掺镧钐Bi_2Ti_2O_7薄膜的制备及其性能研究

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1、山东大学博士学位论文掺镧（钐）Bi_2Ti_2O_7薄膜的制备及其性能研究姓名：杨雪娜申请学位级别：博士专业：材料学指导教师：黄柏标20050101山东大学博士学位论文摘要随者微电子技术的飞速发展，半导体器件的特征尺寸按摩尔定律不断缩小，SiC)2作为MOSFET(meal—oxide—semiconductorfieldeffecttransistor)的栅介质材料在几年之内将不能满足需求，以此为背景应用于下一代MOSFET的高介电栅介质材料就成为当今微电子材料的研究热点。要取代si02成为MOSFET器件里的栅

2、介质，High．k材料必须具有与Si02／Si系统相似的性质，使其与当前的半导体工业兼容。因此，作为候选的Higll—k材料，要满足以下几方面的参数标准：(1)具有高的介电常数、高的势垒和能隙；(2)在si上有良好的热稳定性；(3)非晶态栅介质更理想；(4)具有良好的界面质量；(5)与Si基栅兼容；(6)处理工艺的兼容性；(7)具有良好的可靠性和稳定性等等。目前，任何一种有望替代Si02的栅介质材料都不能完全满足High—k材料的上述几点要求，但是，在钛酸铋系列中，对Bi2Ti207这中材料的应用前景比较看好。钛酸

3、铋系列具有复杂的组分和结构，包括Bi2ThOll，Bi2Ti207，Bi4Ti3012，BisTiOi4和Bil2豇020等。其中对Bi4rri3012研究的比较多，而对Bi2Ti207研究的较少，起步较晚。但是有研究证明，Bi2Ti207的多晶薄膜具有较高韵介电常数和较低的漏电流，是目前研究的高介电常量材料中有望替代MOS(Metal—Oxide．Semiconductor)晶体管中传统Si02栅绝缘层的材料之一，因此有着广泛的应用前景。Bi2Ti207薄膜适合在动态随机存取存储器中作存储媒体，使记忆单元面积减少

4、，从而实现超大规模集成；此外，它还能用作绝缘栅场效应管的栅极材料，以提高绝缘栅场效应管的跨导，降低开启电压，提高耐击穿特性，减少器件尺寸。最近，它还在铁电薄膜PZT、PST和Bi4rn3012的制各过程中，被用作缓冲层，以改善薄膜的电学性质。Bi2Ti207材料除了上述优点之外，还存在一个致命的缺点，那就是它的不稳定性。Bi2Ti207是不稳定相，在高温处理时，容易转变成Bi4Ti301z相。在制各陶瓷的过程中，可通过一定的离子掺杂，以提高Bi2Ti207相的稳定性。但是在薄膜制备过程中，我们只见过对Bi4Ti30

5、12相薄膜进行掺杂改性的报道和研究，对Bi2Ti207相薄膜的掺杂还未见报道。由于BhTi20，有着可喜的应用价值。因此有必要对该材料的温度稳定性和性质作进一山东大学博士学位论文步的研究。为此，我们在BhTi20r中掺杂了部分La(Sm)元素，并对其化学稳定性和电学性质进行了详细的研究。薄膜的制各方法有好多种，如金属有机气相沉积法、溶胶凝胶法、脉冲激光沉积法、金属有机分解法、分子束外延法和化学溶液分解法等等。这些方法都成功应用于铁电薄膜的制各，极大推动了铁电薄膜的应用和发展，使得制作与半导体工艺相兼容的集成铁电器件

6、成为可能。和其它方法相比，化学溶液分解法(csD)具有设备简单、成本低、均匀性好、化学计量比易于控制、原料选择范围广等诸多优点。本文采用CSD法，在Si[100]衬底上制备了掺镧(钐)Bi2Ti207薄膜，并对其结构和性质进行了研究。以下是主要的研究内容：我们用CSD法制备了不阿前驱体溶液浓度的faiosLao．2hTi207薄膜，发现溶液的浓度对薄膜的晶化温度、晶粒尺寸以及薄膜的结构和电学性质都具有重要影响。前驱体浓度越大，制各的薄膜中烧绿石相越不稳定：0．2mol／L的样品在800℃条件下，烧绿石相完全转变成钙

7、钛矿相：而0．1mol／L样品中的烧绿石相在850℃退火温度下还稳定存在。因此在制膜过程中，为了得到比较稳定的烧绿石结构的薄膜，应该选择一个比较合适的前驱体溶液浓度。通过扫描电镜的观察，发现在800℃的退火条件下，使用低浓度的前驱体溶液制备的薄膜更容易获得大的晶粒尺寸，其平均晶粒尺寸在150nm左右。研究还发现，前驱体溶液浓度对薄膜的漏电流、介电常数也有影响。在相同条件下，高浓度的前驱体溶液制各的薄膜漏电流大，介电常数小。在800。C条件下，用o．1,not／L的前驱体溶液制各的薄膜，测得的漏电流为O．21×10-

8、10A(所加电压为2V)，介电常数为136(所加电压为-4V)；在同样条件下，用0．2mol／L的前驱体溶液制备的薄膜其漏电流为0．82×10-10A，介电常数为88。因此用低浓度溶液制备的薄膜，具有良好的绝缘性和较高的介电常数，适合在动态随机存取存储器中作存储媒体。在前驱体溶液浓度一致的条件下，用CSD法制备了不同镧掺杂含量的(Bil。LaI)2Ti207