Si摻雜HfO2鐵電薄膜的可靠性研究.pdf

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

2、紀90年代以來得到了人們的廣泛關注。迄今為止，大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的鐵電存儲器主要采用Pb(ZrTi)03(PZT)等鈣鈦礦結構的鐵電材料。實踐證明，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，因此鐵電存儲器長期面臨高制造成本和低存儲密度的發(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。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器發(fā)展的材料瓶頸，從而獲得存儲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，特別是對于可靠性這一決定其應用價值的關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，從宏觀電學性能的角度，詳細研究Hf02基鐵電薄膜應用于非易失性鐵電存儲器的潛能與限制因素。實驗結果

4、表明，熱激活相關的極化反轉行為可以根據(jù)電場強度分為三類：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模型。交變電場作用下，薄膜剩余極化強度(尸r)隨極化反轉次數(shù)的增加先升高后降低，據(jù)此將薄膜的耐久性分為兩個階段：wake—up效應與疲勞現(xiàn)象。電場驅動下，底電極界面層缺陷重新分布解釘扎疇壁，是產(chǎn)生wakeup效應的根本原因。提高電場強度、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