【摘要】：鐵電場效應(yīng)晶體管(FeFET)存儲器因其低功耗、高讀寫速度、非揮發(fā)性、抗輻射、高集成度和非破壞性讀出等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最有潛力的下一代存儲器之一。鐵電薄膜作為FeFET存儲器的核心部分,其性能決定了鐵電存儲器工作的可靠性。相比單晶鐵電薄膜,多晶鐵電薄膜要更容易制備,且多晶鐵電薄膜在實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。所以,對多晶鐵電薄膜的模擬及其電學(xué)性能研究尤為必要。首先,晶粒取向分布和晶界厚度對多晶鐵電薄膜的鐵電性能具有一定的影響,進(jìn)而會對多晶鐵電薄膜的電學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。其次,多晶鐵電薄膜晶界處存在電荷聚集,將導(dǎo)致內(nèi)建電場的產(chǎn)生,對多晶鐵電薄膜的性能會產(chǎn)生影響。本文以金屬/鐵電/絕緣體/硅(MFIS)結(jié)構(gòu)的FeFET為研究對象,運(yùn)用相場方法結(jié)合金屬/氧化物/半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)晶體管的基本器件方程,建立了FeFET的電學(xué)性能研究模型,主要研究了BaTiO3多晶鐵電薄膜的晶粒取向和晶界對其FeFET電學(xué)性能的影響,具體研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)建立了多晶鐵電薄膜的相場模型,研究了晶粒取向分布和晶界厚度等因素對多晶鐵電薄膜鐵電性能的影響。結(jié)果表明:晶粒取向的隨機(jī)分布會導(dǎo)致BaTiO3多晶鐵電薄膜的剩余極化減小,矯頑場減小;晶界會導(dǎo)致BaTiO3多晶鐵電薄膜矯頑場的減小,隨著晶界厚度的增加,BaTiO3多晶鐵電薄膜的剩余極化逐漸減小。(2)利用所建立的多晶鐵電薄膜的相場模型基礎(chǔ),考慮晶界處的電荷聚集,研究了晶界處電荷聚集對多晶鐵電薄膜鐵電性能的影響。結(jié)果表明:晶界處電荷聚集會在晶粒內(nèi)部形成內(nèi)建電場,影響B(tài)aTiO3多晶鐵電薄膜的疇結(jié)構(gòu)和疇變過程;隨著電荷聚集強(qiáng)度的增大,鐵電薄膜的剩余極化逐漸減小,矯頑場逐漸減小。(3)將多晶鐵電薄膜的相場模型與標(biāo)準(zhǔn)MOS場效應(yīng)晶體管的基本器件方程相結(jié)合,研究了晶粒取向、晶界厚度和晶界處電荷聚集等因素對FeFET電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:晶粒取向的隨機(jī)分布會導(dǎo)致FeFET的剩余極化減小,存儲窗口減小,開態(tài)源漏電流I_(ds)減小,關(guān)態(tài)源漏電流I_(ds)增大;隨著晶界厚度的增加,FeFET的剩余極化逐漸降低,存儲窗口減小,開態(tài)源漏電流I_(ds)減小,關(guān)態(tài)源漏電流I_(ds)增大;隨著晶界處電荷聚集強(qiáng)度的增大,FeFET的剩余極化逐漸降低,存儲窗口逐漸減小,開態(tài)源漏電流I_(ds)逐漸減小,關(guān)態(tài)源漏電流I_(ds)逐漸增大。
[Abstract]:Ferroelectric field effect transistor (FeFET) memory is considered to be one of the most promising next generation memory due to its advantages of low power consumption, high read / write speed, non-volatile, radiation resistant, high integration and non-destructive readout. Ferroelectric thin film is the core part of FeFET memory, and its performance determines the reliability of ferroelectric memory. Compared with single crystal ferroelectric thin film, polycrystalline ferroelectric thin film is easier to be prepared, and the polycrystalline ferroelectric thin film is widely used in experiment and practice. Therefore, it is necessary to study the simulation and electrical properties of polycrystalline ferroelectric thin films. Firstly, the distribution of grain orientation and the thickness of grain boundary have a certain influence on the ferroelectric properties of polycrystalline ferroelectric thin films, and then have an important effect on the electrical properties of polycrystalline ferroelectric thin films. Secondly, the charge accumulation at the grain boundary of the polycrystalline ferroelectric thin films will lead to the generation of the built-in electric field, which will affect the properties of the polycrystalline ferroelectric thin films. In this paper, the FeFET with metal / ferroelectric / insulator / silicon (MFIS) structure is taken as the research object, and the electrical performance model of FeFET is established by combining the basic device equation of metal / oxide / semiconductor (MOS) field effect transistor with the phase field method. The effects of grain orientation and grain boundary on the electrical properties of BaTiO3 polycrystalline ferroelectric thin films are studied. The main contents and results are as follows: (1) the phase field model of polycrystalline ferroelectric thin films is established. The effects of grain orientation distribution and grain boundary thickness on the ferroelectric properties of polycrystalline ferroelectric thin films were studied. The results show that the random distribution of grain orientation leads to the decrease of residual polarization and coercive field of BaTiO3 polycrystalline ferroelectric thin films. Grain boundary will lead to the decrease of coercive field of BaTiO3 polycrystalline ferroelectric thin films. With the increase of grain boundary thickness, the residual polarization of BaTiO3 polycrystalline ferroelectric thin films will gradually decrease. (2) based on the phase field model of polycrystalline ferroelectric thin films, The effect of charge aggregation at grain boundary on ferroelectric properties of polycrystalline ferroelectric thin films was studied. The results show that the charge accumulation at grain boundary will form an internal electric field in the grain, which will affect the domain structure and domain switching process of BaTiO3 polycrystalline ferroelectric thin films. With the increase of charge aggregation intensity, the residual polarization and coercive field of ferroelectric thin films decrease gradually. (3) the phase field model of polycrystalline ferroelectric thin films is combined with the basic device equations of standard MOS field-effect transistors. The effects of grain orientation, grain boundary thickness and charge aggregation at grain boundary on the electrical properties of FeFET were investigated. The results show that the random distribution of grain orientation results in the decrease of residual polarization of FeFET, the decrease of storage window, the decrease of open source leakage current I _ (ds), and the increase of off state source drain current I _ (ds). With the increase of grain boundary thickness, the residual polarization of FeFET decreases gradually, the storage window decreases, the open source leakage current I _ (ds) decreases, and the off-state source drain current I _ (ds) increases. With the increase of charge aggregation intensity at grain boundaries, the residual polarization of FeFET decreases, the storage window decreases, the open source drain current I _ (ds) decreases, and the off-state source drain current I _ (ds) increases.
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN386;TP333;TM221

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本文編號：2329281