MFIS結構中鐵電疇變的實驗研究.pdf

1、金屬/鐵電薄膜/絕緣層/硅(MFIS)結構鐵電場效應晶體管(FeFET)由于具有非揮發(fā)信息存儲、高讀寫速度、高存儲密度、強抗輻射能力和非破壞性讀出等優(yōu)點,引起了人們極大的關注。SrBi2Ta2O9(SBT)薄膜為具有抗疲勞性能好、漏電流低等優(yōu)異特點的重要無鉛鐵電材料,HfO2薄膜為較高介電常數(shù)的絕緣層材料,并且SBT和HfO2的多層膜結構具有好的熱穩(wěn)定性,能夠與大規(guī)模集成電路制備工藝兼容,于是Pt/SBT/HfO2/Si成為了應用于Fe

2、FET的重要MFIS結構。鐵電疇變是指鐵電疇在電場、力場或者力電耦合場作用下發(fā)生的翻轉(zhuǎn),它是鐵電材料中各種物理過程和現(xiàn)象的基礎，直接決定著鐵電器件的性能。其中，在退極化場等作用下發(fā)生的背翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象會導致鐵電材料和器件性能衰退。所以,對鐵電材料和鐵電器件中鐵電疇變的研究將有著非常重要的意義。本論文首先采用脈沖激光沉積(PLD)方法制備了Pt/SBT/HfO2/Si結構,然后利用壓電響應力顯微鏡(PFM)觀測了其電疇結構及其在外加電場下的翻轉(zhuǎn)

3、行為,并研究了SBT/HfO2/Si結構在撤掉寫入電場后鐵電疇的演化,最后討論了其演化機制。具體工作和結果概括如下:
　　1.Pt/SBT/HfO2/Si結構的制備及性能表征
　　采用PLD先后制備了SBT薄膜、HfO2薄膜和Pt/SBT/HfO2/Si結構,對所制備的樣品的微觀結構及電學性能進行了表征,并研究了掃描電壓、HfO2薄膜厚度對Pt/SBT/HfO2/Si結構存儲窗口的影響。結果表明:(1)SBT薄膜為隨機取向的

4、多晶結構,具有良好的鐵電性能;(2)HfO2薄膜具有較高的介電常數(shù)和低的漏電流,與基底之間的界面比較清晰、平整;(3)Pt/SBT/HfO2/Si結構的存儲窗口隨掃描電壓的增大先增大后下降,隨HfO2薄膜厚度的增大而減小,Pt/SBT/HfO2/Si結構在掃描電壓為6 V、HfO2薄膜厚度為6 nm時具有好的性能指標,積累態(tài)電容在8小時后僅降低了5％,存儲窗口在1010次翻轉(zhuǎn)后也只下降了18%。
　　2.SBT/HfO2/Si結構

5、中電疇結構及外電場下電疇翻轉(zhuǎn)的觀測
　　利用PFM對SBT薄膜和SBT/HfO2/Si結構中的鐵電疇結構進行了觀測,并研究了其在外電場作用下的翻轉(zhuǎn)行為。結果表明:(1)SBT薄膜和SBT/HfO2/Si結構均具有清晰的原始電疇結構;(2)在外電場作用下,SBT薄膜和SBT/HfO2/Si結構中原始電疇發(fā)生了較完全的翻轉(zhuǎn),電疇的翻轉(zhuǎn)行為主要受到外電場和內(nèi)建電場的共同作用;(3)SBT薄膜和SBT/HfO2/Si結構中微區(qū)的相位滯后回

6、線表明電疇在周期外電場作用下發(fā)生180°的翻轉(zhuǎn)。
　　3.SBT/HfO2/Si結構保持性能損失過程中電疇演化的觀測
　　利用PFM觀測了SBT/HfO2/Si結構撤掉寫入電場后77 h內(nèi)電疇的演化,并討論了其演化機制。結果表明:(1)撤掉寫入電場后,SBT/HfO2/Si結構中電疇發(fā)生了背翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象;(2)背翻轉(zhuǎn)過程分為兩個階段：撤掉寫入電場后的短時間內(nèi)電疇發(fā)生快速的背翻轉(zhuǎn),接下來較長的時間內(nèi)電疇背翻速度非常緩慢;這主要是隨