原子层沉积技术制备绝缘层对MFIS结构铁电存储器性能的影响及其机理研究

绝缘层的质量以及铁电层/绝缘层之间的界面状态，直接决定了金属－铁电－绝缘层－半导体（MFIS）结构铁电存储器的性能，如何精确控制超薄绝缘层厚度，同时得到高质量绝缘层，是目前MFIS结构铁电存储器制造的关键技术问题之一。本项目拟利用原子层沉积 (ALD) 技术可制备厚度精确可控的高质量超薄绝缘膜的特点，采用ALD技术制备MFIS结构铁电存储器的绝缘层，通过对薄膜生长过程的优化，获得电学性能优异的MFIS结构制备的最佳工艺参数，为解决MFIS结构铁电存储器制造过程的关键技术问题提供可行的方法。同时，通过对采用不同绝缘层的MFIS结构的电学性能的测量，总结出绝缘层质量以及铁电层/绝缘层界面状态对MFIS结构性能影响的规律，进而探索对MFIS结构电学性能有显著作用的物理过程的内在机理，从而在理论上提出改善MFIS结构电学性能的可行方法，并充实半导体器件物理的相关理论。

与金属-铁电层-金属(MIM)结构铁电电容器相比，金属-铁电层-绝缘层-半导体(MFIS)结构铁电场效应管具有非破坏性读出的优点，本项目采用原子层沉积(ALD)技术生长薄膜均匀性好、保形性高、厚度精确可控的优点，采用ALD技术制备制备MFIS结构中的I层，在探索基于ALD工艺绝缘层的MFIS结构的制备方法的同时，对其结构和性能进行了测试，分析其内在的物理过程，从而为器件研究提供技术支持。本项目的主要研究成果包括：(1) 采用溶胶－凝胶方法在硅衬底上生长的钙钛矿结构铁电材料Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)薄膜存在开裂情况，而铋层结构的(Bi,La)4Ti3O12 (BLT)可以很好的在硅衬底上生长；同时获得了在硅衬底上生长BLT薄膜的优化工艺参数。该结论为硅基铁电薄膜器件的制备提供了一定的技术支持；(2) TiO2绝缘层对BLT铁电薄膜的生长过程具有诱导作用，可以改变BLT的择优取向，该方法可用于调控铋层结构铁电薄膜的生长，从而改善相关器件的性能；(3) 发现在同样的绝缘层厚度下，采用高介电常数材料作为绝缘层介质，可以在较低电压下获得更接近于理论的滞回曲线。这一结论为基于MFIS结构的器件优化提供了参考依据；(4)发现多晶绝缘层中的漏电是引起MFIS结构在高偏压下电学性能变差的主要原因。通过减小绝缘层电流，可以提高MFIS结构的性能。该结论为改善MFIS结构器件的性能提供了可行的途径。