铁电薄膜的制备及其在器件中的应用

1、第21卷第2期2002年6月山东科技大学学报(自然科学版)JournalofShandongUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)Vol.212Jun.2002文章编号:1000-2308(2002)02-0014-03,摘要:,。重点介绍了铁电薄膜。指出了目前铁电薄膜及器件设计研究需要重点解决的一些问题。关键词:铁电薄膜;制备;应用;薄膜器件中图分类号:O484.1文献标识码:APreparationofFerroelectricThinFilmsandTheirApplicationsinDevicesZHANGLu2yin,HUX

2、iao2jun(CollegeofEngineering,SUST,Taian271021,China)Keywords:ferroelectricthinfilms;preparation;application;thinfilmdevcices铁电体是具有自发极化,而且自发极化矢量的取向能随外电场的改变而改变方向的材料。这类材料的主要特征是具有铁电性,即电极化强度与外电场之间具有电滞回线的关系。具有铁电性且厚度尺寸为数十纳米到数微米的膜材料叫铁电薄膜,它具有良好的铁电性、压电性、热释电性、电光及非线性光学等特性,可广泛应用于微电子学、光电子学、集成光学和微电子机械系统等领域,成为国际上新型

3、功能材料研究的一个热点。自50年代中期,人们就试图制备铁电薄膜和铁电存储器。由于受当时薄膜工艺技术的限制,铁电存储m左右,完成电畴反转单元的厚度只能薄至100所需要的开关电压高达100V,这与集成电路(IC)的源电压(5V)相差甚远,将使存储单元占据很大的空间,大大降低了存储度。此外,由于铁电材料(即在一个单的疲劳和存储单元间的“干扰脉冲”元寻址时,邻近单元有时也会突然发生开关)等问题,铁电存储器的研究未能深入下去。80年代中期以来,铁电薄膜制备技术出现了一系列突破,发展了多种制备薄膜的方法。如Sol-Gel凝胶法、脉冲激光沉积法(PLD)、金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)等方法,成功地

4、制备出性能优良的铁电薄膜,即使膜厚薄至70nm,仍然具有良好的铁电性,很容易工作在35V的电压下,可以与硅或GaAs电路相集成。因此,铁电薄膜制备工艺技术与IC工艺技术的兼容成为可能,这大大地促进了铁电薄膜的制备与器件应用研究的发展。近年来,在铁电薄膜的基础研究和应用基础研究方面取得一些令人振奋的进展。本文将综合收稿日期:2001-11-06作者简介:张鲁殷(1959-),男,河北唐山人,副教授,从事物理教学与研究工作.第2期张鲁殷等:铁电薄膜的制备及其在器件中的应用15近几年国内外有关铁电薄膜的研究报道,对铁电薄膜材料及器件应用研究的最新进展进行评述,重点介绍铁电薄膜在铁电存储器及热释电红外

5、探测器方面的应用。Gel凝胶法;(2)MOCVD法;(3)PLD法;(4)溅射法。上述制备方法中,每一种都有自身的特点,下面对此作一简要评述。2.1Sol-Gel凝胶法Sol-Gel凝胶法是将金属的醇盐或其他有机1铁电薄膜材料从晶体结构来看,目前研究的铁电薄膜材料有4种:(1)含氧八面体的;(2)含氧键的;(3)含氟八面体的;(4)含其他离子基团的。以开关效应为基础的铁电随机读取存储器(FeRAM)中Pb(,Ti)O3(PZT)PZT问题,究,发现了铋系层状结构的SrBi2Ta2O9(SBT)铁1电薄膜。这类薄膜材料具有良好的抗疲劳特性,用其制作的FeRAM,在1012次重复开关极化后,仍无显

6、著疲劳现象,且具有良好的存储寿命和较低的漏电流。以高容量为主要要求的动态随机存储器(DRAM)常采用高介电常数(r)的铁电薄膜作为电容器的介质材料。选用高介电常数的铁34电薄膜(r高达10-10)作为电容介质,可大大降低平面存储电容的面积,有利于制备超大规模集成(ULSI)和DRAM。目前研究的介质膜有PZTBaTiO3(BT)和(Ba,Sr)TiO3(BST)等。由于工作在铁电相的铅系铁电薄膜(如PZT)具有易疲劳、老化及漏电流大、不稳定等缺点,目前介质膜的研究主要集中在高r的顺电相BST薄膜。在光电子学应用方面,(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT)铁电薄膜是最受关注的材料。由于它具

7、有良好的光学和电学性能,调整其化学组成可以满足电光、弹光及非线性光学等多方面的要求。此外,PLZT还可用于集成光学,是一类很有希望的光波导材料。但PLZT铁电薄膜的化学组成复杂,且性能对组分的变化很敏感,这很不利于薄膜的制备。KTN亦是一类很有希望用于光电子学的薄膜材料。在光学非线性和光折变效应方面,KTN比PLZT更好一些,而且在薄膜制备方面不像PLZT那样要求苛刻。PLZT和KTN均为钙钛矿结构材料。钨青铜结构的SBNSrl-xBax)Nb2O6等铁电晶体是主要的电光材料,这类材料2的薄膜经已有一些报道。随着光电子学的发展,这类铁电薄膜将日益受到人们的重视。盐溶解于同一种溶剂中,经过水解、

