《钛酸铋低维材料的制备及性能研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钛酸铋低维材料的制备及性能研究（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、山东大学硕士学位论文中文摘要随着微电子技术的飞速发展，半导体器件的特征尺寸不断减小，S i 0 2 作为M O S F E T ( m e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 的栅介质材料在几年之内将不能满足需求，故满足此条件的高介质材料的研制就成为当今微电子材料的研究热点。在众多的候选材料中，钛酸铋体系中的B i 2 T i 2 0 7 是其中一种有望替代S i 0 2 的栅介质材料。在钛酸铋体系中，对B i 2 T i 2 1 0 7 的研究较少，起步较晚。
2、但是B i 2 T i 2 0 7 的多晶薄膜具有较高的介电常数和较低的漏电流，有着广泛的应用前景。由于B i 2 T i 2 0 7 具有较高的介电常数和很好的绝缘性，适合作动态随机存储器的存储媒体，使记忆单元面积减小，提高集成密度；B i 2 T i 2 0 7 作为绝缘栅场效应管的栅极材料，可以提供场效应管的跨导，降低开关电压；并且在制备P Z T 等薄膜中被用作缓冲层可以改善薄膜的电学性质但是B i 2 T i 2 0 7 的致命弱点就是它的不稳定性，在高温时极易转变为B i 4 T i 3 0 1 2 0 在B i 2 n 2 0 7 陶瓷的制备中可以通过一定的离子掺杂来提高B i
3、2 T i 2 0 7 相的稳定性，在薄膜的制备中我们也看到了镧离子掺杂的可喜现象。为了利用我国丰富的稀土资源，我们希望在B i 2 T i 2 0 7 薄膜中通过掺杂其它镧系元素，来进一步改善薄膜的稳定性并提高其电学性能。我们采用M O S D + s p i n - c o a t i n g 的方法，在不同衬底上制备了掺杂钐离子的B i 2 T i 2 0 7 薄膜和微晶，并对其结构和性质进行了研究，主要内容为：在第三章中，我们首先在硅衬底上制备了不同钐含量的( 8 i l x S m 。) 2 T i 2 0 7系列薄膜。发现不同掺杂离子浓度对B i 2 T i 2 0 7 薄膜的结晶
4、度，表面形貌及电学性质均有较大的影响。综合考虑，我们认为掺杂钐浓度为0 1 时的薄膜具有较好的性能。然后我们在钐浓度为0 1 的条件下研究了溶液浓度对薄膜性能的影响，发现溶液浓度对薄膜的电学性能影响更复杂。综合所有因素，我们认为溶液浓度为0 1 ，钐离子掺杂浓度为x = 0 1 的薄膜性能最为优越。在第四章中我们详细的对溶液浓度为0 1 ，掺杂浓度x = 0 1 的薄膜进行了研究，这也是本文的重点。我们对不同衬底上的薄膜做了比较。X R D 的研究表明我们在两种衬底上制备的B S T O ( O 1 ) 薄膜均在6 0 0 0 C 退火l O 分钟后结晶性良好，为多晶膜。并且我们制备的B S
5、T O ( 0 1 ) 薄膜比未掺杂的薄膜的稳定性提高1 V山东大学硕士学位论文很多，并且比掺镧元素的薄膜的稳定性也有很大提高，一方面是因为电荷补偿的原因，另一方面是由于钐离子半径要比镧离子半径更接近于铋离子半径( B i 3 + ( 0 9 3 ) ，电阻率是8 1 3 f l c m ，厚度为3 6 0 - a ：1 0 p m ，直径护1 5 i n c h 3 2 钐浓度对掺钐B i 2 T i z 0 7 薄膜的影响3 2 1 实验过程我们选用分析纯的硝酸铋、氧化钐和钛酸四丁脂为起始原料按n ( B i l x + S m x ) n ( T i 产l ：l 的配比，配置过程如第二章
