本文關(guān)鍵詞：BNT薄膜的阻變效應(yīng)及其氧缺陷調(diào)控研究

  更多相關(guān)文章： 鐵電薄膜 BNT 阻變效應(yīng) 氧缺陷 調(diào)控

【摘要】：近來,鐵電基阻變存儲器展示出結(jié)構(gòu)簡單、存儲密度高、存取速度快、電阻開關(guān)比大、可靠性好等特點,成為最具潛力的新興半導(dǎo)體存儲器之一。同時,由于鐵電材料具有豐富的物理效應(yīng)和較強的抗輻射能力,鐵電基阻變存儲器具備在多功能存儲器中和空間等特殊環(huán)境下應(yīng)用的潛力。然而,其阻變效應(yīng)的物理機制尚需進一步的研究。理論上,鐵電薄膜的阻變機制是一種純電子機制,阻變過程中沒有缺陷移動等引起的化學(xué)變化。然而,實際鐵電薄膜中缺陷(如氧空位)是難以避免的。氧缺陷對鐵電氧化物薄膜的阻變效應(yīng)具有較大的貢獻甚至起到主導(dǎo)作用。基于此,本文采用化學(xué)溶液法(CSD)在Si基片上制備了Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)薄膜,系統(tǒng)地研究了其阻變特性與氧缺陷濃度的關(guān)聯(lián),深入剖析了BNT薄膜的阻變機制。同時,探索了通過調(diào)控氧缺陷的分布來從根本上提高鐵電氧化物薄膜阻變特性的方法。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)通過不同的退火氣氛和退火方式來調(diào)控BNT薄膜的氧缺陷濃度,研究了氧缺陷濃度對BNT薄膜阻變效應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)氧缺陷濃度對BNT薄膜阻變機制具有調(diào)制作用。首先,在氧氣氣氛下采用一次性退火工藝制備了氧缺陷濃度較小和剩余極化較大(2Pr=55μC/cm2)的BNT鐵電薄膜,并制作了基于此薄膜的Pt/BNT/Pt器件,該器件展現(xiàn)出極化調(diào)節(jié)Shottky勢壘的阻變效應(yīng),且在2×103 s的保持力測試過程中能保持3個數(shù)量級的電流開關(guān)比。其次,通過在N2中700℃保溫2 h的后退火處理工藝增加BNT薄膜的氧缺陷。氧缺陷濃度增大使界面Shottky勢壘坍塌,導(dǎo)致Pt/BNT/Pt器件的阻變效應(yīng)消失。再次,在空氣氣氛下采用逐層退火工藝制備氧缺陷濃度適度的BNT薄膜,基于此薄膜的Pt/BNT/Pt器件表現(xiàn)出氧缺陷導(dǎo)電細絲產(chǎn)生/斷裂誘導(dǎo)的阻變效應(yīng),其中鐵電極化通過影響氧缺陷的分布對阻變行為具有一定的影響。(2)設(shè)計了鐵電/介電異質(zhì)結(jié),通過異質(zhì)結(jié)中的介電層抑制鐵電極化及其對氧缺陷分布的影響,開發(fā)出一種強化鐵電薄膜中氧缺陷導(dǎo)電細絲產(chǎn)生/斷開誘導(dǎo)的阻變行為的方法。在BNT/Pt下電極之間利用脈沖激光沉積法(PLD)法植入HfO2薄介電層,并制作Pt/BNT/HfO2/Pt器件。研究了HfO2薄介電層厚度對多晶BNT薄膜的鐵電極化的抑制作用,發(fā)現(xiàn)HfO2薄介電層厚度為20 nm時,Pt/BNT/HfO2/Pt器件的滯后極化特性被抑制。滯后極化特性被抑制后氧缺陷更易在晶界聚集,這使得Pt/BNT/HfO2(20 nm)/Pt器件展示了強化的氧缺陷導(dǎo)電細絲產(chǎn)生/斷開誘導(dǎo)的阻變行為,其高、低阻態(tài)的電流開關(guān)比增大,且在104 s保持力測試中開關(guān)比一直保持在4個數(shù)量級以上,這證實其在非揮發(fā)阻變存儲器中應(yīng)用的潛力巨大。(3)證實無晶界、無滯后極化等影響氧缺陷分布因素的無定型BNT薄膜中可實現(xiàn)高、低阻態(tài)的穩(wěn)定性得到優(yōu)化的阻變行為。研究了退火溫度對BNT薄膜的晶態(tài)結(jié)構(gòu)的影響,并在400℃退火溫度下制備了無定型BNT薄膜,同時制作了基于此薄膜的Pt/無定型BNT/Pt器件。