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氧化铪锆铁电MIM结构存储器的制备和性能

氧化铪锆铁电MIM结构存储器的制备和性能

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作者：朱曦上海交通大学

学位级别：硕士

HfO具有优良的电介质特性,长期作为一种普通的电介质被应用于栅介质层。近年来HfO和ZrO的铁电性逐渐被应用到器件当中。铁电氧化铪存储器是一种优良的铁电薄膜存储器,具有大的介电常数,操作电压小,读写速度高,以及抗辐照性能。HfO的工... 详细信息

HfO具有优良的电介质特性,长期作为一种普通的电介质被应用于栅介质层。近年来HfO和ZrO的铁电性逐渐被应用到器件当中。铁电氧化铪存储器是一种优良的铁电薄膜存储器,具有大的介电常数,操作电压小,读写速度高,以及抗辐照性能。HfO的工作厚度在十几个纳米左右,稳定性高和低功耗,在高密度存储方面具有其独特的优势。铁电氧化铪器件的转变机理建立于电畴和晶胞中氧原子位置的变动,因此器件特性受掺杂成分,膜质量和退火条件等各种因素的影响。论文采用磁控溅射法制备了锆含量占比为0.134和0.156的TiN/HfZrO/TiN结构的薄膜器件,并对器件进行了不同条件下的退火实验。论文研究了氧化铪锆器件的电流、极化和循环特性,以及器件特性随退火温度和退火时间改变的变化规律,并结合微观结构表征手段对器件特性随退火条件变化的规律做出了解释。在此基础上,得出溅射法制备氧化铪锆的适用退火条件。当退火温度低于氧化铪的居里温度,退火后的器件仍表现出顺电性而不具有铁电性。采用磁控法制备出的氧化铪锆器件在氧气中快速退火的最佳退火温度为600℃,最佳退火时间为50s。在退火过程中,适当地延长退火时间可以提高器件性能。在转变机理方面,本论文对铁电氧化铪锆薄膜铁电性苏醒的过程中,器件的极化和电容的循环表现进行了研究。实验中使用原子层沉积的方法掺杂制备了Pt/TiN/HfZrO/TiN叠层结构的器件,并对其进行了球差透射电镜实验和电子能谱EDS元素分析和元素分布图谱表征,测试了器件在10个循环内电容电压曲线、极化电压曲线变化。依据电学性能测试的结果,结合材料表征,参照铁电电容模型和形核长大过程对于HfZrO薄膜特性和唤醒机理进行了研究。

关键词：铁电氧化铪锆 MIM结构磁控溅射退火

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