用于硅基铁电电容器集成的Ni-Ti、Ni-Al阻挡层研究

论文摘要

采用磁控溅射法（magnetron sputtering）,室温下在Si（001）基片上制备了可用于铁电存储器集成的导电阻挡层Ni-Ti、Ni-Al以及电极La0.5Sr0.5CoO3薄膜,采用溶胶-凝胶法（Sol-Gel）制备了Pb（Zr0.4Ti0.6）O3铁电薄膜,构造了La0.5Sr0.5CoO3/Pb（Zr0.4Ti0.6）O3/ La0.5Sr0.5CoO3/Ni-Ti/Si （LSCO/PZT/LSCO/Ni-Ti/Si）和La0.5Sr0.5CoO3/Pb（Zr0.4Ti0.6）O3/La0.5-Sr0.5CoO3/Ni-Al/Si （LSCO/PZT/LSCO/Ni-Al/Si）硅基铁电电容器异质结。利用X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）、铁电测试仪（Precision LC unit）研究了薄膜样品的微观结构、表面形貌、不同层间的界面以及电容器的铁电性能。研究发现,低功率制备的非晶Ni-Ti薄膜可以作为导电阻挡层实现硅基铁电电容器的集成。微观结构研究发现Pb（Zr0.4Ti0.6）O3/La0.5Sr0.5CoO3/Ni-Ti/Si异质结界面之间没有反应或互扩散,Ni-Ti薄膜中的Ni在经历退火后仍然是金属态,具有良好的输运性质,说明界面之间形成了良好的欧姆接触。铁电电容器具有良好的铁电性能,测量电压为5V时，剩余极化强度（Pr）为27.9μC/cm2,矫顽电压（V。）为1.28V,抗疲劳特性及保持特性均良好,说明了非晶Ni-Ti薄膜是一种新型廉价的优良阻挡层材料。研究了沉积功率对Ni-Ti薄膜的结构和性能的影响,实验发现沉积功率、结晶状态和抗氧化性存在非常密切的关系。沉积功率的大小尽管并不影响Ni-Ti薄膜的结晶状态（Ni-Ti薄膜均为非晶态）,但是沉积功率直接影响Ni-Ti薄膜的抗氧化能力,低功率下制备的非晶Ni-Ti薄膜表现出了优良的抗氧化性能,而高功率制备的Ni-Ti薄膜起不到阻挡层的效果。研究发现沉积功率对阻挡层材料Ni-Al薄膜的结晶状态有很大影响,在高功率下Ni-Al薄膜为多晶态,在低功率下为非晶态。不同结晶状态的Ni-Al薄膜的抗氧化能力不同,非晶Ni-Al薄膜表现出了优良的抗氧化性能,可以用作硅基铁电存储器集成的导电阻挡层。多晶Ni-Al薄膜由于内部存在晶界,其抗氧化性较差,不能用作硅基铁电存储器集成的导电阻挡层。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 铁电材料的物性和结构
• 1.2 铁电材料的研究历史
• 1.3 铁电存储器与导电扩散阻挡层的研究进展
• 1.4 本论文的主要内容及其意义
• 第2章 薄膜材料的制备技术和检测手段
• 2.1 铁电薄膜材料的制备技术
• 2.1.1 磁控溅射镀膜法
• 2.1.2 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）
• 2.2 薄膜材料的检测方法
• 2.2.1 X射线衍射（XRD）
• 2.2.2 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.3 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.2.3.1 X射线激发源
• 2.2.3.2 XPS的采样深度
• 第3章 超薄Ni-Ti薄膜导电阻挡层的性能研究
• 3.1 实验过程
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.3 小结
• 第4章 Ni-Ti薄膜的沉积功率对导电阻挡层性能影响研究
• 4.1 实验过程
• 4.2 实验结果与分析
• 4.3 结论
• 第5章 不同晶态的Ni-Al薄膜对导电阻挡层性能的影响研究
• 5.1 实验过程
• 5.2 实验结果和分析
• 5.3 结论
• 结束语
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