6、所示，所得溶液的浓度均为O I M L 用孔径为0 2 p m 的注射式过滤器除去悬浮物质和杂质，就可得到不同掺钐浓度的黄色纯净透明的( B i l x S m 。) 2 T i 2 0 7 前驱体溶液为x = O ，1 ，x = O 2 ，x = O 3 ，x = O 4 ，可在室温干燥的条件下保存数月。所制备薄膜的过程在前一章已经有了详细的论述，在这里我们就不再叙述。我们用R i g a k uD M A X - y A 型转靶x 射线衍射仪( X R D ) 研究了薄膜的结构和结晶性，用D i g i t a lI n s t r u m e n t sI n c o r p o r a
7、 t i o n 公司生产的N a n o s c o p el l I a 型多模式山东大学硕士学位论文原子力显微镜观察了薄膜的形貌。用H P 4 1 4 0 BP A 皮安测试仪检测薄膜的绝缘性质，用L F 阻抗分析仪H P 4 1 9 2 A 测试薄膜的介电性质。3 2 1 1 薄膜的结晶性和表面形貌图3 1 ( B i I 。S m 。) 2 T i 2 0 7 系列薄膜在6 0 0 0 C 左右退火1 0 r a i n 的X R D 谱图图3 - l 给出了( B “x S m 。) 2 T i 2 0 7 ( x = O 1 ，0 2 ，0 3 ，0 4 ) 系列不同组分薄膜在6
8、 0 0 0 c左右退火1 0 m i n 的X - 射线衍射图。从图中可以看出，( B i l 。S m 。) 2 T i 2 0 7 系列薄膜与立方烧绿石结构B i 2 T i 2 0 7 的J C P D S 卡片具有相同的衍射峰。但是，在相同的退火温度和退火时间下，随着钐含量的增加，薄膜的衍射峰强度有所下降，而且当x = 0 4 时，( 6 2 2 ) 等衍射峰几乎消失了。这是因为S m 的原子半径要大于B i的原子半径( S m 和B i 的原子半径分别为1 8 0 A 和1 7 0 A ) 。S m 进入晶格要比B i困难。因此随着S m 掺杂量的增加，在相同的退火条件下，薄膜的结
9、晶性能随着掺杂浓度的提高有所下降【5 1 ，即较高的钐离了掺杂量会抑止2 2 相B i 2 T i 2 0 7 的形成【6 1 。但是总的( B i l - x S m 。) 2 T i 2 0 7 退火温度要比B i 2 T i 2 0 7 提高T 1 7 1 ，并且我们制备的掺钐的薄膜也比掺镧的稳定性有所提高【8 l 。这是因为S m O 键的键长( 2 3 2 3 A ) 比L a O 键的键长( 2 4 1 0 A ) 短，键能要大。1n一宣c暑量山东大学硕士学位论文图3 2 ( B i l 。S m 。h T i 2 0 7 系列薄膜在6 0 0 。C 左右退火1 0 m i n 的
10、A F M 山东大学硕士学位论文图3 2 为( B i l 。S m 。) 2 T i 2 0 7 系列薄膜在6 0 0 0 C 左右退火1 0 r a i n 的二维和三维原予力图。从图中可以看出，随着掺杂钐浓度的不断增加，薄膜表面晶粒的尺寸逐渐减小，其高度差也随之变小，结晶度随之变差。在x = 0 1 ，O 2 和0 3 时的表面形貌较清晰，但x = 0 2 时的晶粒不是很均匀，x = 0 3 时的颗粒度较小；x = 0 4时的表面形貌不是很清晰，并且晶粒取向度较差。薄膜掺杂的不均匀性是造成薄膜表面晶粒分布不均匀的主要原因。因此，均匀性掺杂钐是制各高质量的掺钐钛酸铋薄膜的必要条件 6 1
11、。3 2 1 2 薄膜的电流电压特性分析在对薄膜样品进行电学性能测试时，需要制备出金属薄膜，半导体金属( M F S M ) 结构，具体制备过程在前面也已经有详细的介绍。图3 3 ( B i I x S m 、) 2 耶2 0 7 系列薄膜的漏电流随x 值不同而变化的图图3 - 3 是( B i l - x S m 。) 2 T i 2 0 7 薄膜在2 V 电压下，随X 值增大时的漏电流( l O 母A )的变化曲线。首先，我们从图中可以看出，S m 的取代降低了薄膜的漏电流，提高了它的绝缘性，我们认为这应该是S m 离了的加入补偿了薄膜中的缺陷，降低了薄膜内载流子的浓度，所以减小了漏电流。
