鐵電薄膜制備及新型鐵電存儲器研究.pdf

1、鐵電存儲器是一種利用鐵電薄膜材料的自發(fā)極化在電場中兩種不同取向作為邏輯單元來存儲數(shù)據(jù)的非易失性存儲器，且具有高速度讀寫、高密度集成、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。本博士論文主要分為兩大部分:一部分以鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電薄膜制備方法和性能研究為基礎(chǔ)，采用新的電學(xué)測試方法研究鐵電薄膜界面鈍化層效應(yīng)和界面層電學(xué)特性，在其基礎(chǔ)上研究鐵電柵介質(zhì)/摻鋁氧化鋅薄膜的晶體管存儲器件;另一部分以鐵酸鉍(BFO)鐵電薄膜制備方法和性能研究為基礎(chǔ)，研究BFO鐵電疇反轉(zhuǎn)調(diào)制

2、二極管p-n結(jié)電流的阻變存儲器件。
　　第一部分，首先利用溶膠-凝膠法(Sol-Gel)制備了鋯鈦酸鉛(PZT)鐵電薄膜，并通過微電子工藝制作了金屬/鐵電薄膜/金屬(MFM)電容器結(jié)構(gòu)以及鐵電柵介質(zhì)/摻鋁氧化鋅薄膜晶體管結(jié)構(gòu)，同時(shí)對PZT鐵電薄膜性能、鐵電薄膜界面鈍化層以及鐵電柵介質(zhì)/摻鋁氧化鋅薄膜晶體管的相關(guān)電學(xué)特性等進(jìn)行分析，具體內(nèi)容如下:
　　(1)利用溶膠-凝膠法(Sol-Gel)，在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上

3、制備PZT鐵電薄膜。研究不同鉛過量先體溶液對PZT薄膜鐵電性能影響，并得到薄膜沉積過程中優(yōu)化合理的鉛含量。研究表明，在(111)晶向Pt襯底電極上制備的PZT鐵電薄膜展示了良好的(111)擇優(yōu)取向。30％鉛過量的PZT鐵電薄膜足夠補(bǔ)償薄膜制備工藝中引發(fā)的鉛損失。薄膜展示了對稱且矩形的電滯回線（P-V）、良好的疲勞特性、蝴蝶狀C-V曲線和良好的絕緣特性等。
　　(2)研究了PZT鐵電薄膜矯頑電壓與頻率的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明它符合Ish

4、ibashi的冪定律關(guān)系，頻率系數(shù)βf與界面鈍化層有緊密關(guān)系。PZT鐵電薄膜界面鈍化層會增大電疇矯頑電壓，并且界面鈍化層對矯頑電壓依賴頻率變化關(guān)系有鈍化作用。這與多數(shù)科學(xué)家們認(rèn)為界面層的存在會導(dǎo)致矯頑電壓減小的觀點(diǎn)正好相反，為電疇反轉(zhuǎn)動力學(xué)的研究提供更加正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　(3)采用疇壁共釘扎與退釘扎效應(yīng)共存的極化疲勞模型模擬了薄膜的疲勞特性。發(fā)現(xiàn)溫度升高會惡化疲勞特性，這表明高溫有利于電荷載流子移動并從電極注入到薄膜內(nèi)部，而載

5、流子注入所產(chǎn)生的電荷屏蔽效應(yīng)阻止了新疇成核生長，從而加強(qiáng)鐵電疇壁釘扎效應(yīng)。從以上疲勞模型獲得釘扎系數(shù)F1和F2與薄膜界面層導(dǎo)電成比例關(guān)系，證明了鐵電薄膜界面鈍化層導(dǎo)電機(jī)制符合Schottky熱電荷發(fā)射機(jī)制。通得這一關(guān)系，計(jì)算出對應(yīng)F1和F2處的界面鈍化層的介電常數(shù)和厚度的參數(shù)值（βt）約為5320和8480，βt值隨疲勞次數(shù)的增加而增大表明了鐵電疲勞效應(yīng)增厚了鐵電薄膜界面層。該方法提供了一種研究鐵電薄膜界面層介電常數(shù)、勢壘高度等電學(xué)物理

6、性質(zhì)新途徑。
　　(4) PZT鐵電薄膜電容-電壓(C-V)特性展現(xiàn)出一個(gè)漂亮的蝴蝶狀(butterfly profile)圖，從中得到的矯頑電壓與從電滯回線中得到的矯頑電壓一致。漏電流測試證明，30％鉛過量的PZT鐵電薄膜具有優(yōu)良的絕緣特性。
　　(5)通過全新的脈沖電壓法，從電疇反轉(zhuǎn)電流中直接得到鐵電薄膜矯頑電壓，證實(shí)性能優(yōu)良的30％鉛過量的PZT鐵電薄膜中界面鈍化層的存在，最終得到不同電疇極化反轉(zhuǎn)電流下的界面鈍化層的電

