文档介绍：摘要
摘要
铁电随机读写存储器(FeRAM)由于具有非挥发性、低功耗、高读写次数、高
存取速度、高密度存储、抗辐射、与集成电路(IC)工艺兼容等突出优点,而被公
认为下一代最具潜力的存储器之一,在计算机、航空航天和国防等领域具有广
阔的应用前景。作为 FeRAM 中的一种,由铁电场效应晶体管(FeFET)作为存储
单元的铁电存储器除了具有 FeRAM 的优点以外,还具有结构简单、非破坏性读
出、遵循集成电路比例缩小原则的优点,是一种理想的存储器,代表着未来通
用存储器的发展方向。因此,本文以 FeFET 为研究对象,首先对无铅铁电薄膜
及其存储器的研究进展进行了评述,主要讨论了:(1) 铁电薄膜材料的制备方法、
基本物理特性及性能表征;(2) 铁电存储器的发展历史和现状;(3) FeFET 的工
作原理及可靠性问题:疲劳、印记失效、保持性能损失。在此基础上,利用实
验、理论建模与分析、数值模拟和集成电路设计等方法,研究了 MF(M)IS 结构
铁电薄膜场效应晶体管的制备及性能表征。主要内容和结果如下:
(MBE)制备了厚度为10nm~40nm的Y2O3绝缘层薄膜、
用射频磁控溅射的方法(RF ron sputtering)制备了厚度为20nm~110nm的
CeO2绝缘层薄膜,采用Al/Y2O3/p-Si(100)/A1和Au/CeO2/n-Si(100)/Au两种电容结构
对Y2O3和CeO2薄膜在不同退火温度下的微观结构、介电常数、捕获电荷密度、电
容-电压特性(C-V)和电流-电压特性(I-V)等电学性能进行了分析测试。制备出来的
Y2O3绝缘层薄膜(as-deposited)是非晶型的,经过退火处理后从非晶型向多晶型转
变;而CeO2薄膜一开始就是多晶型的,晶粒大小为20nm至41nm。随着退火温度的
上升,各衍射峰和拉曼峰都逐渐增强,绝缘层薄膜变得越来越致密、平整,晶粒
的尺寸也逐渐增大。Y2O3和CeO2绝缘层薄膜的介电常数随着退火温度的上升而下
降。Y2O3薄膜的氧化层捕获电荷密度(Qot)随退火温度增加而减少;而CeO2薄膜的
氧化层捕获电荷密度和界面捕获电荷密度(Qit)随退火温度的增加而增加,与我们
希望通过退火来尽可能降低各种捕获电荷密度的预期不一致。捕获电荷密度的增
加除了与原材料、制备工艺有关外,也可能是CeO2薄膜内部的应力所致。漏电流
可能是多种机制共同作用的结果,其大小与绝缘层薄膜的形貌、沉积方法及后退
火条件密切有关。当退火温度增加时,漏电流变得越来越小。在退火的过程中,
绝缘层薄膜变得致密、界面氧化层的生长是造成漏电流密度随退火温度的增加而
降低的主要原因。
(CSD)对钛酸铋 BIT 铁电薄膜进行掺杂改性研究,掺
3+ 3+ 3+ 5+
入稀土离子 Yb 、 Dy 和 Nd /V 在 Pt/Ti/SiO2/Si 基片上分别制备出
Bi4-xYbxTi3O12 (BYT)、Bi4-x DyxTi3O12 (BDT)和(Bi4-yNdy)(Ti3-xVx)O12 (BNTV)薄膜。
探索了不同的化学配比、退火温度、退火气氛等条件对铁电薄膜的电滞回线(P-E)、
电流-电压特性(I-V)、电容-电压特性(C-V)、抗疲劳性和电滞回线-频率依赖关系等
I
湘潭大学博士学位论文
性能的影响。实验表明,掺入稀土离子对铁电薄膜的性能有较大的改善:BYT 薄
膜的结晶度随着退火温度的提高而改善,700°C 退火的 BYT 薄膜的剩余极化值最
大,为 /******@400kV/cm;Dy 元素掺杂可以大大地提高 BIT 薄膜的剩余极化
值, 其中,Dy 的成份 x 值为 的薄膜即 薄膜具有最大的剩余极
2
化(2Pr)值(2Pr= );退火气氛对薄膜的微观结构和铁电性能等都有很大
的影响,并且氮气中退火可以大大降低 BDT 薄膜的结晶温度;BNTV 薄膜的最佳
退火温度可达 800°C,相对于 BNT 薄膜有所提高,可见钒掺杂对铋元素的挥发有
一定的抑制作用;实验中发现()()O12 薄膜具有比 BNT 薄膜更
低的漏电流(×10-9A @ 3V)和更好的抗疲劳特性。因为 BNTV 薄膜中钒含量
的变化会引起薄膜氧空位、空间电荷变化或发生晶格畸变,所以控制适量的钒掺
杂可制备电学性能优良的 BNTV 薄膜。
,改进经典的 Preisach
模型,并修正由积分近似