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萤石型锆掺杂氧化铪铁电薄膜的~(60)Co γ射线总剂量辐射效应研究

孙琦  
【摘要】:铁电存储器(Fe RAM)是一种以铁电材料作为数据载体的非易失性存储器,因其良好的抗辐射性能,在医疗、航空航天等领域一直备受关注。然而,现有钙钛矿型铁电薄膜材料可微缩性差、与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺不兼容,使得Fe RAM的集成工艺复杂、存储容量小,限制了Fe RAM的大规模应用。萤石型氧化铪基铁电薄膜(FE-Hf O_2)是一种与CMOS工艺高度兼容的新型铁电材料,且厚度薄至3 nm以下仍能保持铁电性,为研制高密度、抗辐射Fe RAM带来了转机。然而,关于FE-Hf O_2辐射效应的研究鲜有报道。另外,研究表明不同晶体结构铁电材料的抗辐射性能存在一些差异。基于此,本论文首先制备出电学性能较符合Fe RAM应用的锆掺杂氧化铪(HZO)铁电薄膜;并对制备的HZO铁电薄膜的总剂量辐射效应进行系统地研究。主要研究内容和结果包括:(1)基于Fe RAM的应用要求,采用原子层沉积(ALD)方法制备Ti N/HZO铁电薄膜/Ti N铁电电容,对不同Zr O_2:Hf O_2比例、退火条件和厚度等关键工艺条件下HZO铁电薄膜的电学性能进行详细地分析。结果表明,厚度为12 nm、退火条件为550℃/1 min和Zr O_2:Hf O_2比例为5:5时的HZO铁电薄膜各项电学性能相对较好:工作电压为3 V时,平均剩余极化值高达10μC/cm~2、平均矫顽场为1.2MV/cm、相对介电常数为20、漏电流密度约为10~(-5)A/cm~2,在高密度Fe RAM应用中展现出相对优势。(2)系统地研究~(60)Coγ射线辐射对HZO铁电薄膜电学性能和微观结构的影响。结果表明,当HZO铁电薄膜厚度由20 nm缩小至12 nm时,~(60)Coγ射线辐射对其电学性能的影响也随之减弱,这表明抗辐射HZO基Fe RAM的可微缩性。经历高达10 Mrad(Si)剂量辐射后,厚度为12 nm的HZO铁电薄膜剩余极化值仅下降5%、相对介电常数减小0.04%;且表面形貌、局部电畴翻转、漏电流特性、保持性能以及抗疲劳性能等均未发生明显变化。这表明HZO铁电薄膜在高辐射剂量环境下具有较高的稳定性。


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