本文選題：多邏輯　切入點：鐵電存儲器　出處：《湘潭大學》2017年博士論文

【摘要】：基于雙穩(wěn)態(tài)極化來存儲數(shù)據(jù)的鐵電存儲器(FRAM)具有工作溫度范圍寬、讀寫速度快、抗疲勞、功耗低、強抗輻射性等優(yōu)點,已經(jīng)被應(yīng)用在衛(wèi)星、深空探測器等多種航天器中。但目前的FRAM仍然存在與Si工藝難兼容和存儲密度過小等問題,限制了其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。為促進FRAM的應(yīng)用,本論文探索了在Pt及Si襯底上制備多晶鐵電超薄膜的工藝,研究了制備的鐵電超薄膜的鐵電性能及其在多邏輯態(tài)存儲的應(yīng)用,并分析了多邏輯態(tài)存儲機理。該研究為解決FRAM與Si工藝的兼容和存儲密度低等問題提供了一種新途徑,能促進FRAM的商業(yè)化應(yīng)用。本論文的具體工作和相應(yīng)結(jié)果如下:1.通過采用不同的制備參數(shù)來調(diào)控Pt襯底上超薄PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)薄膜的鐵電性能,從厚膜開始入手逐步實現(xiàn)了具有良好鐵電性能的多晶PZT鐵電超薄膜制備,并研究了基于PZT鐵電超薄膜的Pt/PZT/Pt可翻轉(zhuǎn)二極管的開關(guān)特性。通過制備參數(shù)的調(diào)制實現(xiàn)了具有較好電滯回線的多晶鐵電超薄膜制備,當PZT薄膜厚度低于50 nm時,隨薄膜厚度降低,盡管PZT超薄膜的剩余極化強度逐漸降低,但是當薄膜厚度降低至29 nm時仍保持明顯的鐵電性能。另外基于所制備的多晶鐵電超薄膜制備了Pt/PZT/Pt可翻轉(zhuǎn)二極管單元,其開關(guān)比隨PZT薄膜厚度的減小而逐漸降低。當鐵電薄膜的厚度薄至13 nm時,該可翻轉(zhuǎn)二極管開關(guān)特性依然明顯,表明超薄多晶鐵電薄膜依然可應(yīng)用于存儲器件中。2.設(shè)計了一種鐵電憶阻器存儲單元,通過使用活性電極來調(diào)控鐵電薄膜中的氧空位濃度,并通過電場控制氧空位的遷移距離等實現(xiàn)高低阻態(tài)電流的高比值。通過調(diào)控薄膜制備氧壓生長了具有不同初始氧空位濃度的PZT薄膜,并制備了Ag/PZT/Pt存儲單元。研究了PZT氧空位的濃度與存儲單元憶阻行為的相關(guān)性。當制備氧壓為10 Pa時,該單元可以實現(xiàn)六個邏輯態(tài)的存儲;當制備氧壓為20 Pa時,該單元可以實現(xiàn)四個邏輯態(tài)的存儲,此時最高阻態(tài)和最低阻態(tài)之間的比值最高,可以達到107~108%。這些器件具有很高的開關(guān)比和良好的保持性能,用作兩邏輯態(tài)存儲時可以保持105 s以上,表明其在非揮發(fā)性鐵電憶阻器中具有巨大的應(yīng)用潛力。3.設(shè)計了一種基于ZnO:Mn/PZT復合薄膜的多邏輯態(tài)存儲單元,通過逐層控制薄膜的電阻狀態(tài),開發(fā)了一種基于控制Ag離子遷移、鐵電極化翻轉(zhuǎn)以及氧空位遷移來實現(xiàn)四邏輯態(tài)存儲的單元器件。研究了Ag/ZMO/PZT/Pt復合薄膜存儲單元的多邏輯態(tài)存儲行為,該存儲單元綜合了Ag/PZT(8 nm)/Pt和Ag/ZMO(20 nm)/Pt兩種存儲單元的阻變機理,在不同電壓激勵下能逐步實現(xiàn)Ag離子遷移、鐵電極化翻轉(zhuǎn)和氧空位遷移,進而實現(xiàn)了四邏輯態(tài)存儲。該復合薄膜存儲單元具有較好的重復寫入性能,能在較短的時間內(nèi)保持其邏輯態(tài)。該研究表明通過不同原理組合來構(gòu)建新型多邏輯態(tài)存儲器的設(shè)想是可行的,為新型多邏輯態(tài)存儲器件研發(fā)提供了新思路。4.構(gòu)建了Pt/PZT/SiOx/Si鐵電隧道結(jié)單元,通過隧道結(jié)中鐵電極化翻轉(zhuǎn)和氧空位遷移實現(xiàn)了多邏輯態(tài)存儲,探索了多晶鐵電超薄膜應(yīng)用于多邏輯態(tài)存儲時與Si工藝的兼容性。在Si襯底上沉積的不同厚度PZT超薄膜具有較好的鐵電性能;當使用Pt頂電極將其制備成Pt/PZT/SiOx/Si鐵電隧道結(jié)單元時,其開關(guān)比隨著PZT薄膜厚度的增加先增大后減小;當存儲單元中PZT厚度為2.5 nm時可實現(xiàn)8態(tài)存儲,在100 s內(nèi)其各邏輯態(tài)保持性較好,且具有較好的可重復寫入性能。該鐵電隧道結(jié)單元的多邏輯態(tài)存儲是由鐵電極化翻轉(zhuǎn)和氧空位遷移共同引起的。該研究結(jié)果為開發(fā)與Si工藝兼容的鐵電存儲器提供了新思路。5.使用BiFeO3(BFO)鐵電材料來制備直接沉積在Si襯底上的多邏輯態(tài)鐵電隧道結(jié)單元,研究了Pt/BFO/SiOx/Si鐵電隧道結(jié)單元的存儲性能,然后使用數(shù)值計算的方法對構(gòu)建的存儲機理模型進行了驗證。研究結(jié)果表明,所制備的多邏輯態(tài)鐵電隧道結(jié)單元的存儲機理和可存儲邏輯態(tài)的數(shù)量均與BFO薄膜的厚度相關(guān):當采用的BFO薄膜的厚度在2 nm時,存儲單元的存儲行為由氧空位的遷移引起,可以實現(xiàn)2態(tài)存儲;當厚度在3.5 nm及以上時,存儲行為由氧空位和極化翻轉(zhuǎn)共同引起,可以實現(xiàn)4態(tài)及以上的存儲。所制備的BFO鐵電隧道結(jié)單元保持性優(yōu)于PZT鐵電隧道結(jié)單元,各個邏輯態(tài)在10 min內(nèi)都可以較好地保持。另外數(shù)值計算結(jié)果驗證了鐵電隧道結(jié)單元在不同電壓激勵以后引起的鐵電極化翻轉(zhuǎn)和氧空位遷移導致勢壘高度和寬度變化的模型是正確的。該研究為開展提高與Si工藝兼容型鐵電存儲器的保持性能研究提供了指導。
[Abstract]:To ferroelectric memory data storage based on double steady state polarization (FRAM) has a wide range of working temperature, read and write speed, anti fatigue, low power consumption, strong radiation resistance and other advantages, has been widely used in satellite and other spacecraft in deep space probe. But the current FRAM still exists and difficult problems and compatible with Si process the storage density is too small, which limits its application in civil field. In order to promote the application of FRAM, this paper