氧化铪基铁电栅结构制备及多重退火对其电学性能的影响研究

发布时间：2020-03-20 19:57

【摘要】：铁电薄膜是铁电存储器的存储介质,高性能的铁电存储器要求铁电薄膜具有较大剩余极化、薄的膜厚、低漏电流、抗辐射性能强等优点。由于常用钙钛矿结构铁电薄膜如PbZr_(1-x)Ti_xO_3(PZT)和SrBi_2Ta_2O_9(SBT)只有在较厚的物理尺度才有好的铁电性能,目前铁电存储器产品都采用电容式结构,限制了其向高存储容量方向的发展。以基于氧化铪基铁电薄膜的铁电场效应晶体管型铁电存储器是高存储容量铁电存储器发展的重要方向。本文以氧化铪基铁电场效应晶体管的栅结构为研究对象,主要的研究内容如下:(1)利用原子层沉积(ALD)制备了TiN/Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2/HfO_2/Si的金属/铁电/绝缘层/半导体(MFIS)铁电栅结构,扫描电镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)表征结果显示所制备出的铁电栅结构完整,界面清晰。对制备的栅结构进行电学性能测试的结果表明极化特性受电压、频率和电极面积影响较大。选用电极半径为100μm的铁电栅作为实验样品,在电压为11 V,频率为1 kHz的测试条件下,剩余极化值2P_r为32.4μC/cm~2,矫顽电场2E_c为5.035 MV/cm,电滞回线达到较好的饱和状态且矩形度较好。漏电流密度较低,保持特性良好,但是抗疲劳特性较差。(2)研究了热处理条件和环境温度对铁电栅性能的影响,发现在300°C~500°C退火温度区间,极化特性、漏电流特性和抗疲劳特性都随着退火温度的升高而改善,但当温度超过500°C后,性能降低但保持特性受温度影响较小,表明最优的退火温度约为500°C。温稳性研究发现制备的铁电栅在环境温度超过75°C后,栅结构的性能受环境温度的影响开始加大,性能逐渐退化甚至失效。(3)根据铁电晶体管型存储器研制工艺流程中高温工艺步骤多的特点,本文研究了多重温度退火对铁电栅结构电学性能影响。研究发现经连续3次退火处理后极化特性和漏电流特性略有降低,保持特性处于良好的状态,抗疲劳特性从最初的10~6次提高了三个数量级。在栅注入条件下,样品经多温处理后的漏电流机理分别为低电场下的欧姆电导机理、中电场下的Schottky Emission(S-E)发射机理和高电场下的Fowler-Nordheim Tunneling(F-N)隧穿机理。实验结果表明,基于氧化铪的MFIS铁电晶体管栅结构与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺具有良好的温度兼容性。
【图文】：

铁电薄膜,铁电存储器,非易失性存储,全息存储器

第 1 章绪论1 铁电薄膜材料与铁电随机存储器.1 铁电薄膜材料概述铁电体是指在一定温度范围内具有两个或多个可能的自发极化取向，并加电场作用下其极化取向可改变的晶体[1]。厚度在纳米至微米级别的铁电铁电薄膜，具有许多独特的性能例如铁电特性、介电特性、压电特性、热性以及电光特性等[2]。铁电薄膜丰富的物理性质使其在很多领域都有重要，铁电存储器主要利用铁电薄膜的铁电特性，移相器变容二极管主要利用性，微机电系统主要利用其压电效应，红外探测器利用其热释电效应等，图 1.1 所示[3]。红外探

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(7) 军用领域应能具备一定的抗辐射能力；(8) 材料组分不含污染元素例如铅，符合环保要求。钙钛矿结构铁电薄膜材料是少数能够基本满足存储器用铁电薄膜要求的材料之一，其特点是种类众多并且研究较为深入全面。目前常被用于存储器的钙钛矿结构铁电薄膜材料主要有以下 3 大类[5]：一是以 PZT(PbZr1-xTixO3)为代表的铅基 ABO3型铁电薄膜；二是以 SBT(SrBi2Ta2O9)系列为代表的无铅铋层状结构铁电薄膜；三是以 BTO(BaTiO3)为代表的无铅 ABO3型铁电薄膜。PZT 是首批用于商用铁电随机存储器规模化工业生产的铁电薄膜材料之一。PZT 为 ABO3型钙钛矿结构，A 位置(立方体的顶角)被 Pb2+离子占据，B 位置(体中心)被Zr4+和Ti4+占据，O2-离子占据面中心[6]。其实现存储的机理如图1.2所示：钛离子相对氧八面体中其它离子沿极轴发生上下移动，发生自发极化。在外电场作用下，钛离子位移的方向随着电场的改变发生改变，极化强度(P)以外电场(E为自变量表现为非线性的函数关系。当外电场为零时，钛离子并没有回归原位而是仍处于极轴正、负方向的偏移状态，，表现为正、负剩余极化，用代表二进制数字存储的“1”和“0”信息表示对应的这两种逻辑状态[7]。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386;TB383.2

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