具有良好的铁电、介电、压电和热释电等性能而受到重视，这些性质 使它们可应用于与硅电路集成的动态随机存储器、薄膜电容器、传感器和光学器件等。 这些电子器件要求材料在尺寸微型化的基础上，保持良好的体材料性质。如膜厚小于 o5 微米，但具有高介电常数、低损耗的铁电( 介电) 薄膜材料是形成高性能动态随 8 针捧多品t k 峻锶_ i 8 j 5 铁l 乜多层膜的结构j j 介i 乜增强散心 鹕一章纬论 机存储器、薄膜电容器等所必须的。但是，当薄膜厚度小于l 微米，尤其是小j 05 微米时，薄膜的介电常数相对于体材料会显著减小，因此如何提高薄膜的介电常数引 起了极大的重视。近年来，采用超品格或多层膜的方法来提高薄膜的介电常数受到了 广泛的关注。 1 9 9 4 年，n 本的ht a b a t a 等人在每层厚度为o 8 1 6n m 的( 1 0 0 ) 取向 b a t i 0 3 s r t i 0 3 超品格中发现其介电常数相对于相同厚度的b a o5 s r o5 t i 0 3 单层膜增强 了近一倍| 2 “。并在1 9 9 7 年的报道中指出如果相邻两种薄膜材料的品格失配越大，介 电常数也越大1 2 3 】。类似的现象也被日本的i k a n n o 等人2 4 1 ( 1 9 9 6 年) 和o n a k a g a w a r a 等人1 2 5 1 ( 2 0 0 0 年) 分别在( 1 0 0 ) 取向p b z r 0 3 p b t i 0 3 超晶格和( 1 1 1 ) 取向b a t i 0 3 s r t i 0 3 超晶格中发现，以上研究小组都把这种介电常数增强现象归因于品格失配引起的巨大 超晶格层间应变，但都没有给出关于薄膜介电损耗的数据。英国的gc a t a l a n 等人f 2 6 j ( 2 0 0 0 年) 在研究b a o2 s r o8 t i 0 3 b a os s r o2 t i 0 3 超晶格时，也发现了在每层厚度0 8 1 ，2 n m 时出现了较强的介电常数增强现象，但一般同时伴随着薄膜介电损耗的增强。他 们利用m a x w e l l w a g n e r 模型分析了这种现象，认为介电常数增强是由于超晶格中载 流子迁移到界面上引起的。1 9 9 6 年，美国的a e r b i l 等人2 7 1 在p h y s i c a lr e v i e w l e t t e r s 上报道了在每层厚度为4 0 n m 的p b t i 0 3 p b i x l a x t i 0 3 超晶格中发现巨大的介电常数增 强效应，但也伴随较大的介电损耗。他们把这种介电常数增强现缘归因于超晶格中铁 电畴壁可移动性的增强。国内山东大学的b d 。q u t 2 8 】在1 9 9 8 年报道了在多晶的 b a t i 0 3 s r t i 0 3 周期性多层膜发现了弛豫铁电相变行为，认为是多层膜中的尺寸和界 面效应引起的，但没有发现明显的介电常数增强。 总之，现有的研究表明，多层膜是探索新的高介电常数材料的有效手段，同时也 可以拓展人们对于材料介电性质的物理认识。但是到目前为止，介电常数增强现象都 是在单晶基片上生长的外延多层膜或超晶格中发现的，并往往伴随着非常高的介电损 耗。由于在硅基片上沉积薄膜可以与大规模电路工艺相兼容，在硅基片上沉积多品的 铁电多层膜来增强介电常数具有很强的应用背景。但国内外尚没有这方面的报导，所 以高介电常数的多晶钛酸锶钡铁电多层膜值得进一步的研究。铁电多层膜的其同特征 是增加了界面及每单层薄膜厚度的减小，由此产生的界面引起的应变、空间电荷积累 和单层膜厚度的减小引起的尺寸效应和相变行为等因素对薄膜性质的影响不容忽视 竺苎兰堡竺堕塑竺塑型型堕堕塑：! 坌生塑堡丝丝 兰：垦堑堡 灾验和理论研究尚待进一步深入。从物理的角度来看，多品的钛酸锶钡铁电多层膜会 形成怎样的界面层，而界面层的存在又会怎样影响体层内颗粒尺寸和相变行为等，这 些因素的综合又怎样影响薄膜的介电等性质，都是非常有意义的研究内容。从实用的 角度来看t 在硅基片上沉积的铁电多层膜在介电常数增强的同时，如能保持较低的介 电损耗，则具有非常实际的应用前景。 参考文献： 1 方俊鑫，殷之文，电介质物理学，科学出版社2 0 0 0 2 许煜寰，铁电与压电材料，科学出版社，1 9 7 8 3 a v o n h i p p e l ，d i e l e c t r i c sa n dw a v e s ( a r t e c hh o u s e ，l o n d o n ，l9 9 5 ) 4 钟维烈，铁电体物理学，科学出版社，1 9 9 8 5 f 福熹，信息材料，天津出版社，2 0 0 0 6 肖定全，集成铁电学与集成铁电薄膜，物理，2 a ( 1 9 9 4 ) 5 7 7 7 j f s c o t t ，j c h e m p a y s s 0 1 5 7 ( 1 9 9 6 ) 1 4 3 9 8 a i k i n g o n ，e u r c o f p o l a rd i e l e c t r i c s1 9 9 6 9 d l p o l l aa n dl f f r a n c i s ，m a t e r r e v s o c b u l l 2 1 ( 1 9 9 6 ) 5 9 1 0 a r o s e ，p h y s r e v 9 7 ( 1 9 9 5 ) 1 5 3 7 1 1j ，es c o t ta n dt c h e n i n t e g r f e r r o e l e c t r 1 ( 1 9 9 2 ) 7 1 1 2 s m a t h e w s ，rr a m e s h ，tv e n k a t e s a n ，s c i e n c e2 7 6 ( 1 9 9 7 ) 2 3 8 0 什壮多品铁睃锶训钛1 u 多层膜的绌构1 0 介1 u 增证效心第一蒂绪论 1 3 g e m o o r e ti e e ei e d m t e c h d i g ，11 ( 1 9 7 5 ) 1 4 g e m o o r e ，e l e c t r o n i c s3 8 ( 1 9 6 5 ) i1 4 1 5 丁yw i n a r s k i ，i e e ee l e c t r i c a li n s u l a t i o nm a g a z i n e1 7 ( 2 0 0 1 13 4 1 6 施敏，第i 届中国半导体物理学会邀请报告，苏州，2 0 0 1 1 7 i k a n g u s ，j pm a r i a ，s k s t r e i f f e r ，n a t u r e4 0 6 ( 2 0 0 0 11 0 3 2 18 s m a t s u b a r a ，t s a k u m a ，s y a m a m i c h i ，h y a m a g u c h i ，ym i y a s a k a ，m a t e r r e v s o c s y m p p r o c 2 0 0 ( 19 9 0 ) 2 4 3 1 9 s k s t r e i f f e r ，c b a s e r i ，c b p a r k e r ，s e l a s ha n da i k i n g o n ，j a p p l p h y s 8 6 ( 1 9 9 9