器件無滯后極化特性。由于無晶界、無滯后極化等影響氧缺陷分布,Pt/無定型BNT/Pt器件中氧缺陷導(dǎo)電細絲產(chǎn)生/斷裂誘導(dǎo)的阻變行為的數(shù)據(jù)波動性較Pt/BNT/HfO2/Pt器件得到優(yōu)化。另外,無定型的BNT薄膜的制備溫度較低,為開發(fā)降低鐵電薄膜阻變器件制備溫度和成本的工藝方案提供了指導(dǎo)。(4)多孔結(jié)構(gòu)的電場集中效應(yīng)使氧缺陷沿著孔結(jié)構(gòu)的周圍分布,最終在BNT薄膜中能獲得氧缺陷誘導(dǎo)的單極型阻變行為,且此阻變特性隨著孔的變化而演化。首先,通過在前驅(qū)體溶液中添加PEG模板劑制備了多孔的BNT薄膜。然后,由于孔結(jié)構(gòu)的電場集中效應(yīng)促使氧缺陷沿著孔結(jié)構(gòu)的周圍分布,在多孔BNT薄膜中獲得了比雙極型阻變可操作性更強,開關(guān)比較大、操作電壓低的氧缺陷導(dǎo)電細絲產(chǎn)生/斷裂誘導(dǎo)的單極型的阻變行為。通過退火溫度和時間對孔的微觀結(jié)構(gòu)和氧缺陷的濃度調(diào)控,實現(xiàn)了單極阻變行為的調(diào)控。720℃退火10 min中的多孔BNT薄膜在104 s的保持力測試過程中高、低阻態(tài)的電流比能保持4個數(shù)量級,同時其電阻轉(zhuǎn)變的操作電壓降低到5 V以內(nèi)。
【關(guān)鍵詞】：鐵電薄膜 BNT 阻變效應(yīng) 氧缺陷 調(diào)控
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-43
• 1.1 半導(dǎo)體存儲器簡介13-24
• 1.1.1 傳統(tǒng)半導(dǎo)體存儲器簡介14-15
• 1.1.2 新興半導(dǎo)體存儲器簡介15-24
• 1.2 鐵電基阻變存儲器簡介24-32
• 1.2.1 研究歷程24-26
• 1.2.2 器件結(jié)構(gòu)及存儲原理26-27
• 1.2.3 功能層材料及其制備方法27-32
• 1.3 鐵電氧化物薄膜阻變效應(yīng)的物理機制32-38
• 1.3.1 極化調(diào)節(jié)Schottky勢壘模型32-34
• 1.3.2 荷電缺陷調(diào)節(jié)Schottky勢壘模型34-35
• 1.3.3 荷電缺陷密度改變模型35-36
• 1.3.4 導(dǎo)電細絲產(chǎn)生/斷裂模型36-37
• 1.3.5 電荷陷阱充放電模型37-38
• 1.4 鐵電氧化物薄膜的氧缺陷38-40
• 1.4.1 氧缺陷對電學(xué)性能的影響38-39
• 1.4.2 氧缺陷的形成、分布及其控制39-40
• 1.5 本文的選題依據(jù)及主要內(nèi)容40-43
• 1.5.1 選題依據(jù)40-41
• 1.5.2 主要內(nèi)容41-43
• 第2章 氧缺陷濃度對BNT薄膜阻變機理的影響43-63
• 2.1 引言43-44
• 2.2 氧氣氣氛下一次性退火的BNT薄膜的阻變效應(yīng)研究44-54
• 2.2.1 BN_(Toxygen)的制備44-47
• 2.2.2 BN_(Toxygen)的微觀結(jié)構(gòu)47-48
• 2.2.3 BN_(Toxygen)的阻變特性及存儲特性48-50
• 2.2.4 BN_(Toxygen)的阻變機理50-54
• 2.3 氮氣氣氛下后退火處理對BNT薄膜阻變效應(yīng)的影響54-55
• 2.3.1 BNT_(nitrogen)的后退火處理54
• 2.3.2 BNT_(nitrogen)的I V特性54-55
• 2.4 空氣氣氛下逐層退火的BNT薄膜的阻變效應(yīng)研究55-61
• 2.4.1 BNT_(air)的制備55-56
• 2.4.2 BNT_(air)的微觀結(jié)構(gòu)56-57
