Abstract
鐵電薄膜的研究中最多且最具開發潛力非記憶體莫屬，其中應用在非揮發性記憶體的鐵電材料，以鉛系列的鈣鈦礦結構Pb(Zr1-xTix)O3 (PZT)，與鉍系列層狀鈣鈦礦結構的SrBi2Ta2O9 (SBT，亦稱為Y1)ヽBi4-xLaxTi3O12(BLT)最受重視。可惜的是，兩大系列的鐵電薄膜各有其應用的瓶頸有待突破，因此，本文針對鐵電薄膜應用於非揮發性記憶體之電性與極化疲勞等問題，提出了新思維，包括(1)開發本質缺陷濃度較低的鐵電薄膜，(2)使用施體添加劑降低鐵電薄膜的缺陷濃度與增加薄膜的價值性，(3)利用人工超晶格的結構以產生具線性鐵電行為之鐵電薄膜。 (Pb1-xBax)ZrO3（PBZ）陶瓷，x=0.2~0.4，具有鐵電性，利用濺鍍法在室溫鍍製PBZ鐵電薄膜並經退火熱處理後，即可得到鈣鈦礦結構的結晶相。PBZ薄膜的介電常數ヽ鐵電性和漏電流等諸多性質，除了受到材料中Pb/Ba比例的影響外，亦受到結晶性和熱處理溫度的影響。Pb/Ba成分比以80/20的靶材鍍製薄膜時，PBZ薄膜具有較高的Pr值與適當的Ec值，分別為Pr=10 μC/cm2、Ec=141 kV/cm，更重要的是，極化疲勞量測至1010 cycle後依然有初始值的80%以上。為了讓PBZ薄膜更具價值而可在較低外加電壓下操作，於薄膜中添加Nb元素的施體添加劑，添加量介於1.1% ~ 1.5%時可以得到較佳的鐵電特性與價值參數。 除了成分改變外，將PZO薄膜與BZO薄膜依序疊置在475℃的LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si基板上而形成具(001)優選指向的對稱型(1:1)或非對稱型(3:1)之PZO/BZO人工超晶格薄膜。人工晶格具有較小的散逸因子，且介電常數隨週期厚度變薄而增加，當達到臨界厚度其值可達到最高，之後將因膜層間相互擴散而逐漸下降。此外，人工超晶格亦具有很好的漏電流特性，約在10-8 A/cm2 ~ 10-9 A/cm2，崩潰電場可達到300 kV/cm以上。 另外，PZO薄膜在室溫是反鐵電相，而BZO薄膜為一順電相，不過鍍製成非對稱型(3:1)人工晶格卻具有鐵電特性，其殘留極化值與矯頑電場對外加電壓呈現線性的關係，並由等效電路模型模擬線性鐵電特性可知，在鐵電層未達到飽和時，極化值與矯頑電場對外加電壓的關係為Pr= 和 ，且不論是介電常數或是鐵電特性都不受溫度增加而改變，最高溫可達至(Pb0.75Ba0.25)ZrO3固溶態的居禮溫度(125℃) 。更重要的是，人工晶格比PBZ薄膜具有更好的保持性，不論是室溫或是100℃，還保留初始值(1s)的85% (2□104 s)以上。