基于氧化铪的fefet栅结构制备及其电学性能研究

《基于氧化铪的fefet栅结构制备及其电学性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、学校代码10530学号201510131293分类号TB34密级硕士学位论文基于氧化铪的FeFET栅结构制备及其电学性能研究学位申请人刘巧灵指导教师彭强祥学院名称材料科学与工程学院学科专业材料科学与工程研究方向微电子材料与器件工程二〇一八年六月TheStudyofFabricationandElectronicPropertiesofHafniumOxideBasedFeFETGateStructureCandidateQiaolingLiuSupervisorQiangxiangPengCollegeSchoolofMateria

2、lsScienceandEngineeringProgramMicroelectronicMaterialsandDevicesSpecializationMaterialScienceandEngineeringDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018I摘要铁电存储器具有低功耗、高读写速度、抗辐射性能好及非易失性等优点，是当前最被看好的几类新型存储器技术之一。长期以来，由于采用传统钙钛矿铁电薄膜的1T-1C型铁电存储器中铁电薄膜厚度较大，且

3、存储单元面积大，存储容量低，越来越难以满足应用要求。近年来，随着氧化铪基铁电薄膜的发展，与CMOS兼容的1T型铁电存储器成为了研究热点，有望突破铁电存储器容量限制瓶颈。本文围绕基于氧化铪薄膜材料的铁电晶体管核心部件铁电栅结构展开研究，具体研究内容如下：(1)为研究MFIS铁电栅中绝缘层对铁电薄膜性能的影响，采用射频磁控溅射和溶胶凝胶法分别制备了介电常数为12的二氧化铪high-k介质薄膜和2Pr为218μC/cm的SBT薄膜。并在基于传统SBT薄膜的MFIS(Pt/SBT/HfO2/Si)栅结构中验证了high-k层对铁电栅性能的影

4、响，认为适当减薄绝缘层的厚度有利于获得较大的存储窗口。(2)采用原子层沉积法制备了铁电氧化铪HZO薄膜。基于MFM(Metal-Ferroelectric-Metal)结构对HZO铁电薄膜的电学性能进行了研究。研究结果表明，相比传统铁电薄膜SBT，新型铁电薄膜HZO具有更优异的电学性2能，如更大的剩余极化值(～17μC/cm)，更薄的物理厚度(9nm～18nm)，更大的矫顽电场(～1.5MV/cm)。同时研究了基于新型铁电薄膜HZO的MFIS(TiN/HZO/HfO2/Si)栅结构电容的铁电性能，经过对样品的测试我们发现，所制备的M

5、FIS栅结构电容无Wake-up效应，无需退火，具有较好的抗疲劳性能，9当循环次数达到10时，剩余极化值的变化率在10%以内，且在测试温度为60°C时，MFIS栅结构的保持性能能在长时间内稳定。这些测试结果表明所制备的基于HZO薄膜的MFIS栅结构电容具有良好的电学性能，能应用于新型氧化铪基铁电晶体管的研制。(3)针对1T型铁电存储器航空航天应用的极端辐射环境，探究了MFIS(TiN/HZO/HfO2/Si)栅结构电容的总剂量辐射效应。本次辐照实验的剂量率为50rad(Si)/s，分200rad(Si)、500rad(Si)、1Mr

6、ad(Si)、3Mrad(Si)、5Mrad(Si)五个辐照剂量等级。测试结果表明，辐照后MFIS栅结构的剩余极化值变化率在5%以内，保持性能的变化率在8%以内，基本和辐照前试样相比基本保持不变，说明所制备的基于HZO薄膜的MFIS栅结构电容具有很好的抗辐照性能。关键词：HZO铁电薄膜；MFMIS栅结构；MFIS栅结构；总剂量效应IIAbstractFerroelectricrandomaccessmemory(FRAM)whichisoneofthemostpromisingnewtypesofmemorytechnologies

7、hasmanyadvantages,suchaslowpowerconsumption,highread/writespeed,goodradiationresistanceandnon-volatileproperties.Astimegoesby,the1T1C-typeFRAMusingconventionalperovskiteferroelectricthinfilmshasbeenincreasinglydifficulttomeettheapplicationrequirements,duetothebigthickn

8、essofferroelectricthinfilms,largememorycellareaandlowstoragecapacity.Recently,withthedevelopmentofHafniumoxide(HfO2)f