BaTiO3鐵電薄膜的存儲特性與機(jī)制研究.pdf

1、隨著各種電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，非易失性存儲器在半導(dǎo)體行業(yè)中扮演著越來越重要的角色。然而當(dāng)今市場的需求是一些傳統(tǒng)存儲器的性能所不能滿足的，在這樣的背景下各式各樣的下一代新型非易失性存儲器應(yīng)運(yùn)而生，分別依靠材料不同的特性而具有不同的存儲機(jī)制。其中一種新型的鐵電阻變存儲器吸引眾多研究者的巨大關(guān)注，其在外電場作用下可以實(shí)現(xiàn)鐵電疇的快速極化反轉(zhuǎn)，通過極化形成界面不同的電荷分布從而實(shí)現(xiàn)兩種不同的高低阻態(tài)的切換和保持，這種存儲器具有很多優(yōu)勢，與已經(jīng)很成

2、熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝相兼容，使其成為下一代非易失性存儲器的有力競爭者。
　　我們采用脈沖激光沉積技術(shù)和濺射技術(shù)在輕摻雜的Si(111)襯底上制備的器件為MFS結(jié)構(gòu)，用以取代鐵電薄膜晶體管的柵極結(jié)構(gòu)。在高頻率的情況下的電容電壓(C-V)測試中，電壓正向掃描和反向掃描的結(jié)果是平帶電壓的有明顯的偏移量（也就是C-V曲線的平移寬度），稱為電容器的記憶窗口（Memory Window）。當(dāng)施加在電容器電壓逐漸增大，電容器

3、的記憶窗口也會隨著電壓逐漸增大，具有存儲的功能。同時(shí)也分析了低頻情況下的C-V特性，可能由于輕摻雜的硅襯底和鈦酸鋇鐵電薄膜的界面特性較差，導(dǎo)致在低頻率下的滯后響應(yīng)不夠明顯。在IV特性中表現(xiàn)出了雙極性電阻開關(guān)的性質(zhì)，但是由于器件結(jié)構(gòu)的原因?qū)е聦懭腚妷哼^大，下一步工作需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)。
　　在鉑金襯底上制備的器件為MFM對稱結(jié)構(gòu)，這是阻變存儲器的典型結(jié)構(gòu)，在極化強(qiáng)度和電壓(P-V)測試中證明薄膜具有明顯的電滯回線。由于器件結(jié)構(gòu)的對稱性，在

4、C-V測試中表現(xiàn)出明顯的蝶形回線，并且高低頻下的蝶形都很明顯，從一方面證明了該器件不管是在高頻率的還是低頻率的電路中都會有一定的應(yīng)用前景。在電流和電壓(I-V)測試中，常規(guī)的電壓掃描表現(xiàn)出強(qiáng)烈的單向整流作用，可用作整流器件。在經(jīng)歷一個(gè)較大電壓的電形成過程后表現(xiàn)出雙極性電阻開關(guān)的性質(zhì)，但是開關(guān)比不大，限制了其在阻變開關(guān)的應(yīng)用。在脈沖電壓測試的過程中表現(xiàn)出了與鐵電極化有關(guān)的阻變性質(zhì)，但是保持性較差，器件很快就表現(xiàn)出疲勞。分析原因可能是薄膜為

5、多晶的結(jié)構(gòu)，存在較多的晶粒間界為漏電流提供更多的導(dǎo)電路徑，還有上下電極與鐵電薄膜的接觸界面缺陷多，導(dǎo)致了大的漏電流，這些界面缺陷會將在脈沖電壓極化后的鐵電薄膜層中進(jìn)行電荷捕獲，在用小電壓掃描時(shí)不能完全體現(xiàn)出鐵電極化電荷對器件總電流變化產(chǎn)生的貢獻(xiàn)，所以高低阻態(tài)的比值不大，容易產(chǎn)生疲勞，但是采用的新型測試方法和關(guān)于器件中漏電影響的分析為下一步的工作奠定了基礎(chǔ)。
　　采用了摻鈮鈦酸鍶單晶襯底上制備的外延鐵電薄膜的Pt/BTO/NSTO異

6、質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在P-V測試中也表現(xiàn)出了漏電流的現(xiàn)象，但是在進(jìn)行常規(guī)模式的I-V測試的過程中，不僅發(fā)現(xiàn)了器件的單向整流作用，也發(fā)現(xiàn)了器件的雙極性電阻開關(guān)性質(zhì)。在常規(guī)模式下進(jìn)行電壓掃描，并不能區(qū)分出鐵電極化電荷對于電流的貢獻(xiàn)，我們采用了不同極性的短脈沖電壓對鈦酸鋇薄膜器件進(jìn)行極化后，再用小電壓掃描時(shí)我們發(fā)現(xiàn)了與鐵電極化相關(guān)的雙極性電阻開關(guān)現(xiàn)象，這正是新型鐵電阻變存儲器所具備的特征，具有非破壞性電阻讀取的優(yōu)勢。用連續(xù)多個(gè)大小不同的脈沖電壓對器件進(jìn)行

7、極化時(shí)，對應(yīng)于不同大小的電壓具有不同的阻態(tài)，也就是具有憶阻器的功能。并且該器件的雙穩(wěn)態(tài)阻變開關(guān)具有優(yōu)秀的保持性和循環(huán)性，在作為憶阻器的多級存儲時(shí)也具有很好的保持和循環(huán)性能。對器件進(jìn)行了定性的分析，并用能帶理論對器件的阻變行為和憶阻器行為作了解釋，結(jié)果表明雖然器件存在漏電流，由于與異質(zhì)結(jié)中的界面效應(yīng)和Pt/BTO界面和BTO/NSTO界面處形成的勢壘變化可能導(dǎo)致了阻變現(xiàn)象。由于勢壘調(diào)控的作用在短屏蔽的金屬Pt中是有限的，而NSTO作為n型

8、半導(dǎo)體確可以在鐵電場效應(yīng)的作用下實(shí)現(xiàn)多數(shù)載流子的積累和耗盡之間轉(zhuǎn)換，從而對器件整體的電流產(chǎn)生影響，因此BTO/NSTO界面更有可能是在Pt/BTO/NSTO異質(zhì)結(jié)中電輸運(yùn)中起主導(dǎo)作用。基于我們測試結(jié)果的以上分析，本質(zhì)上來講鐵電極化反轉(zhuǎn)是對上述阻變和憶阻行為的誘因。
　　下一步的工作就是為了更具體的證明與鐵電極化反轉(zhuǎn)相關(guān)的阻變現(xiàn)象，可以結(jié)合壓電力顯微鏡(PFM)和導(dǎo)電原子力顯微鏡(CAFM)從微觀的角度去進(jìn)一步證實(shí)這一現(xiàn)象，關(guān)于極化