7、流-電壓（Ii-Vi）關(guān)系和鐵電薄膜本征矯頑電壓。從以上關(guān)系中證明界面鈍化層電流-電壓(Ii-Vi)關(guān)系滿足Schottky熱電荷發(fā)射機(jī)制，進(jìn)一步計(jì)算出界面鈍化層的介電常數(shù)和厚度的參數(shù)值（系數(shù)βs）為14。這是傳統(tǒng)的測量技術(shù)所無法達(dá)到的。實(shí)驗(yàn)表明，電疇極化反轉(zhuǎn)電流與鐵電薄膜本征矯頑電場（Isw-Ec）的關(guān)系滿足Merz定律，并得到本征電疇壁激活場強(qiáng)(δ=1.4 kV/cm);糾正過去的疇壁激活場強(qiáng)計(jì)算中忽略了界面鈍化層的影響，從而不能準(zhǔn)

8、確地反應(yīng)本征電疇壁運(yùn)動規(guī)律。
　　(6)采用磁控濺射法(PVD)，在室溫下在SiO2/Si襯底上制備出摻鋁氧化鋅薄膜(AZO)，得到單一ZnO(002)晶相;證明在N2氣氛中以及400℃退火條件下，AZO薄膜具有良好的半導(dǎo)體特性。成功地在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上制備出倒柵結(jié)構(gòu)的鐵電柵介質(zhì)/摻鋁氧化鋅薄膜晶體管(FeFET)，在PZT鐵電薄膜基礎(chǔ)上生長出的AZO薄膜也具有擇優(yōu)(002)取向。鐵電柵介質(zhì)/摻鋁氧化鋅薄膜晶體管(

9、FeFET)隨著電疇正反兩種不同取向能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)態(tài)電流轉(zhuǎn)變，柵電壓VGS=0時(shí)，源漏電壓VDS=1.8 V時(shí)，開關(guān)比可達(dá)到1000。
　　論文第二部分，利用脈沖激光沉積法(PLD)制備出釕酸鍶(SRO)下電極導(dǎo)電薄膜、鐵酸鉍(BFO)鐵電薄膜，最終采用微電子工藝技術(shù)制作出Au/BFO/SRO/STO電容器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鐵電疇反轉(zhuǎn)調(diào)制二極管電流的阻變存儲器件，同時(shí)對BFO鐵電薄膜中鐵電疇反轉(zhuǎn)所引起地二極管阻變性能及其導(dǎo)電機(jī)制等進(jìn)行研究分

10、析，具體內(nèi)容如下:利用脈沖激光沉積法(PLD)，成功地在不同晶向的鈦酸鍶(STO)單晶襯底上制備出優(yōu)良導(dǎo)電性能的釕酸鍶(SRO)下電極，(100)和(111)取向的下電極的電阻率分別為359.7μΩ·cm和367.5μΩ·cm;并且薄膜表面十分平整，粗糙度都在1 nm內(nèi)，均方根粗糙度(RMS)都在0.25 nm內(nèi)。
　　(1)利用PLD技術(shù)成功地在不同取向鈦酸鍶(STO)單晶襯底上生長出表面平整的BFO鐵電薄膜。研究發(fā)現(xiàn):在一定氧

11、氣壓下，制備出表面平整的BFO鐵電薄膜應(yīng)該選擇合理的沉積溫度;在不同的制備氧氣壓下，制備出同樣平整度的薄膜在較高氧氣壓下需要較高的沉積溫度或較低的氧氣壓下需要較低沉積溫度。以上薄膜生長規(guī)律同樣也適用于在不同取向SRO/STO導(dǎo)電襯底上薄膜生長。物相分析表明，不管是在STO還是在SRO/STO襯底上生長出的BFO鐵電薄膜都隨襯底晶向擇優(yōu)取向生長。
　　(2)對BFO鐵電薄膜電疇進(jìn)行電學(xué)測試分析，發(fā)現(xiàn)厚的(100 nm以上)BFO(1

12、00)鐵電薄膜容易釋放與襯底晶格失配引起的匹配應(yīng)力，電疇釘扎現(xiàn)象不明顯;而超薄BFO(100)鐵電薄膜（幾十個(gè)納米）由晶格匹配應(yīng)力效應(yīng)所導(dǎo)致電疇釘扎現(xiàn)象明顯。
　　(3)在(111)晶向STO單晶襯底上成功地制作了Au/BFO/SRO/STO電容器結(jié)構(gòu)，具有隨鐵電疇反轉(zhuǎn)調(diào)制二極管電流的阻變特性，可運(yùn)用在非揮發(fā)的信息存儲。清晰地觀察到BFO鐵電薄膜中二極管p-n結(jié)極性隨電疇取向發(fā)生變化的現(xiàn)象，獲得穩(wěn)定的二極管電流密度可達(dá)550 mA

13、/cm2，且測量結(jié)果重復(fù)性好。通過二極管電流保持特性測試，關(guān)態(tài)電流隨時(shí)間在104秒范圍內(nèi)基本保持恒定，開態(tài)電流稍微減小，且開關(guān)電流比一直保持在5∶1。該鐵電二極管阻變存儲器較一般金屬氧化物阻變存儲器(RRAM)中電導(dǎo)絲產(chǎn)生和破滅的運(yùn)行機(jī)制可靠性更高。
　　(4)研究表明BFO鐵電二極管電流導(dǎo)電機(jī)制為空間電荷限制電流(SCLC)。得出BFO鐵電疇反轉(zhuǎn)所引起二極管極性改變現(xiàn)象是由界面控制的類體效應(yīng)導(dǎo)電機(jī)制，其物理特性是通過極化反轉(zhuǎn)控制