摻鑭(釤)bi_2ti_2o_7薄膜的制備及其性能研究

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1、山東大學(xué)博上學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。論文作者簽名:走丕重婭日期:望墮:圭:墊關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留或向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱;本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本

2、學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。(保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定)論文作者簽名:楹重塑2導(dǎo)師簽名裊盤辦期:山東大學(xué)博士學(xué)位論文摘要隨者微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,半導(dǎo)體器件的特征尺寸按摩爾定律不斷縮小,SiC)2作為MOSFET(meal—oxide—semiconductorfieldeffecttransistor)的柵介質(zhì)材料在幾年之內(nèi)將不能滿足需求,以此為背景應(yīng)用于下一代MOSFET的高介電柵介質(zhì)材料就成為當(dāng)今微電子材料的研究熱點(diǎn)。

3、要取代si02成為MOSFET器件里的柵介質(zhì),High.k材料必須具有與Si02/Si系統(tǒng)相似的性質(zhì),使其與當(dāng)前的半導(dǎo)體工業(yè)兼容。因此,作為候選的Higll—k材料,要滿足以下幾方面的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn):(1)具有高的介電常數(shù)、高的勢壘和能隙;(2)在si上有良好的熱穩(wěn)定性;(3)非晶態(tài)柵介質(zhì)更理想;(4)具有良好的界面質(zhì)量;(5)與Si基柵兼容;(6)處理工藝的兼容性;(7)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性等等。目前,任何一種有望替代Si02的柵介質(zhì)材料都不能完全滿足High—k材料的上述幾點(diǎn)要求,但是,在鈦酸鉍系列中,

4、對(duì)Bi2Ti207這中材料的應(yīng)用前景比較看好。鈦酸鉍系列具有復(fù)雜的組分和結(jié)構(gòu),包括Bi2ThOll,Bi2Ti207,Bi4Ti3012,BisTiOi4和Bil2豇020等。其中對(duì)Bi4rri3012研究的比較多,而對(duì)Bi2Ti207研究的較少,起步較晚。但是有研究證明,Bi2Ti207的多晶薄膜具有較高韻介電常數(shù)和較低的漏電流,是目前研究的高介電常量材料中有望替代MOS(Metal—Oxide.Semiconductor)晶體管中傳統(tǒng)Si02柵絕緣層的材料之一,因此有著廣泛的應(yīng)用前景。Bi2Ti207

5、薄膜適合在動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中作存儲(chǔ)媒體,使記憶單元面積減少,從而實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模集成;此外,它還能用作絕緣柵場效應(yīng)管的柵極材料,以提高絕緣柵場效應(yīng)管的跨導(dǎo),降低開啟電壓,提高耐擊穿特性,減少器件尺寸。最近,它還在鐵電薄膜PZT、PST和Bi4rn3012的制各過程中,被用作緩沖層,以改善薄膜的電學(xué)性質(zhì)。Bi2Ti207材料除了上述優(yōu)點(diǎn)之外,還存在一個(gè)致命的缺點(diǎn),那就是它的不穩(wěn)定性。Bi2Ti207是不穩(wěn)定相,在高溫處理時(shí),容易轉(zhuǎn)變成Bi4Ti301z相。在制各陶瓷的過程中,可通過一定的離子摻雜,以提高Bi2

6、Ti207相的穩(wěn)定性。但是在薄膜制備過程中,我們只見過對(duì)Bi4Ti3012相薄膜進(jìn)行摻雜改性的報(bào)道和研究,對(duì)Bi2Ti207相薄膜的摻雜還未見報(bào)道。由于BhTi20,有著可喜的應(yīng)用價(jià)值。因此有必要對(duì)該材料的溫度穩(wěn)定性和性質(zhì)作進(jìn)一山東大學(xué)博士學(xué)位論文步的研究。為此,我們在BhTi20r中摻雜了部分La(Sm)元素,并對(duì)其化學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。薄膜的制各方法有好多種,如金屬有機(jī)氣相沉積法、溶膠凝膠法、脈沖激光沉積法、金屬有機(jī)分解法、分子束外延法和化學(xué)溶液分解法等等。這些方法都成功應(yīng)用于鐵電薄膜

7、的制各,極大推動(dòng)了鐵電薄膜的應(yīng)用和發(fā)展,使得制作與半導(dǎo)體工藝相兼容的集成鐵電器件成為可能。和其它方法相比,化學(xué)溶液分解法(csD)具有設(shè)備簡單、成本低、均勻性好、化學(xué)計(jì)量比易于控制、原料選擇范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文采用CSD法,在Si[100]襯底上制備了摻鑭(釤)Bi2Ti207薄膜,并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了研究。以下是主要的研究內(nèi)容:我們用CSD法制備了不阿前驅(qū)體溶液濃度的faiosLao.2hTi207薄膜,發(fā)現(xiàn)溶液的濃度對(duì)薄膜的晶化溫度、晶粒尺寸以及薄膜的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)都具有重要影響。前驅(qū)體濃度越大,

8、制各的薄膜中燒綠石相越不穩(wěn)定:0.2mol/L的樣品在800℃條件下,燒綠石相完全轉(zhuǎn)變成鈣鈦礦相:而0.1mol/L樣品中的燒綠石相在850℃退火溫度下還穩(wěn)定存在。因此在制膜過程中,為了得到比較穩(wěn)定的燒綠石結(jié)構(gòu)的薄膜,應(yīng)該選擇一個(gè)比較合適的前驅(qū)體溶液濃度。通過掃描電鏡的觀察,發(fā)現(xiàn)在800℃的退火條件下,使用低濃度的前驅(qū)體溶液制備的薄膜更容易獲得大的晶粒尺寸,其平均晶粒尺寸在150nm左右。研究還發(fā)現(xiàn),前驅(qū)體溶液濃度對(duì)薄膜的漏電

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