【摘 要】
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随着人们对数据存储需求的增加,越来越多的存储器件应运而生。一直以来,铁电材料广泛应用于铁电隧道结和忆阻器等存储器件中。然而传统的钙钛矿型铁电体应用于硅基上有着许多困难,如尺寸效应,矫顽场较小,与CMOS工艺不兼容等。这些问题限制了铁电材料在存储器件中的应用。二元氧化物HfO2由于其与CMOS工艺具有较好的兼容性而被广泛应用。在掺杂HfO2中发现铁电性后,迅速引起了人们的广泛关注。HfO2作为新兴材
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随着人们对数据存储需求的增加,越来越多的存储器件应运而生。一直以来,铁电材料广泛应用于铁电隧道结和忆阻器等存储器件中。然而传统的钙钛矿型铁电体应用于硅基上有着许多困难,如尺寸效应,矫顽场较小,与CMOS工艺不兼容等。这些问题限制了铁电材料在存储器件中的应用。二元氧化物HfO2由于其与CMOS工艺具有较好的兼容性而被广泛应用。在掺杂HfO2中发现铁电性后,迅速引起了人们的广泛关注。HfO2作为新兴材料潜力巨大,而且在理论计算中La:HfO2薄膜更可以达到62μC/cm2的巨大极化值。然而,铁电HfO2材料的铁电来源,疲劳机制等重要的物理机制仍然未有统一的认知。因此,本文主要对以下几个内容进行研究:1.对La:HfO2薄膜的制备工艺进行了探索,对La:HfO2薄膜的结构性能进行测试,分析了La:HfO2薄膜铁电性产生的原因。最终制备了表面平整的La:HfO2薄膜,其表面起伏度为400 pm左右,其最大可翻转极化为32.3μC/cm2。2.研究了应力对La:HfO2薄膜的影响。通过改变衬底和La:HfO2薄膜的厚度,研究了应力对于La:HfO2薄膜铁电性的影响。证明了应力可以促进La:HfO2薄膜铁电相的产生,从而提高La:HfO2薄膜的铁电性能。3.研究了La:HfO2薄膜输运机制随厚度的变化。对不同厚度的La:HfO2薄膜进行漏电流测试,用模型进行拟合,最终确定了较薄的La:HfO2薄膜的输运机制为直接隧穿,随厚度逐渐增加,普尔-法兰克发射变为主导的隧穿机制。4.研究了La:HfO2薄膜的器件可靠性和疲劳机制。通过设计的波形,改变翻转电压,翻转时间和翻转间隔,研究了La:HfO2薄膜的疲劳特性。结果表明,当翻转间隔增大时和翻转不完全时更容易疲劳。最后,通过动力学测试手段对铁电翻转作了进一步研究。拟合了其疲劳前后的激活电场,疲劳后激活电场变大,因为电荷在较大电场刺激下逸出钉扎的畴壁。不同状态下的激活电场的不同进一步证明了畴钉扎机制是La:HfO2薄膜疲劳的主要机制。
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