几种新型薄膜材料及应用.ppt

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1、第五章几种新型薄膜材料及应用5.1铁电薄膜材料及其应用5.1.1铁电材料的研究发展铁电体是一类具有自发极化的介电晶体，且其极化方向可以因外电场方向反向而反向。存在自发极化是铁电晶体的根本性质，它来源于晶体的晶胞中存在的不重合的正负电荷所形成的电偶极矩。具有铁电性，且厚度在数十纳米至时微米的薄膜材料，叫铁电薄膜。图5-1铁电体电滞回线示意图铁电体的基本性质就是铁电体的极化方向随外电场方向反向而反向。极化强度与外电场的关系曲线如图5-1所示，此曲线即电滞回线（hysteresisloop）。图中PsA是饱和极化强度，Pr是剩余极化强度，EC是矫顽场。由于晶体结构与温度有密切的关

2、系，所以铁电性通常只存在于一定的温度范围内。当温度超过某一特定的值时，晶体由铁电(ferroelectric)相转变为顺电（paraelectric）相，即发生铁电相变，自发极化消失，没有铁电性。这一特定温度Tc称为居里温度或居里点(CurieTemperature)。在居里点附近铁电体的介电性质、弹性性质、光学性质和热学性质等，都要出现反常现象，即具有临界特性。在Tc时，介电系数、压电系数、弹性柔顺系数、比热和线性电光系数急剧增大。例如：大多数铁电晶体，在Tc时介电常数可达104～105，这种现象称为铁电体在临界温度附近的“介电反常”。当温度高于Tc时，介电系数与温度的关

3、系服从居里－外斯定律(Curie-WeissLaw)：式中，c为居里常数(Curieconstant)，T为绝对温度，To为顺电居里温度，或称为居里-外斯温度，它是使时的温度。对于二级相变铁电体，T0＝Tc，对于一级相变铁电体To

4、好化学计量比控制较好好很好很好退火温度低较低较低较高掺杂难度困难一般容易容易厚度控制容易容易容易困难重复性一般较好好好沉积外延膜好好好一般工艺开发要求一般一般较高一般设备耗资较大较大一般较少扩大规模的难度和成本较高一般较少较少表5-1铁电薄膜四种主要制备技术的对比5.2电介质薄膜及应用5.2.1概述通常人们将电阻率大于1010Ω·cm的材料称为“绝缘体”，并且简单地认为电介质就是绝缘体，其实这是不确切的。严格地说，绝缘体是指能够承受较强电场的电介质材料，而电介质材料除了绝缘特性外，主要是指在较弱电场下具有极化能力并能在其中长期存在（电场下）的一种物质。与金属不同，电介质材料

5、内部没有电子的共有化，从而不存在自由电子，只存在束缚电荷，通过极化过程来传递和记录电子信息，与此同时伴随着各种特征的能量损耗过程。因此，电介质能够以感应而并非传导的方式来传递电磁场信息。电介质的基本特征是，在外电场的作用下，电介质中要出现电极化，即将原来不带电的电介质置于外电场中，在其内部和表面上将会感生出一定的电荷。本节主要介绍用于混合集成电路、半导体集成电路及薄膜元器件中的介质薄膜的制作、性质及应用5.2.2氧化物电介质薄膜的制备及应用1、氧化物电介质薄膜的制备氧化物介质薄膜在集成电路和其它薄膜器件中有广泛的应用，例如SiO2薄膜的生长对超大规模集成电路平面工艺的发展有

6、过重要的贡献。SiO2薄膜是MOS器件的重要组成部分，它在超大规模集成电路多层布线中是隔离器件的绝缘层，并且能阻挡杂质向硅单晶的扩散。二氧化硅可见光区折射率1.46，透明区域从0.18～8mm。SiO2薄膜的生长经常采用硅单晶表层氧化的方法，这种方法是一种反应扩散过程。硅的热氧化有干氧和湿氧之分。前者利用干燥的氧气，后者利用水汽或带有水汽的氧气。1050℃下O2，H2O，H2在SiO2中的扩散系数分别为D(O2)=2.82×10-14cm2s-1、D(H2O)=9.5×10-10cm2s-1、D(H2)=2.2×10-8cm2s-1。H2O在SiO2薄膜中的溶解度还比

7、氧气大几百倍，从而使前者的浓度梯度大得多。由此可见，湿法氧化比干氧氧化要快的多，相应的湿法氧化温度可以低一些。Si3N4薄膜和SiO2薄膜类似，它也可以在集成电路中起钝化作用。它还是MNOS型（N为氮化物）非易失存储器的组成部分。Si3N4薄膜的最成熟的制备方法是CVD方法，例如用硅烷和氨热分解形成Si3N4薄膜。2、氧化物电介质薄膜的应用（1）用作电容器介质在薄膜混合集成电路中，用作薄膜电容器介质的主要有SiO、SiO2、Ta2O5以及Ta2O5-SiO(SiO2)复合薄膜等。一般情况下，若薄膜电容器的电容在10