应用于存储器的PZT铁电薄膜疲劳失效机理研究

发布时间：2017-07-18 06:06

  本文关键词：应用于存储器的PZT铁电薄膜疲劳失效机理研究

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【摘要】：铁电随机存储器(FRAM)因其具有诸多的优点而成为备受瞩目的下一代新型存储器之一,但是由于其自身存在的疲劳、极化保持损失、印记等失效问题大大制约了其发展和商业化应用。其中尤其是疲劳失效和薄膜内部存在氧空位缺陷密切相关。本文对疲劳进程中铁电薄膜表现出的疲劳现象进行研究,对疲劳失效机理进行理解和分析,并提出可提高铁电存储器的抗疲劳性的可行性方案。(1)在基于XRD光谱测试的传统应力测试方法上提出了一种新的应力测试方法。其创新之处是并不需要通过倾斜X射线入射角以测得同一晶面在不同倾斜角下的面间距。通过与传统方法测试结果的比较,新方法的可靠性得到了证实。同时对PZT铁电薄膜内部应力进行了评估,发现在疲劳进程的前10秒矫顽电压的变化趋势一致且不受疲劳波形影响。分析表明这是由于薄膜内部存在的应力得到释放导致的,并且在薄膜应力完全释放的理想状态下,矫顽电压值为0.6V。(2)对不同电压范围下的漏电流进行分析,得到小电压下的漏电流为欧姆导电机制,其是由载流子在外加电场作用下漂移导致的,并发现小电压下漏电流随着疲劳圈数的增加而增加,说明在疲劳进程中氧空位浓度增加。(3)外加不对称或是频率不同的疲劳波形将薄膜剩余极化和矫顽场在疲劳进程中发生变化,分析得到不对称程度较高或是低频率的疲劳波形导致剩余极化下降更快,这是由于薄膜内部氧空位产生速率更高导致的。当使用不对称的外加波形对样品进行疲劳时,氧空位会在外加电场作用下朝界面处漂移,导致薄膜内部的氧空位在上下界面处堆积的浓度存在差异,具体表现为正负剩余极化和矫顽电压各自间大小不同,同时这种浓度上的差异将导致正负剩余极化各自的极化保持能力的不同。疲劳进程中,氧空位在界面处浓度的增多导致退极化场的增大,进而导致极化保持性能随疲劳圈数的增加而减弱。(4)通过对疲劳作用导致薄膜热效应的分析,提出可以通过增加器件散热来提高铁电存储器抗疲劳性的可行性方案。
【关键词】：铁电存储器 铁电薄膜 疲劳失效 氧空位 漏电流
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 铁电材料的概述9-11
• 1.2 铁电存储器11-13
• 1.3 铁电薄膜的失效机制13-16
• 1.3.1 极化疲劳失效13-14
• 1.3.2 保持损失失效14-15
• 1.3.3 印记失效15-16
• 1.4 本课题的选题依据和主要研究内容16-17
• 第2章 铁电薄膜电学性能的介绍17-33
• 2.1 实验样品和测试仪器的介绍17-18
• 2.2 电滞回线测试18-21
• 2.2.1 不同外加电压对电滞回线的影响19-21
• 2.2.2 外加极化波形频率对矫顽场的影响21
• 2.3 PUND测试21-23
• 2.4 漏电流测试23-26
• 2.4.1 欧姆导电机制23-24
• 2.4.2 肖特基导电机制24-25
• 2.4.3 其他导电机制25-26
• 2.5 极化保持特性测试26-30
• 2.5.1 不同极化强度的极化保持特性比较28-29
• 2.5.2 不同极化取向的极化保持特性比较29-30
• 2.6 电容电压特性（C-V）曲线测试30-31
• 2.7 本章小结31-33
• 第3章 铁电薄膜内部应力的评估33-41
• 3.1 薄膜应力的传统X射线衍射测试方法33-35
• 3.1.1 XRD测试基本原理33-34
• 3.1.2 XRD测试薄膜内部应力的传统sin~2Ψ 方法34-35
• 3.2 薄膜应力的新型测试方法35-38
• 3.3 铁电薄膜内部应力的分析38-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第4章 铁电薄膜疲劳失效的研究41-57
• 4.1 铁电薄膜疲劳机制的研究现状41-42
• 4.2 疲劳现象的测试42
• 4.3 疲劳特性对漏电流的影响42-44
• 4.3.1 疲劳特性对体电导率的影响43-44
• 4.4 疲劳特性对电滞回线的影响44-50
• 4.4.1 对称疲劳波形下电滞回线的变化44-46
• 4.4.2 不对称疲劳波形下电滞回线的变化46-48
• 4.4.3 氧空位的产生原理48-49
• 4.4.4 氧空位漂移速率及迁移率的拟合49-50
• 4.5 疲劳特性对保持特性的影响50-51
• 4.6 疲劳特性对CV特性的影响51-52
• 4.7 铁电存储器疲劳过程中的热效应52-55
• 4.8 本章小结55-57
• 结论57-59
• 参考文献59-63
• 攻读学位期间发表的学术论文63-65
• 致谢65

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本文编号：556289