论文摘要
铁电随机存储器（FRAM）的工作原理是利用铁电薄膜材料剩余极化双稳态的特点,它具有非易失性、高速度、高密度、抗辐射等优点,被认为半导体存储器的终结者。ABO3型Pb(Zr1-xTix)O3（0＜x＜1,PZT）和铋层状SrBi2Ta2O9（SBT）薄膜是铁电存储器应用最主要的两种材料。本论文以PZT铁电存储器的制备和特性为研究目的,研究了2T2C结构FRAM和新型FFET结构FRAM,在国内外首先验证了MFPIS结构的FFET存储器件并在国内外学术刊物进行了研究报道。主要研究内容如下:1、采用磁控溅射工艺,分别在Pt/Ti/SiO2/Si及poly-Si/SiO2/Si两种衬底上制备PZT铁电薄膜。研究了传统缓慢退火方式和快速退火方式及退火温度对PZT铁电薄膜结构的影响,并根据这些实验来确定合理的退火方式和温度。研究表明,在650℃热处理时,传统退火方式的PZT薄膜为（100）晶向择优,而快速退火的PZT薄膜为（111）晶向择优。Pt/Ti/SiO2/Si衬底上的PZT薄膜的衍射峰强度明显强于poly-Si/SiO2/Si衬底上PZT薄膜的衍射峰强度。2、对不同衬底上PZT薄膜的铁电性能进行了测试和分析。结果表明:Pt/Ti/SiO2/Si衬底上PZT薄膜的剩余极化大于在poly-Si/SiO2/Si上PZT薄膜的剩余极化值。研究了不同退火温度下的PZT薄膜的铁电特性,650℃为PZT铁电薄膜退火的最佳温度。3、研究了铁电存储器集成工艺,针对铁电存储器集成工艺存在的PZT薄膜起泡问题,开展了一系列研究工作。提出了采用先刻蚀出Pt电极图形,后制备PZT薄膜的工艺技术。并且对PZT薄膜采用先500℃预处理,再650℃快速退火的方式,以解决PZT薄膜起泡问题。提出了优化的集成铁电存储器工艺流程。研究了PZT样品中铅在不同温度下的挥发性。4、研究了集成铁电电容面积和HF湿法腐蚀对铁电电容性能的影响。研究了2T2C单元结构的铁电存储器的存储性能。设计了1Kb铁电存储器电路和版图,并最终研制出了集成铁电存储器的测试芯片。5、研究了Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si（MFMIS）结构的FET器件。器件的顺时针C-V滞回曲线和逆时针Ⅰ-Ⅴ滞回曲线表明MFMIS结构n沟道PZT铁电场效应晶体管可以实现极化存储。栅电压Vg在-5V和+5V之间获得了2.1V的存储窗口。经过1011次读写循环后,FFET的存储窗口从2.1V变为1.6V,变化幅度较小,具有实际应用的能力。MFMIS结构的n沟道PZT铁电场效应晶体管适合在于未来大规模、高密度、高速度铁电存储器上使用。6、在上述研究的基础上,提出了Pt/PZT/poly-Si/SiO2/Si（MFPIS）结构的FET器件,并在国际上首先进行了报道。研究了MFPIS结构的C-V特性和Ⅰ-Ⅴ特性。制备的MFPIS-FET的顺时针C-V特性曲线和逆时针的Id-Vg特性曲线表明由于PZT铁电薄膜的极化作用,FFET能够实现存储的功能。研究表明存储窗口随着工作电压的增加而增加。Id-Vg曲线表明当Vg为5V时,FFET的存储窗口为2.6V。通过测试在1MHz、±5V的脉冲方波下器件的阈值电压的变化值,来检测器件的疲劳特性。实验表明器件具有较好的抗疲劳性。与MFMIS-FET相比,这种结构和工艺更为简单,Poly-Si作为下电极可以代替金属Pt,Poly-Si还可以阻挡PZT成分向衬底扩散,更有利于铁电工艺和半导体工艺的集成。本论文研究表明,本文所提出的MFPIS-FET器件有希望成为下一代高密度存储器侯选结构。