射频磁控溅射法制备pzt薄膜工艺与结构性能研究

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1、摘要近年来，铁电薄膜材料的制备、结构、性能和应用已经成为国际上新型材料研究的一个热点。铁电薄膜材料的铁电性质及其在存储器方面的应用，尤其是在非挥发性铁电存储器(FRAM)中的应用，也受到越来越多的关注。锆钛酸铅(Pb(ZrxTil-x)03，PZT)薄膜材料是目前最重要的FRAM用铁电材料之一。本论文针对Pb(Zro．52Tio．4s)03薄膜的制备工艺、退火工艺、微结构以及铁电性能进行了系统的研究。研究了Pt／Ti电极制备工艺对薄膜结构性能的影响，得出了电极制备工艺对薄膜微观结构和铁电性的一些影响规律。采用射频磁控溅射法在4英寸的Pt／T

2、i／Si02／Si基片上制备了PZT薄膜，利用AFM、XRD和铁电性能测试，分析了薄膜制备工艺对薄膜微结构与铁电性能的影响，研究了制备工艺与性能之间的关系。获得了制备PZT薄膜的优化工艺：溅射气氛Ar／02比为45／0．65，溅射气压为0．52--0．54Pa之间，衬底温度为200℃，功率为160w溅射，可获得取向度高、成膜质量好以及电性能优越的薄膜样品。采用快速热处理对PZT薄膜进行晶化，分析研究了晶化工艺对薄膜性能结构的影响，结果表明：退火温度为650℃，保温时间为60s，退火气氛为Ar／02=l：l时，可以获得剩余极化强度3勺>60p

3、．C／em2，漏电流密度为2．54x10-一Amps／cm2，基本满足铁电存储器器件对薄膜材料性能的要求，可在铁电存储器预研项目中得到应用。同时还研究了升温模式对薄膜铁电性能的影响，发现使用优化后的升温模式退火，能大幅度提高薄膜的Pr值。关键词：PZT薄膜，射频磁控溅射，快速热处理(RTP)，电滞回线，漏电流ABSTRACTABSTRACTRecently,thefabrication,stuctures，propertiesandappplicationsofferroelectricfilmsbecometobeaimportantpa

4、rtoftheoriginalmaterialsscienceallovertheworld．Ferroelectricthinfilmhavebeenpaidmoreandmoreattentionforitsniceferroelectricproperty,esspeciallyintheapplicationofFRAM．ThePb(ZrxTil．x)03(PZT)isoneofthemostimportantferroelectricmaterialsnowadays．Inthispaper,thefabricationproce

5、ss，annealprocess，micro-s咖ctureandferroelectricpropertiesofPb(Zr0．52Tio．4s)03thinfilmwel'esystematicallystudiedfromexperimentalaspect．ResearchtheinfluenceofthePt／Tielectrodepreparingtechnologyonthestucturesandpropertiesofthefilm；obtainsomeregularpatternbetweenthefilmprepara

6、tiontechnicsparameterandthefilmstructureandperformance．RFmagnetronsputteringtechnologyhavebeenutilizedtodepositethePZTthinfilmson4-inchPt／Ti／Si02／Sisubstrates．Analysesbytheaidofatomforcemicroscopy(AFM)，X-raydiffraction(XRD)andthePrecisionLCferroelectricmaterialstestsystemt

7、oanalysetheeffctofthedepositiontechnologytothefilmstuctures，andferroelectricperformance，studytherelationshipbetweenthePZTfilmpreparationtechnicsparameterandthefilmcapability．Havegotanoptimalprocessparameter：thesputteringatmosphereAr／02is45／0．65，thedepositionpressureis0．530

8、Pa,substratetemperatureis200。C，sputteringpoweris160w,weCangotafilmwithhighorientation，nic