铁电存储器关键工艺与器件建模研究

发布时间：2020-11-02 21:27

　　 近几年来,将铁电薄膜和硅基半导体工艺相结合的新型半导体器件越来越受到世界各国研究者的广泛青睐。其中,铁电存储器由于其兼有低功耗、读写速度快、抗辐射等多方面优点,被认为最有前途的新一代非挥发存储器之一。本文围绕铁电存储器研制过程中相关的若干关键问题,开展了以下四个方面的研究工作。 从铁电性、介电性及漏电流方面考虑,确定了处于准同形相界成分点的Pb(Zr,Ti)O3(PZT)薄膜是制备铁电存储器较为理想的材料。通过正交实验摸索了陶瓷靶材的最佳烧结工艺。研究了溅射气压对PZT薄膜成分波动的影响,讨论了溅射气压、气氛、衬底温度对BaPbO3(BPO)薄膜电阻率的影响。使用射频磁控溅射法以500℃的较低温度在BPO电极上原位沉积了用于铁电存储器的PZT薄膜。和传统的Pt电极相比,BPO电极的使用能有效的改善生长其上PZT薄膜的铁电疲劳特性并降低矫顽场。 采用2θ-sin2ψ和Williamson-Hall法分别研究了生长在不同厚度BPO电极上准同形相PZT薄膜的残余应力和微观应力。结果表明当BPO层厚度为34nm,68nm,135nm和270nm时,PZT薄膜呈现张应力。通过一个简单的计算可以得知,这种张应力主要来自相变应力,它和PZT薄膜的晶粒尺寸成正比,并且可以通过改变BPO层的厚度来加以调整。结合结构精修的分析方法,我们发现,张应力的存在有助于准同形相PZT薄膜中四方相向单斜相的转变。在准同性相附近,单斜相比四方相具有更大的极化效率,从而能获得更高的剩余极化和更小的矫顽场。 从铁电薄膜微观机理入手,采用几何图示方法解释了铁电畴在外电场中极化反转规律,并推导出实验提取铁电偶极子矫顽场分布函数p(Ec+,Ec-)的方法。在此基础上,引入了极化反转函数来表征铁电电容宏观极化强度随外电场变化的数学表达式,建立起用于铁电存储器电路仿真的铁电电容器件模型和将该模型嵌入IC仿真平台的方法。该模型不仅可以用于铁电存储器电路优化,还能作为一种分析工具来研究铁电薄膜中的各种电致退化。 研究了用于铁电存储器的氢隔离层工艺,分析了不同刻蚀方案下A1203隔离层的刻蚀速度。结果表明,使用CHC13作为刻蚀气体,刻蚀气压1Pa,功率60W时,具有最高的刻蚀速率,约8nm/min。对比实验表明,具有Al_2O_3氢隔离层的铁电薄膜能够有效的抵御还原性气氛退火对铁电薄膜的侵蚀。此外,我们也研究了和Al_2O_3氢隔离层有关的应力匹配问题。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：TP333
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 铁电材料基本特性
    1.2 铁电存储技术概述
    1.3 铁电存储器研究中的重要课题
    1.4 本文主要研究内容
2 PZT与BPO薄膜低温制备工艺研究
    2.1 高密度靶材的制备
    2.2 PZT薄膜溅射工艺优化
    2.3 BPO薄膜溅射工艺优化
    2.4 BPO和Pt电极效果比较
3 BPO电极对PZT薄膜微观结构及电学特性影响
    3.1 微观结构、择优取向和表面形貌分析
    3.2 残余应力分析
    3.3 铁电和介电特性分析
    3.4 结构精修分析
4 基于极化反转函数的铁电电容器件模型
    4.1 铁电模型物理基础
    4.2 铁电电容的极化反转函数
    4.3 参数提取和模型验证
    4.4 将模型嵌入EDA工具的方法
5 铁电电容模型应用实例
    5.1 将模型用来解释疲劳相关的印记现象
    5.2 将模型用于优化铁电存储器核心单元电路参数
6 铁电存储器氢隔离工艺研究
    6.1 氢隔离层的刻蚀工艺
2O₃氢隔离层的效果'>    6.2 Al₂O₃氢隔离层的效果
    6.3 和氢隔离工艺有关的应力匹配问题
7 全文总结
致谢
参考文献
附录1 陶瓷靶材正交试验表
附录2 攻读博士学位期间发表和待发表的论文目录
附录3 已授权和申请中的专利

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本文编号：2867593