【摘要】：鐵電薄膜是鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì),高性能的鐵電存儲(chǔ)器要求鐵電薄膜具有較大剩余極化、薄的膜厚、低漏電流、抗輻射性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于常用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電薄膜如PbZr_(1-x)Ti_xO_3(PZT)和SrBi_2Ta_2O_9(SBT)只有在較厚的物理尺度才有好的鐵電性能,目前鐵電存儲(chǔ)器產(chǎn)品都采用電容式結(jié)構(gòu),限制了其向高存儲(chǔ)容量方向的發(fā)展。以基于氧化鉿基鐵電薄膜的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管型鐵電存儲(chǔ)器是高存儲(chǔ)容量鐵電存儲(chǔ)器發(fā)展的重要方向。本文以氧化鉿基鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,主要的研究?jī)?nèi)容如下:(1)利用原子層沉積(ALD)制備了TiN/Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2/HfO_2/Si的金屬/鐵電/絕緣層/半導(dǎo)體(MFIS)鐵電柵結(jié)構(gòu),掃描電鏡(SEM)和X射線能譜儀(EDS)表征結(jié)果顯示所制備出的鐵電柵結(jié)構(gòu)完整,界面清晰。對(duì)制備的柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試的結(jié)果表明極化特性受電壓、頻率和電極面積影響較大。選用電極半徑為100μm的鐵電柵作為實(shí)驗(yàn)樣品,在電壓為11 V,頻率為1 kHz的測(cè)試條件下,剩余極化值2P_r為32.4μC/cm~2,矯頑電場(chǎng)2E_c為5.035 MV/cm,電滯回線達(dá)到較好的飽和狀態(tài)且矩形度較好。漏電流密度較低,保持特性良好,但是抗疲勞特性較差。(2)研究了熱處理?xiàng)l件和環(huán)境溫度對(duì)鐵電柵性能的影響,發(fā)現(xiàn)在300°C~500°C退火溫度區(qū)間,極化特性、漏電流特性和抗疲勞特性都隨著退火溫度的升高而改善,但當(dāng)溫度超過500°C后,性能降低但保持特性受溫度影響較小,表明最優(yōu)的退火溫度約為500°C。溫穩(wěn)性研究發(fā)現(xiàn)制備的鐵電柵在環(huán)境溫度超過75°C后,柵結(jié)構(gòu)的性能受環(huán)境溫度的影響開始加大,性能逐漸退化甚至失效。(3)根據(jù)鐵電晶體管型存儲(chǔ)器研制工藝流程中高溫工藝步驟多的特點(diǎn),本文研究了多重溫度退火對(duì)鐵電柵結(jié)構(gòu)電學(xué)性能影響。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)連續(xù)3次退火處理后極化特性和漏電流特性略有降低,保持特性處于良好的狀態(tài),抗疲勞特性從最初的10~6次提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。在柵注入條件下,樣品經(jīng)多溫處理后的漏電流機(jī)理分別為低電場(chǎng)下的歐姆電導(dǎo)機(jī)理、中電場(chǎng)下的Schottky Emission(S-E)發(fā)射機(jī)理和高電場(chǎng)下的Fowler-Nordheim Tunneling(F-N)隧穿機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于氧化鉿的MFIS鐵電晶體管柵結(jié)構(gòu)與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝具有良好的溫度兼容性。
【圖文】：

第 1 章 緒 論1 鐵電薄膜材料與鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器.1 鐵電薄膜材料概述鐵電體是指在一定溫度范圍內(nèi)具有兩個(gè)或多個(gè)可能的自發(fā)極化取向，并加電場(chǎng)作用下其極化取向可改變的晶體[1]。厚度在納米至微米級(jí)別的鐵電鐵電薄膜，具有許多獨(dú)特的性能例如鐵電特性、介電特性、壓電特性、熱性以及電光特性等[2]。鐵電薄膜豐富的物理性質(zhì)使其在很多領(lǐng)域都有重要，鐵電存儲(chǔ)器主要利用鐵電薄膜的鐵電特性，移相器變?nèi)荻䴓O管主要利用性，微機(jī)電系統(tǒng)主要利用其壓電效應(yīng)，紅外探測(cè)器利用其熱釋電效應(yīng)等，圖 1.1 所示[3]。紅外探

(7) 軍用領(lǐng)域應(yīng)能具備一定的抗輻射能力；(8) 材料組分不含污染元素例如鉛，符合環(huán)保要求。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電薄膜材料是少數(shù)能夠基本滿足存儲(chǔ)器用鐵電薄膜要求的材料之一，其特點(diǎn)是種類眾多并且研究較為深入全面。目前常被用于存儲(chǔ)器的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電薄膜材料主要有以下 3 大類[5]：一是以 PZT(PbZr1-xTixO3)為代表的鉛基 ABO3型鐵電薄膜；二是以 SBT(SrBi2Ta2O9)系列為代表的無鉛鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電薄膜；三是以 BTO(BaTiO3)為代表的無鉛 ABO3型鐵電薄膜。PZT 是首批用于商用鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器規(guī)�；I(yè)生產(chǎn)的鐵電薄膜材料之一。PZT 為 ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，A 位置(立方體的頂角)被 Pb2+離子占據(jù)，B 位置(體中心)被Zr4+和Ti4+占據(jù)，O2-離子占據(jù)面中心[6]。其實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的機(jī)理如圖1.2所示：鈦離子相對(duì)氧八面體中其它離子沿極軸發(fā)生上下移動(dòng)，發(fā)生自發(fā)極化。在外電場(chǎng)作用下，鈦離子位移的方向隨著電場(chǎng)的改變發(fā)生改變，極化強(qiáng)度(P)以外電場(chǎng)(E為自變量表現(xiàn)為非線性的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)外電場(chǎng)為零時(shí)，鈦離子并沒有回歸原位而是仍處于極軸正、負(fù)方向的偏移狀態(tài)，，表現(xiàn)為正、負(fù)剩余極化，用代表二進(jìn)制數(shù)字存儲(chǔ)的“1”和“0”信息表示對(duì)應(yīng)的這兩種邏輯狀態(tài)[7]。
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN386;TB383.2

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