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HfO_2基铁电薄膜的制备与电性能研究

刘潮锋  
【摘要】:随着信息时代的发展和高新科技的更新换代,微电子领域俨然走在时代的前沿迅速发展。传统的器件尺寸已经满足不了人们对更小电子设备的追求,因此需要更小尺寸的电子设备也就需要更小的微电子器件。然而传统的MOSFET器件主要栅介质层为Si O_2,当需求更小尺寸的MOS器件时,介电常数相对较小的Si O_2层会导致电子的的直接隧穿效应,即栅极需要承受更大的电场,从而引起漏电流增大和可靠性下降等严峻的问题,间接阻碍了微电子技术的快速发展。同时,光电器件也是研究热点,现在追求易于制备、性能更优、损伤阈值更大的光电二极管。另一方面,阻变随机存储器因为擦写更快,耐久性能更好而成为最热门研究的存储器,可是对其存储机制依然存有很多异议,国内甚至教科书还么有出现忆阻器,并没有重视忆阻器在未来的发展。在存储器领域中,铁电存储器比闪存更快,有望成为替代可擦除只读存储器和静态随机存取存储器铁电薄膜。鉴于以上情形,本文深入研究了高介电常数氧化物Hf O_2,以代替Si O_2引起的尺寸效应,另外也发现了Hf O_2基MOS器件还具备光电二极管性能。首先,我们首次对Au/Hf O_2/p-Si/Au(MOSM)结构进行了系统的研究。采用磁控溅射法将Hf O_2镀在干净的p-Si上,再在上下镀上金电极并在氧气氛围750℃下退火制备成光电二极管器件。XPS结果显示Hf O_2薄膜在紫外频段具有极好的穿透性,使其具有制备成光电二极管的条件。器件的电流电压特性展示出在紫外线强度从1.91 m W/cm~2增加到到23.5 m W/cm~2时,器件产生的光电流会越来越大。在8 V偏压下,紫外光强度达到23.5 m W/cm~2时,器件的光生电流最大值达到了42 m A,与现存应用的光电二极管相比,其产生的光电流可能要更加大。在强注入时,器件依然没有饱和趋势,侧面反映出极高的损伤阈值,另外无论弱注入还是强注入,该器件都具有驰豫特点。其次,进行了HfO_2基阻变随机存储器的制备和性能机制分析。采用的是最快捷的溶胶凝胶法,制备了Au/Hf O_2/Pt/Ti/Si O_2/Si和Au/Hf O_2/Pt/mica两种不同基底的器件。Au/Hf O_2/Pt/Ti/Si O_2/Si器件中Hf O_2薄膜层晶格氧/缺陷氧之比为0.32,而Au/Hf O_2/Pt/mica器件的则为0.25,而且两种器件的缺陷氧之比为0.82,导致了两个器件中高低阻态有所差距。对于前者,设置电压和重置电压分别为0.7 V和-0.5 V,而后者则为0.7 V和-0.7V,但是他们的设置电压斜率大概为0.3 V/10 V。Au/Hf O_2/Pt/Ti/Si O_2/Si器件的高低阻态比达到1000以上,并且随着循环次数增加,比例逐渐降低至100,然后趋于稳定,另一种器件高低阻态比则只有50,显然比前者的差。最后阶段则进行了Hf_xZr_(1-x)O_2薄膜的制备和铁电性能探究。使用的制备方法也是溶胶凝胶法,Zr的量本文研究的是0.5和0.7。对于Hf_(0.3)Zr_(0.7)O_2薄膜,剩余极化强度为4μC/cm~2,而Hf_(0.5)Zr_(0.5)O_2薄膜的剩余极化强度则为2.8μC/cm~2,提高退火温度会增加剩余极化强度,同时,频率的改变也会影响电磁回线的宽窄。另外还对这两种薄膜电流电压特性进行了一定的探究和分析,Hf_xZr_(1-x)O_2薄膜都具备阻变存储器的基本特征,然而却没有保持特性。在铁电二极管方面,我们发现Hf_(0.3)Zr_(0.7)O_2薄膜还具备单向极化特性,当施加正向极化时,薄膜会从几乎绝缘的状态转为导电极好的状态,导电状态还会随着极化电压的增加而更好。


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