本文關(guān)鍵詞：應用于存儲器的PZT鐵電薄膜疲勞失效機理研究

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【摘要】：鐵電隨機存儲器(FRAM)因其具有諸多的優(yōu)點而成為備受矚目的下一代新型存儲器之一,但是由于其自身存在的疲勞、極化保持損失、印記等失效問題大大制約了其發(fā)展和商業(yè)化應用。其中尤其是疲勞失效和薄膜內(nèi)部存在氧空位缺陷密切相關(guān)。本文對疲勞進程中鐵電薄膜表現(xiàn)出的疲勞現(xiàn)象進行研究,對疲勞失效機理進行理解和分析,并提出可提高鐵電存儲器的抗疲勞性的可行性方案。(1)在基于XRD光譜測試的傳統(tǒng)應力測試方法上提出了一種新的應力測試方法。其創(chuàng)新之處是并不需要通過傾斜X射線入射角以測得同一晶面在不同傾斜角下的面間距。通過與傳統(tǒng)方法測試結(jié)果的比較,新方法的可靠性得到了證實。同時對PZT鐵電薄膜內(nèi)部應力進行了評估,發(fā)現(xiàn)在疲勞進程的前10秒矯頑電壓的變化趨勢一致且不受疲勞波形影響。分析表明這是由于薄膜內(nèi)部存在的應力得到釋放導致的,并且在薄膜應力完全釋放的理想狀態(tài)下,矯頑電壓值為0.6V。(2)對不同電壓范圍下的漏電流進行分析,得到小電壓下的漏電流為歐姆導電機制,其是由載流子在外加電場作用下漂移導致的,并發(fā)現(xiàn)小電壓下漏電流隨著疲勞圈數(shù)的增加而增加,說明在疲勞進程中氧空位濃度增加。(3)外加不對稱或是頻率不同的疲勞波形將薄膜剩余極化和矯頑場在疲勞進程中發(fā)生變化,分析得到不對稱程度較高或是低頻率的疲勞波形導致剩余極化下降更快,這是由于薄膜內(nèi)部氧空位產(chǎn)生速率更高導致的。當使用不對稱的外加波形對樣品進行疲勞時,氧空位會在外加電場作用下朝界面處漂移,導致薄膜內(nèi)部的氧空位在上下界面處堆積的濃度存在差異,具體表現(xiàn)為正負剩余極化和矯頑電壓各自間大小不同,同時這種濃度上的差異將導致正負剩余極化各自的極化保持能力的不同。疲勞進程中,氧空位在界面處濃度的增多導致退極化場的增大,進而導致極化保持性能隨疲勞圈數(shù)的增加而減弱。(4)通過對疲勞作用導致薄膜熱效應的分析,提出可以通過增加器件散熱來提高鐵電存儲器抗疲勞性的可行性方案。
【關(guān)鍵詞】：鐵電存儲器 鐵電薄膜 疲勞失效 氧空位 漏電流
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP333;TB383.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 鐵電材料的概述9-11
• 1.2 鐵電存儲器11-13
• 1.3 鐵電薄膜的失效機制13-16
• 1.3.1 極化疲勞失效13-14
• 1.3.2 保持損失失效14-15
• 1.3.3 印記失效15-16
• 1.4 本課題的選題依據(jù)和主要研究內(nèi)容16-17
• 第2章 鐵電薄膜電學性能的介紹17-33
• 2.1 實驗樣品和測試儀器的介紹17-18
• 2.2 電滯回線測試18-21
• 2.2.1 不同外加電壓對電滯回線的影響19-21
• 2.2.2 外加極化波形頻率對矯頑場的影響21
• 2.3 PUND測試21-23
• 2.4 漏電流測試23-26
• 2.4.1 歐姆導電機制23-24
• 2.4.2 肖特基導電機制24-25
• 2.4.3 其他導電機制25-26
• 2.5 極化保持特性測試26-30
• 2.5.1 不同極化強度的極化保持特性比較28-29
• 2.5.2 不同極化取向的極化保持特性比較29-30
• 2.6 電容電壓特性（C-V）曲線測試30-31
• 2.7 本章小結(jié)31-33
• 第3章 鐵電薄膜內(nèi)部應力的評估33-41
• 3.1 薄膜應力的傳統(tǒng)X射線衍射測試方法33-35
• 3.1.1 XRD測試基本原理33-34
• 3.1.2 XRD測試薄膜內(nèi)部應力的傳統(tǒng)sin~2Ψ 方法34-35
• 3.2 薄膜應力的新型測試方法35-38
• 3.3 鐵電薄膜內(nèi)部應力的分析38-39
• 3.4 本章小結(jié)39-41
• 第4章 鐵電薄膜疲勞失效的研究41-57
• 4.1 鐵電薄膜疲勞機制的研究現(xiàn)狀41-42
• 4.2 疲勞現(xiàn)象的測試42
• 4.3 疲勞特性對漏電流的影響42-44
• 4.3.1 疲勞特性對體電導率的影響43-44
• 4.4 疲勞特性對電滯回線的影響44-50
• 4.4.1 對稱疲勞波形下電滯回線的變化44-46
• 4.4.2 不對稱疲勞波形下電滯回線的變化46-48
• 4.4.3 氧空位的產(chǎn)生原理48-49
• 4.4.4 氧空位漂移速率及遷移率的擬合49-50
• 4.5 疲勞特性對保持特性的影響50-51
• 4.6 疲勞特性對CV特性的影響51-52
• 4.7 鐵電存儲器疲勞過程中的熱效應52-55
• 4.8 本章小結(jié)55-57
• 結(jié)論57-59
• 參考文獻59-63
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文63-65
• 致謝65

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