12、同时我们还可以看出，在相同的条件下，随x 值的增加，漏电流先减小后增大，这是电荷补偿的原因。因为B i 2 T i 2 0 7 相是不稳定相，B P 离了做热剧烈运动，易挥发，导致其周围的0 2 。离予不稳定。通过掺杂一定量的S m ”离子来代替部分的B j 3 + 离予，可以提供多山东大学硕士学位论文余的电子来补偿因铋缺位而形成的空穴，从而使材料的漏电流降低1 9 1 。但是x值太大对，正如上面所述S m 进入晶格比B i 困难使材料结晶性交差，导致材料的结构不致密，从而导致漏电流增大。3 2 1 3 薄膜的介电常数、损耗因子与频率的关系表1 不同X 值的( B i h S m 。) 2 X
13、 i 2 0 7 系列薄膜的介电常数和介电损耗x 值0O 0 50 1O 2O 30 4e3 6 7 01 5 I 5 72 0 4 5 01 4 1 5 01 0 0 7 07 I 9 0t a n s0 8 8 30 2 4 7O 0 7 lO 2 3 l0 ，0 3 20 1 4 8表l 是不同x 值的( B i l 。S m 。) 2 T j 2 0 7 系列薄膜的介电常数和损耗因子。采用H P 4 1 9 2 A 型阻抗仪测试了该薄膜的C - 瞒性。对于M F S M 结构，在积累区，电荷都聚集在薄膜的两侧，这就相当于电压只加在薄膜上，因此可从积累态的电容获得薄膜的介电常数。在频率为
14、1 0 0 k H z ，电平电压为0 0 3 V 的条件下，测出积累态的电容C 。代入公式e - = d x C 0 x S式中：为薄膜的介电常数；0 为真空介电常数；龌薄膜的厚度；c 。是所测积累态的电容值；s 是样品的电极面积。由该式可以计算出薄膜的介电常数如表中所示。从表中可以看出，介电常数随x 值变化的趋势是先增大再降低，x = 0 1 时介电常数存在最大值，而损耗因子是在x = 0 3 时存在最小值。但总的性能均优于纯的B i 2 T i ：0 7 薄膜。3 2 2 实验结论从以上实验中我们可以得出结论：不同掺杂离子浓度对B i ：T 2 0 ，薄膜的结晶度，表面形貌及电学性质均有
15、较大的影响。因此，为制备性质较好的B i 2 T i 2 0 7薄膜，需对离子的掺杂浓度做细致的分析。综合所有因素考虑，我们认为掺杂钐浓度为0 1 时的薄膜具有较好的性能。因此，我们就采用x = 0 1 时的钐浓度来研究前驱体溶液浓度对薄膜的影响。山东大学硕士学位论文3 3 前驱体溶液浓度对薄膜的影响3 3 1 实验过程前驱体溶液的配置过程前面已有详细的表述。为简便起见，我们将x = O 1 ，浓度为0 0 5 t o o l L “前驱体溶液称为l # 号液x = 0 1 ，浓度为0 I t o o l L 1 前驱体溶液称为2 撑号液x = 0 1 ，浓度为0 2 m o l L J 前驱
16、体溶液称为3 # 号液x - - - - 0 ，浓度为0 1 t o o l L 4 前驱体溶液称为错号液3 3 2 分析测试3 3 2 1 薄膜的结昌性和表面形貌图3 4 不同浓度B S T O ( 0 I ) 薄膜在6 0 0 。C 退火1 0 r a i n 的X R D图3 - 4 是不同浓度B S T O ( 0 1 ) 薄膜在6 0 0 0 C 退火l O m i n 的x R D 图谱。从图中可以看出，2 # 和3 # 溶液均出现了与烧绿石结构相同的衍射峰，并且3 # 溶液要比2 # 溶液的衍射峰强一些；而l # 溶液的X R D 图谱中出现了与烧绿石结构有所不同的其他衍射杂峰，如图中2 0 = 2 2 。时的峰即为4 3 相钛酸铋的衍射峰，说明在1 # 溶液浓度的制备过程中所制备薄膜的烧绿石相不稳定，这