8、聚合反应形成溶胶。,经过干燥和,成本低,可与微电子工艺技术相兼容。但这种方法亦有不足之处,如膜的致密性较差,干燥处理过程中薄膜易出现龟裂现象,薄膜结构和生长速率对基片和电极材料很敏感。迄今,利用该方法已制备出PT,PZT,PLZT,BT,ST,BST等多种铁电薄膜。2.2MOCVD法MOCVD法是将反应气体和气化的金属有机物前体溶液通过反应室,经过分解沉积在加热的衬底上形成薄膜。此法主要优点薄膜生长速率快,可制备大面积薄膜,能精确控制薄膜的化学组分和厚度。但这种方法受制于金属有机源(MO)的合成技术,难以找到合适的金属有机源,仅能用于少数几种薄膜的制备。采用此方法已制备出PT,PZT,PLZT

9、,BT及LN等铁电薄膜。2.3PLD法PLD法是80年代发展起来的一种新型薄膜沉积技术。它利用高功率的准分子脉冲激光照射到一定组分比的靶材上,使靶表面的数十纳米厚的物质转变为羽辉状等离子体,沉积到衬底上形成薄膜。这种方法的主要优点是:能源无污染;薄膜成分与靶材完全一致,因而可严格控制;衬度温度较低,可获得外延单晶膜;成膜速率快。但这种方法难以制备大面积均匀性好的薄膜。目前利用PLD方法已制备了PT,PZT,BTO及KTN等铁电薄膜。2.4溅射法2铁电薄膜制备技术目前制备铁电薄膜的方法主要有:(1)Sol-溅射法包括直流溅射、射频磁控溅射和离子束溅射。溅射法的主要优点是工艺比较成熟,沉积温度较低

10、,可获得外延膜。但这种方法设备成本较高,沉积膜速率较慢,组分和结构的均匀性比较难于控制。山东科技大学学报(自然科学版)第21卷163器件应用研究铁电薄膜主要应用于制造各种存储器材、传感器与换能器件以及光电子学器件。本文主要介绍铁电薄膜在铁电存储器及热释电红外探测器方面的应用。3.1铁电存储器铁电薄膜在存储器中的应用有多种不同的形式,所用的材料及其性能有很大的差别,现简要分述如下。(1)FeRAM。化特性,具有高速度、抗辐照性点,并且与IC工艺相兼容,是一种理想的存储器。在计算机、航天航空、军工等领域具有广阔的应用前景。FeRAM是当前铁电薄膜存储器的主要研究和开发方向,世界上许多大的半导体公司

11、对此都十分重视。如美国的Ramtron公司在1995年开发出4-6kbit的并行和串行结构的FeRAM产品。该公司与Symetrix共同组建联合体,并在1998年推出16MbitFeRAM产品,投放市场。(2)DRAM。它是目前计算机中用量最大的半导体存储器,是在集成电路的硅平面工艺基础上发展起来的。为了提高其存储密度,必须采用高密度的平面布图。目前限制DRAM存贮能力的关键因素是存储单元(电容器)的单位面积电荷V存储密度Q,其中d是介质膜厚c(Qc=d等优点,能满足常温下对物体热成像的需要。热释电薄膜相对于热释电体材料,又具有小型轻量、分辨率高、反应快、能与微电子技术相集成的优点,因此,铁电

12、薄膜成为制作高性能薄膜型热释电红外探测器的首选材料。用于热释电红外探测器的铁电薄膜要求自发极化强度(P)的温度变化dP/dT要尽可能高。由于这种器件不需要开关,矫顽场强度(Ec)可以相对高些,r则以102量级,r,而r太低,。PT铁电薄膜1991年,日本三菱公司将铁(FET)的栅极,尝试制作可在室温下工作的CCD红外探测器。在第9届国际铁电学会议上,德国西门子公司等联合研制的薄膜型热释电线列和焦平面列阵受到人们的关注。美国德州仪器公司利用陶瓷薄化技术已制备了280×340单元的热释电红外成像焦平面。随着集成铁电学的发展,利用微电子机械技术制作的具有高分辨率的二维列阵薄膜热释电红外探测

13、器不断涌现出来,它可在室温下实现红外凝视成像及跟踪,从根本上改变目前红外光电子学的面貌。4结束语铁电薄膜的应用前景十分诱人,近年来,人们对铁电薄膜的研究已取得可喜的进展,但铁电薄膜要在实际应用上取得重大突破,还有大量的研究工作要做。这些工作既包括铁电薄膜的基础性研究工作,如疲劳机理、漏电机制、材料中的各种缺陷控制、界面控制及电极材料对铁电性能的影响机理等,也包括铁电薄膜应用基础研究工作,如新材料体系的开发、薄膜制备新技术及器件结构设计与应用的研究。参考文献:Fatigue-freeferroelectriccapactiorswithplatinumelec2trodesJ.Nature,1995,374:627-629.4朱信华,刘治国.铁电薄膜、多层膜及异质结构研究J.物理,1999,(2):58-62.5钟维烈.铁电体物理学M.北京:科学出版社,1998.V是从度,“0”状态到“1”状态电压的改变量)。传统的DRAM采用SiO2/Si3N4或Ta2O5作为电容器介质,目前能达到的最大容量为16Mbit。为提高DRAM的集成度,必须减小平面电容器所占的面积,同时又要保持介质膜的综合电气特性