• 2.4.3 BNT_(air)的阻變特性57-58
• 2.4.4 BNT_(air)的阻變機理58-61
• 2.5 BNT薄膜阻變機理與氧缺陷濃度的關(guān)聯(lián)模型61-62
• 2.6 本章小結(jié)62-63
• 第3章 鐵電/介電異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)強化氧缺陷誘導(dǎo)的阻變行為63-75
• 3.1 引言63
• 3.2 BNT/HfO_2的制備63-65
• 3.3 BNT/HfO_2的微觀結(jié)構(gòu)分析65-66
• 3.4 介電層厚度對BNT/HfO_2的P V特性的影響66
• 3.5 BNT/HfO_2的阻變效應(yīng)研究66-68
• 3.5.1 阻變特性66-67
• 3.5.2 存儲特性67-68
• 3.6 BNT/HfO_2阻變行為的強化機理分析68-74
• 3.6.1 HfO_2介電層的電性能68-70
• 3.6.2 BNT/HfO_2的C V特性70-71
• 3.6.3 BNT/HfO_2的電導(dǎo)機制71-72
• 3.6.4 BNT/HfO_2的阻溫特性72-73
• 3.6.5 BNT/HfO_2的阻變機理73-74
• 3.7 本章小結(jié)74-75
• 第4章 無定型晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)化氧缺陷誘導(dǎo)的阻變行為75-83
• 4.1 引言75
• 4.2 無定型BNT薄膜的制備75-76
• 4.3 無定型BNT薄膜的微觀結(jié)構(gòu)分析76-77
• 4.4 無定型BNT薄膜的阻變效應(yīng)研究77-79
• 4.4.1 阻變特性77-78
• 4.4.2 存儲特性78-79
• 4.5 無定型BNT阻變行為的優(yōu)化機理分析79-82
• 4.5.1 P V及C V特性79-80
• 4.5.2 電導(dǎo)機制80-81
• 4.5.3 阻變機理81-82
• 4.6 本章小結(jié)82-83
• 第5章 多孔結(jié)構(gòu)調(diào)制氧缺陷誘導(dǎo)的單極型阻變行為83-97
• 5.1 引言83
• 5.2 多孔BNT薄膜的制備83-85
• 5.3 退火工藝對多孔BNT薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響85-89
• 5.3.1 退火溫度對多孔BNT薄膜的微觀結(jié)構(gòu)的影響85-87
• 5.3.2 退火時間對多孔BNT薄膜的微觀結(jié)構(gòu)的影響87-88
• 5.3.3 多孔BNT薄膜的形成機理88-89
• 5.4 退火工藝對多孔BNT薄膜阻變特性的影響89-93
• 5.4.1 退火溫度對多孔BNT薄膜阻變特性的影響89-91
• 5.4.2 退火時間對多孔BNT薄膜阻變特性的影響91-92
• 5.4.3 多孔BNT薄膜的存儲特性92-93
• 5.5 BNT薄膜單極型阻變行為的多孔結(jié)構(gòu)調(diào)制機理分析93-96
• 5.5.1 多孔BNT薄膜的P V特性93-94
• 5.5.2 多孔BNT薄膜的電導(dǎo)機制94-95
• 5.5.3 多孔BNT薄膜的阻變機理95-96
• 5.6 本章小結(jié)96-97
• 第6章 總結(jié)和展望97-99
• 6.1 全文總結(jié)97-98
• 6.2 工作展望98-99
• 參考文獻99-113
• 致謝113-115
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及研究成果115

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張德凱;徐建龍;任天令;;1kbit鐵電存儲器電路設(shè)計技術(shù)研究[J];半導(dǎo)體技術(shù);2012年11期

，

本文編號：994753