【摘 要】
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氧化铪基铁电场效应晶体管（Fe FET）型存储器作为下一代非挥发性存储器中的有力竞争者,具备低功耗、高速、高容量、与CMOS工艺兼容等优点。目前,国内外科研工作者在广泛开展Fe F
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氧化铪基铁电场效应晶体管（Fe FET）型存储器作为下一代非挥发性存储器中的有力竞争者,具备低功耗、高速、高容量、与CMOS工艺兼容等优点。目前,国内外科研工作者在广泛开展Fe FET中薄膜的制备、器件结构、工艺和性能研究的基础上,推出了小容量的Fe FET原理型芯片。然而在产业化进程中,新型氧化铪基铁电薄膜及器件的可靠性研究远远不足。本论文以新型氧化铪基铁电电容MFM（金属/铁电/金属）结构为研究对象,围绕退火温度、应用温度、退火方式以及电应力等因素对其铁电性能的影响开展了深入研究,主要内容如下:1. 研究了厚度和电容面积、应用温度对Hf0.5Zr0.5O2（HZO）铁电薄膜性能的影响。在5～20 nm厚度范围HZO铁电薄膜测试结果显示其铁电性能严重依赖薄膜生长工艺。通过电容面积对比实验,发现剩余极化强度和矩形度易受电极面积影响,100μm×100μm面积以上剩余极化强度变小,矩形度变差。不同应用温度环境下的测试结果表明HZO铁电电容在不超过85°C时电学性能无明显变化,而且极化稳定性良好。2. 通过不同退火方式模拟了集成工艺温度对铁电薄膜性能的影响,发现后端集成温度会造成Pr衰减,Ec漂移。分步退火比单步高温退火更有利于促进薄膜结晶,并能在一定程度上减小“唤醒”效应,为制备免唤醒效应氧化铪基铁电薄膜提供了新的思路。3. 最后开展了电应力对铁电薄膜极化稳定性影响的研究。铁电层击穿来自于时变击穿（TDDB）,而不是应力感应漏电流（SILC）。击穿时间与电极面积相关,而击穿实质与电荷积累有关,击穿电压满足威布尔分布。不同厚度薄膜外推使用寿命都能够达到10年以上。恒定电压应力（CVS）对于铁电性能的影响是由于CVS后缺陷偶极子、氧空位、带电杂质等有方向性的重新排列分布,使其在界面/晶界处聚集,导致畴钉扎,造成剩余极化值减低,并在实验上得到直接的证据,进一步解释了“唤醒”效应的内在机理,为器件优化提供了依据。
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