BaTiO3鐵電薄膜的存儲(chǔ)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(chǔ)器在半導(dǎo)體行業(yè)中扮演著越來(lái)越重要的角色。然而當(dāng)今市場(chǎng)的需求是一些傳統(tǒng)存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)機(jī)制。其中一種新型的鐵電阻變存儲(chǔ)器吸引眾多研究者的巨大關(guān)注，其在外電場(chǎng)作用下可以實(shí)現(xiàn)鐵電疇的快速極化反轉(zhuǎn)，通過(guò)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(chǔ)器具有很多優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)器的有力競(jìng)爭(zhēng)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(cè)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(huì)隨著電壓逐漸增大，具有存儲(chǔ)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(kāi)關(guān)的性質(zhì)，但是由于器件結(jié)構(gòu)的原因?qū)е聦?xiě)入電壓過(guò)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，這是阻變存儲(chǔ)器的典型結(jié)構(gòu)，在極化強(qiáng)度和電壓(P-V)測(cè)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(duì)稱性，在

4、C-V測(cè)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(huì)有一定的應(yīng)用前景。在電流和電壓(I-V)測(cè)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(guò)程后表現(xiàn)出雙極性電阻開(kāi)關(guān)的性質(zhì)，但是開(kāi)關(guān)比不大，限制了其在阻變開(kāi)關(guān)的應(yīng)用。在脈沖電壓測(cè)試的過(guò)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(huì)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)試的過(guò)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(kāi)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(duì)于電流的貢獻(xiàn)，我們采用了不同極性的短脈沖電壓對(duì)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(kāi)關(guān)現(xiàn)象，這正是新型鐵電阻變存儲(chǔ)器所具備的特征，具有非破壞性電阻讀取的優(yōu)勢(shì)。用連續(xù)多個(gè)大小不同的脈沖電壓對(duì)器件進(jìn)行

7、極化時(shí)，對(duì)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(kāi)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(jí)存儲(chǔ)時(shí)也具有很好的保持和循環(huán)性能。對(duì)器件進(jìn)行了定性的分析，并用能帶理論對(duì)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(shì)壘變化可能導(dǎo)致了阻變現(xiàn)象。由于勢(shì)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(chǎng)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(duì)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?；谖覀儨y(cè)試結(jié)果的以上分析，本質(zhì)上來(lái)講鐵電極化反轉(zhuǎn)是對(duì)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