钛酸锶钡、钛酸锶铌与多层铁电存储器的研究

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1、摘要本文包括钛酸锶钡、钛酸锶铌及铁电存储器的研究。分别评述了钛酸锶钡介电材料、钛酸锶铌陶瓷材料及铁电存储器的研究现状；并成功地设计了钛酸锶钡薄膜介电材料、钛酸锶铌陶瓷变阻器的制备工艺，以及多层铁电薄膜存储器；通过对材料的晶相结构测试分析以及电特性的研究，探讨了钛酸锶钡薄膜介电材料的高频及DRAM介质应用、钛酸锶铌陶瓷材料作为多功能器件的应用及铁电存储器的物理问题。主要内容如下：1）通过选择合适配比钛源溶剂及金属离子溶剂，建立了简单有机溶剂体系的“水基”溶胶凝胶法，提高了多成份溶胶对水的兼容性，适合于BST薄膜

2、制备过程中进行多种离子掺杂，制备了掺杂Mn的BST铁电薄膜，薄膜结晶良好，表面致密。研究发现Mn掺杂对BST薄膜2的漏电流和介电特性有较大的改善，漏电流密度达到0.1nA/cm，介电常数达到800以上，而介电损耗仅为0.01~0.03，对于300nm的薄膜材料，这是已有文献中最好的数据。2）采用多种氧化物掺杂，制备了钛酸锶铌基变阻器陶瓷，其介电性能测试与公开文献相5比，性能均优异，特别是V1mA最低（2V/mm），α很大（8~13），εeff大一个数量级以上（10），tgδ小一个数量级（1%），综合指标处于国

3、际领先。4）新型铁电存储器研究。本文分析了Au/BIT/p-Si(100)，Au/PZT/BIT/p-Si(100)和Au/BIT/PZT/BIT/p-Si(100)三种结构铁电薄膜的存储器物理，系统地研究了多层铁电薄膜存储器电性能的本质问题，得出了以下的物理效应和规律：-102（1）漏电流效应。三种铁电薄膜结构的漏电流都很小，达到了10A/cm，满足铁电存储器的要求。（2）内建电场。计算了内建电压，对靠近界面的能带弯曲产生影响，可导致能带的不对称性，并引起不对称的整流效应、刻印失败和退极化；（3）电容效应。

4、为了使C-t曲线的斜率不下降，退极化场Edep必须小于矫顽场，即∆Vb必须低于Vc。以上三点证明了三层结构Au/BIT/PZT/BIT/p-Si(100)的不对称性、失效与退极化，电容降斜率都是最小的，而剩余电荷最多，并有最大的存储窗口，是新型存储器的最佳而且唯一的选择。（4）频率效应。在高频时，随着频率的增加，在铁电层表面邻近的耗尽层宽度增大，使得界面电位降和内建电压差增大，形成了多层结构铁电薄膜的工作频率的上限，根据拟合公式外推的上限工作频率为46MHz。（5）VT与VC关系式。根据MFS多层电容器的特性

5、，设计并制造了一个新型MFS结构的多层铁电存储器Au/BIT/PZT/BIT/p-Si(100)，该存储器具有I-V回线特征，并得到了晶粒边界势垒高度与矫顽场的关系，进而得到了转变电压与矫顽场的关系。这个关系诱导着I-V回线与P-V回线对应的关系，并用来区别以I-V回线操作的新的铁电存储器的逻辑“1”和“0”状态。这些关系是非挥发存储器进行非破坏读出的条件。转变电压VT和矫顽电压Vc之间存在线性关系；只要P-V回线的Vc确定，对应的VT一定存在。VT是Ec，和Ps的函数，这是铁电存储器的理论基础。这些关系是I

6、-V回线与P-V回线的匹配条件，可以实现“1”和“0”的读出。（6）演示出存储器的存储波形。以上这些效应是互相关联的，并由此可能解释更多的铁电材料与铁电器件的特殊现象。关键词：掺锰钛酸锶钡薄膜钛酸锶铌变阻器多层铁电存储器（FeRAM）内建电压存储窗口保持特性疲劳退极化AbstractThisdissertationincludesthreepartsofthestudies:BSTO,Nb-STOandFeRAM.ReviewsofthepreperationandcharacterizationofBSTO

7、thinfilms,Nb-STOceramicvaristor,andmultilayerferroelectricthinfilmsaregiven.TheapplicationsofBSTOonDRAMsandMMICs,Nb-STOonmulti-functionaldevices,andphysicsoftheferroelectricmultilayerstructurearediscussed.Themaincontentsareasfollows:1)ThinMndoped-BSTfilmsha

8、vebeendevelopedbasedonasol-gelmethodwithanaqueousacetatesol-gelmethod.TheI-Vpropertiesanddielectricpropertiesshowthattheleakagecurrents2were0.1nA/cm,dielectriclossesofMn(II)dopedBSTfilmswere0.01~0.03,a