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 引言1.2 铁电材料及铁电薄膜1.3 铁电存储器1.3.1 铁电存储器的微观机理1.3.2 铁电存储器的基本结构1.4 铁电存储器的研究进展1.5 本文研究的主要内容和意义第二章 PZT铁电薄膜的制备及结构特性2.1 PZT的晶体结构特性2.2 PZT铁电薄膜的制备2.2.1 电极材料的选取2.2.2 PZT薄膜的制备2.2.3 PZT铁电薄膜的处理2/Si衬底上PZT铁电薄膜的结构分析'>2.3 Pt/Ti/SiO2/Si衬底上PZT铁电薄膜的结构分析2.3.1 退火方式对PZT铁电薄膜的影响2.3.2 退火温度对PZT铁电薄膜的影响2.3.3 保温时间对PZT铁电薄膜表面形貌的影响2.3.4 厚度对PZT铁电薄膜表面形貌的影响2/Si衬底上PZT铁电薄膜的结构分析'>2.4 poly-Si/SiO2/Si衬底上PZT铁电薄膜的结构分析2.5 小结第三章 PZT铁电薄膜电学性能研究3.1 PZT铁电薄膜的铁电性能3.1.1 铁电特性测试原理3.1.2 PZT铁电特性分析3.1.3 退火温度对PZT铁电薄膜铁电性能的影响3.1.4 保温时间对PZT铁电薄膜铁电性能的影响3.1.5 厚度对PZT铁电薄膜铁电性能的影响3.1.6 PZT铁电薄膜在不同电压下的铁电特性3.2 PZT铁电薄膜的电流-电压（I-V）特性3.2.1 铁电薄膜的漏电流及其导电机理3.2.2 PZT铁电薄膜I-V特性3.3 疲劳特性3.3.1 PZT铁电薄膜的疲劳特性3.3.2 PZT铁电薄膜的疲劳机理3.4 小结第四章 铁电存储器集成工艺及优化4.1 铁电集成工艺出现的问题4.2 铁电薄膜的清洗4.3 工艺设计4.3.1 光刻工艺4.3.2 刻蚀工艺4.4 PZT薄膜微图形化技术研究2衬底粘附性问题及其解决办法'>4.5 PZT薄膜与SiO2衬底粘附性问题及其解决办法4.6 优化的集成铁电电容工艺流程4.7 铁电电容工艺与标准CMOS工艺兼容性研究4.7.1 铅在不同温度下的挥发性测试4.7.2 铅的挥发对CMOS电路的影响4.8 小结第五章 2T2C结构铁电存储器设计研究5.1 电容面积对集成铁电电容性能的影响5.2 刻蚀对PZT集成铁电电容的影响5.3 PZT集成铁电电容的读写特性5.3.1 测试的基本方法5.3.2 测试时序5.3.3 敏感放大器的设计和测试5.3.4 集成铁电电容的读写特性测试5.4 铁电存储器的设计5.4.1 读出窗口和位线电容的关系5.4.2 1kb铁电存储器的电路设计5.5 铁电存储器测试结果5.6 结论第六章 MFMIS-FET制备及其特性研究6.1 FFET基本结构及存储机制6.2 FFET的结构设计6.3 FFET的制备工艺6.4 电容-电压（C-V）特性6.4.1 C-V特性的理论分析6.4.2 MFMIS结构C-V特性6.5 电流电压I-V特性d-Vd）'>6.5.1 MFMIS-FET的输出特性（Id-Vd）d-Vg）'>6.5.2 FFET的转移特性（Id-Vg）g-Vg'>6.5.3 漏电流特性Ig-Vg6.6 写入速度6.7 疲劳特性研究6.8 面积耦合比对器件存储窗口的影响6.9 小结第七章 MFPIS-FET制备及其特性研究7.1 MFPIS-FET工艺流程7.1.1 poly-Si上淀积PZT薄膜的困难及解决办法7.1.2 MFPIS-FET工艺流程7.2 PZT薄膜特性7.2.1 PZT极化特性2/Si结构特性'>7.2.2 Pt/PZT/poly-Si/SiO2/Si结构特性7.3 MFPIS-FET的I-V特性d-Vd）'>7.3.1 MFPIS-FET的输出特性（Id-Vd）d-Vg）'>7.3.2 MFPIS-FET的转移特性（Id-Vg）7.4 MFPIS-FET的疲劳特性7.5 小结第八章 结论8.1 论文总结8.2 主要创新点8.3 展望致谢参考文献附录 铁电存储器测试芯片版图攻博期间取得的研究成果
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