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Pt/Bi_(3.15)Nd_(0.85)Ti_3O_(12)/Pt铁电电容X射线辐照实验与TCAD模拟

作　者: 李丽
导　师: 李建成
学　校: 湘潭大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 铁电薄膜 X射线辐照 剩余极化 电滞回线
分类号: TN384
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


集成电路在空间的应用需要考虑离子的辐照效应。存储器是航天设备的核心功能单元，采集的大量数据需要长久完整地保持。具有抗辐照和非易失性能的铁电存储器能满足以上要求。铁电场效应管（FeFET）具有高密度、低功耗、非破坏性读出和结构简单等优良特性。FeFET保持时间短的问题被解决之后，便成为了制备非易失存储器的真正候选者。钕掺杂钛酸铋Bi3.15Nd0.85Ti3O12（BNT）由于具有制备重复性高、剩余极化大、不含铅和耐疲劳等优点，可望成为新一代用于FeFET的铁电材料。如果考虑FeFET的空间应用，必须了解BNT的辐照效应特别是高能量的X射线辐照下的铁电及电学性能。本工作主要内容和结果如下：1.采用化学溶液沉积法在Pt/Ti/SiO2/Si（100）基底生长不同掺杂比例的BNT铁电薄膜，在700℃下退火3分钟。在辐照前借助X射线衍射仪（XRD）测试BNT铁电薄膜，证明BNT薄膜具有典型的铋层状钙钛矿结构且无杂相。BNT随着钕掺杂比例的增加，c-轴取向度提高；剩余极化更大。Pt/Bi3.15Nd0.85Ti3O12/Pt在外加电压5V时，剩余极化2Pr约为15μC/cm2；偏压为5V时，漏电流约为1×10-5A/cm2，由此可知制备的BNT铁电薄膜可以满足器件的要求。2.使用上海光源衍射线站的6圆衍射仪结合铁电分析仪原位测试Pt/BNT/Pt铁电性能。对辐照效应分析表明，同步X射线辐照导致Pt/BNT/Pt的电滞回线跟随原来的印记漂移也就是电滞回线的上半边向右下方偏移下半边向左上方漂移并翘起。当总剂量为2.46×106Gy时，2Pr下降了14%；总剂量继续增加为4.87×107Gy时，2Pr恢复到照射前的95%，说明BNT铁电薄膜具有很强的抗辐照能力。电场原位研究平台表明辐照结合偏压降低了铁电薄膜的绝缘性能使其易被击穿。铁电电容经1.04×107Gy辐照后漏电流增加到10-4A/cm2（5V）。在总剂量5.49×106Gy之后，测试Pt/BNT/Pt的疲劳翻转次数增加，可能辐照使疲劳的损伤得以恢复，因为辐照使材料改性。3.建立了铁电电容器件结构模型，结合同步X射线辐照方程以及铁电极化模型，模拟铁电电容在不同电压下和不同剂量下的电滞回线。模拟与实验进行对比，发现加不同的电压下电滞回线跟随原来的印记漂移，外加电压越大变化的比率反而越小，不同辐照剂量下的铁电电容的电滞回线跟随原来的印记漂移并且电滞回线尾部变细，模拟结果与实验数据符合得较好。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 引言  9-18
  1.1 铁电体与铁电存储器  9-11
    1.1.1 铁电体  9-10
    1.1.2 铁电存储器  10-11
  1.2 非挥发非破坏性读取 FeFET  11-16
    1.2.1 FeFET 的机理  11
    1.2.2 FeFET 的发展  11-13
    1.2.3 基于 FeFET 的非易失逻辑电路  13-15
    1.2.4 新型 FeFET  15-16
  1.3 铁电电容  16-17
    1.3.1 铁电电容的特性与评价标准  16
    1.3.2 铁电电容的电离辐射  16-17
  1.4 章节安排  17-18
第2章 BNT 铁电薄膜的制备与测试  18-29
  2.1 BNT 铁电薄膜的制备  18-21
    2.1.1 用于 FeFET 的 BNT 铁电薄膜  18-19
    2.1.2 化学溶液沉积法制备薄膜的原理  19
    2.1.3 制备 BNT 薄膜的设备和原料  19-21
  2.2 BNT 薄膜的制备过程  21-23
    2.2.1 BNT 前躯体溶液配制  21-22
    2.2.2 BNT 薄膜的制备  22-23
    2.2.3 BNT 薄膜厚度的测试  23
  2.3 电学性能测试  23-29
    2.3.1 顶电极的制备  23-24
    2.3.2 测试仪器  24-25
    2.3.3 铁电电容的测试与分析  25-29
第3章 铁电电容的同步 X 射线辐照  29-44
  3.1 辐射实验  29-36
    3.1.1 X 射线的辐射环境  29-30
    3.1.2 辐射损伤机理  30
    3.1.3 同步辐射 X 射线衍射的实验设备  30-31
    3.1.4 光束线站操作方法  31-34
    3.1.5 辐照实验方法  34-36
  3.2 X 射线辐照效应  36-43
    3.2.1 同步 X 射线对 BNT 铁电薄膜电性能和微结构的影响  36-41
    3.2.2 BL14B 电场原位研究平台  41-42
    3.2.3 辐照前后漏电流的分析  42
    3.2.4 辐照前后疲劳的分析  42-43
  3.3 小结  43-44
第4章 铁电电容辐照效应的 TCAD 模拟  44-54
  4.1 TCAD 模拟软件  44-45
  4.2 仿真模型及器件结构  45-50
  4.3 仿真结果与分析  50-52
  4.4 辐照剂量的表征  52-54
第5章 总结与展望  54-56
  5.1 总结  54
  5.2 工作展望  54-56
参考文献  56-60
致谢  60-61
攻读学位期间发表的学术论文  61

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 铁电及压电器件
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