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基于金属/反铁电PZT薄膜/氧化铝/硅结构的反铁电存储器的制备及性能研究

翁旭东  
【摘要】: 近年来,铁电存储器因具有低功耗、读写速度快、器件尺寸任意减小性和存储密度高等优点而得到广泛关注,其中金属/铁电/绝缘层/硅(MFIS)结构的铁电存储器更是具有非破坏性读取以及与CMOS工艺兼容等特点而成为铁电存储器未来发展的方向。但是,MFIS结构铁电存储器的数据保持特性比较差,这是阻碍其商业化应用的主要因素之一。造成MFIS结构铁电存储器数据保持特性差的主要原因是存在高密度的界面陷阱以及注入到铁电薄膜的电荷,它们会造成器件失效。 在反铁电薄膜/氧化铝叠层结构中,氧化铝层会起到隧道开关的作用,它会在电畴反转时打开而在极化反转完成后立刻关闭。在对反铁电薄膜/氧化铝施加足够高的电场后,反铁电薄膜会发生反铁电—铁电相变,同时氧化铝层由绝缘状态变为导通状态而使电荷注入到反铁电/氧化铝界面层。当外加电场撤除后,氧化铝层会回到绝缘状态而把注入电荷固定住,注入电荷会形成电场阻碍铁电—反铁电相变从而保持铁电相。这时会形成一个穿过氧化铝层的退极化场,该电场的方向可以通过改变铁电相的极化反转方向来改变。同MFIS结构铁电存储器相似,这个退极化场可以调节硅表面的电势从而调节源、漏间的沟道电流,能使沟道电流有明显的增大或减小,因此可以通过源、漏间电流读出所存储的信息,所以金属/反铁电薄膜/氧化铝/硅结构能够作为信息存储器件,可称其为反铁电存储器。由于反铁电存储器的退极化场远远小于MFIS结构铁电存储器,所以它的数据保持特性要优于铁电存储器。 本文中制备了金/反铁电PZT薄膜/氧化铝/n型硅结构反铁电存储器件,通过对其进行电容—电压回线测试,发现在19 V的写电压下,记忆窗口达到10 V,高、低电容比超过8∶1。在室温以及高温下测试其保持特性,结果表明反铁电存储器件的数据保持特性好于传统的MFIS结构铁电存储器。


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