Si摻雜HfO2鐵電薄膜的可靠性研究.pdf

1、碩士學(xué)位論文Si摻雜Hf02鐵電薄膜的可靠性研究StudyoftheReliabilityCharacteristicsforSidopedHf02FerroelectricThinFilms學(xué)21305053完成日期：大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology摘要將鐵電薄膜材料與硅基半導(dǎo)體集成工藝相結(jié)合而發(fā)展起來的鐵電存儲(chǔ)器具有非易失性、讀寫速度快、低功耗以及抗輻射等其它類型的存儲(chǔ)器所不具備的顯著優(yōu)點(diǎn)，自上世

2、紀(jì)90年代以來得到了人們的廣泛關(guān)注。迄今為止，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的鐵電存儲(chǔ)器主要采用Pb(ZrTi)03(PZT)等鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料。實(shí)踐證明，PZT等多元氧化物鐵電材料與硅基CMOS器件集成工藝兼容性很差，因此鐵電存儲(chǔ)器長期面臨高制造成本和低存儲(chǔ)密度的發(fā)展障礙。作為代表性的高k材料，Hf02因其與硅良好的晶格匹配性與熱穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用于微電子工業(yè)。最近研究發(fā)現(xiàn)，摻雜Si、Zr、Y、A1、Gd、Sr和La等不同元素的Hfi。2基薄膜具有顯

3、著的鐵電性質(zhì)。HID2基新型鐵電薄膜具有與CMOS集成工藝良好的兼容性，用其替代PZT將有望突破長期制約鐵電存儲(chǔ)器發(fā)展的材料瓶頸，從而獲得存儲(chǔ)性能和密度的大幅度提高。作為2011年才新發(fā)現(xiàn)的鐵電材料，Hf02基薄膜基本的鐵電特性研究還不完備，特別是對(duì)于可靠性這一決定其應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵性因素的研究十分匱乏。本文以Si摻雜Hf02鐵電薄膜為代表，從宏觀電學(xué)性能的角度，詳細(xì)研究Hf02基鐵電薄膜應(yīng)用于非易失性鐵電存儲(chǔ)器的潛能與限制因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4、表明，熱激活相關(guān)的極化反轉(zhuǎn)行為可以根據(jù)電場強(qiáng)度分為三類：低場區(qū)(外加電場小于矯頑場蜀2Ec)，Ec隨溫度升高線性減小，符合非平衡形核限制反轉(zhuǎn)模型。交變電場作用下，薄膜剩余極化強(qiáng)度(尸r)隨極化反轉(zhuǎn)次數(shù)的增加先升高后降低，據(jù)此將薄膜的耐久性分為兩個(gè)階段：wake—up效應(yīng)與疲勞現(xiàn)象。電場驅(qū)動(dòng)下，底電極界面層缺陷重新分布解釘扎疇壁，是產(chǎn)生wakeup效應(yīng)的根本原因。提高電場強(qiáng)度、降低測試頻率或者升高溫度有利于加速wakeup速率。溫度和電場