explores the process in the Pt and Si substrate preparation of polycrystalline ferroelectric film, ferroelectric properties of ferroelectric preparation of ultra thin film and its application in logic state storage, multi the logic state storage mechanism and analysis. The research provides a new way to solve the FRAM and Si process compatibility and low storage density, can promote the commercial application of FRAM. The specific work and the corresponding results are as follows: 1. by using different preparation The parameters to control the Pt substrate PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT) ferroelectric thin film performance, from the start with the gradual implementation of the thick film ferroelectric polycrystalline PZT has good ferroelectric properties of ultra thin film, and the effects of PZT ferroelectric ultrathin films of Pt/PZT/Pt based on switching characteristics of flip diode. Modulation by preparation parameters to achieve a multi the crystal has a good ferroelectric hysteresis of the ultra thin film, when the PZT film thickness below 50 nm, with film thickness decreased, while the remnant polarization of PZT thin films decreased gradually, but when the film thickness is reduced to 29 nm is still maintaining the ferroelectric properties obviously. In polycrystalline ferroelectric prepared by super preparation of thin film Pt/PZT/Pt flip diode unit based on the switching ratio decreases with PZT film thickness decreases. When the thickness of the ferroelectric thin film thin to 13 nm, the reversible diode switching characteristics still significantly, table The ultra-thin polycrystalline ferroelectric thin films still can be applied to the memory device of the.2. design of a memristor ferroelectric storage unit by using active electrode to control the concentration of oxygen vacancy in ferroelectric thin film, and the high ratio of low resistance current through the electric field control of oxygen vacancy migration distance. By regulating the preparation of thin film oxygen the pressure to grow PZT films with different initial concentration, the Ag/PZT/Pt storage unit and prepared. The correlation of the concentration of oxygen vacancy and storage unit PZT memristive behavior. When the preparation of oxygen pressure is 10 Pa, the unit can achieve six logic state storage; when preparing oxygen pressure 20 Pa, the unit can achieve four logic state storage, the ratio between the highest and the lowest resistance resistance can reach 107~108%. the highest, these devices have very high switching ratio and maintain good performance, as the two logic states Storage can be maintained above 105 s,.3. showed that it has great potential to design a multi state logic storage unit of ZnO:Mn/PZT composite films based on ferroelectric nonvolatile memristor, the resistance state of each layer control film, developed an ion mobility control based on Ag, ferroelectric polarization reversal and oxygen to achieve the vacancy migration unit four logic States storage. Logic state storage behavior of Ag/ZMO/PZT/Pt composite film storage unit, the storage unit integrated Ag/PZT (8 nm) and /Pt Ag/ZMO (20 nm) /Pt two storage unit resistance change mechanism, to gradually realize the Ag ion migration under different excitation voltage, ferroelectric polarization flip and oxygen vacancy migration, thus achieving a four logic state storage. The composite film storage unit with repeated write performance better, can maintain its logic state in a relatively short period of time. The study on the table The idea through different combination principle to construct a new multi state memory logic is feasible, and provides a new way to construct the Pt/PZT/SiOx/Si.4. model for multi unit ferroelectric tunnel junction logic state of memory research, through the tunnel junction in the ferroelectric polarization flipping and oxygenvacancy transfer the logic state of storage, explore the polycrystalline ferroelectric ultrathin films application in logical state storage compatibility with Si technology. Different thickness of PZT thin film deposited on Si substrate with good ferroelectric properties; when using the Pt top electrode fabricated Pt/PZT/SiOx/Si ferroelectric tunnel junction unit, the on-off ratio with the increasing of PZT film thickness increases first and then decreases; when the storage unit PZT thickness of 2.5 nm can achieve 8 state storage, within 100 s of the logic state keep well, and has good performance. Many repeated write logic state of the ferroelectric tunnel junction unit. The reservoir is caused by the migration of ferroelectric polarization flip and oxygen vacancy in common. The results of this study for the development of ferroelectric memory compatible with Si technology provides a new way to use.5. BiFeO3 (BFO) ferroelectric materials prepared by direct deposition on Si substrate by multi state logic ferroelectric tunnel junction unit, the storage performance of Pt/BFO/SiOx/Si ferroelectric tunnel junction unit, then use the method of numerical calculation to verify the mechanism of storage model. The results show that the storage mechanism unit tunnel junction logic state and the number of the ferroelectric memory logic state with the thickness of BFO thin film: when the thickness of the films by BFO at 2 nm. The storage behavior of memory cell caused by the migration of oxygen vacancies, can achieve 2 state storage; when the thickness is 3.5 nm or above, common storage behavior caused by oxygen vacancies and polarization reversal, can achieve 4 state and above The storage for BFO ferroelectric tunnel junction cell prepared to maintain better than PZT ferroelectric tunnel junction unit, each logical state can be maintained within 10 min. The results are also verified by a numerical calculation of ferroelectric polarization reversal and ferroelectric tunnel junction cell caused by oxygen vacancies at different excitation voltage after migration leads to the barrier height and width variation the model is correct. The study provides guidance to maintain properties of ferroelectric memory is carried out to improve the compatibility with the Si process.

【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP333;TB383.2

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