铁电薄膜应用于铁电随机存储器的失效机理研究

Ferroelectric random access memories are currently one of the leading candidates for next generation nonvolatile memory devices resulting from its favorable characteristics, such as high speed, low voltage, and good radiation tolerance etc. The degradation properties of ferroelectric thin films including fatigue, imprint and retention loss are important issues related with the reliability and stability of such devices, which should be investigated extensively. This project aims to establish fundamental understanding of the failure mechanisms and optimize the degradation properties simultaneously. The research involve: (1) studying the role of defects by applying I-V and C-V characterizations through a fatigue process to uncover the microscopic mechanisms of fatigue; (2) analyzing the correlation among different degradation behavior by the combination study of fatigue, imprint, and retention loss; exploring the failure mechanisms on the basis of the overall systematic research; (3) developing approaches to improve the fatigue resistance and polarization retention property of ferroelectric memories. The implementation of the project will establish basic theories of how defects affect the degradation properties and break through the research of failure mechanisms of ferroelectric thin films. It will also promote the development of high density nonvolatile memories.

铁电随机存储器因其具有非挥发、抗辐射、高速度、低电压等优点成为下一代新型存储器的重要发展方向之一，而其中铁电薄膜所具有的疲劳、印记、保持损失等退化失效是影响存储器可靠性与稳定性的重要因素。本项目主要针对铁电薄膜的失效展开研究，分析失效机理，探索导致失效的根本原因，并提出改善方案以获得性能优异可靠的存储器件。主要研究内容包括：(1)通过研究锆钛酸铅（PZT）铁电薄膜的I-V、C-V性能，分析铁电薄膜疲劳过程中缺陷的变化与作用，揭示疲劳的微观机理；(2)通过综合分析疲劳、印记与保持损失，揭示不同失效之间的联系与影响，分析引起失效的根本原因；(3)探索提高铁电薄膜耐疲劳性、极化保持能力的方法，改善铁电存储器性能。该项目的实施，对于铁电薄膜的应用基础研究具有重要的意义，并为长寿命、高密度铁电存储器的进一步研制提供实验基础及依据。

1、项目背景.铁电随机存储器因具有非挥发、抗辐射、高速度、低电压等优点成为下一代新型存储器的重要发展方向之一，而其中铁电薄膜所具有的疲劳、保持损失等退化失效是影响存储器可靠性与稳定性的重要因素，是关系到下一代存储器的重要研究领域。.2、主要研究内容.（1）研究了PZT铁电薄膜疲劳过程中I-V特性、矫顽电压、保持损失的改变，分析了疲劳对铁电薄膜中氧空位浓度的影响，并对氧空位的产生与迁移机制进行了分析。（2）研究了铁电薄膜中的残余应力，对传统X射线衍射的sin2Ψ方法进一步推导，分析残余应力对铁电薄膜性能和疲劳的影响。.（3）研究了铁电薄膜的热效应对疲劳性能的影响，并由此提出了提高铁电薄膜耐疲劳性的措施。.3、重要成果.（1）研究发现铁电薄膜的电流随疲劳圈数增加而增大，体电阻率下降，薄膜中氧空位浓度上升；相同频率下，外加疲劳波形越不对称，极化下降越快，揭示了氧空位产生几率的提高，并且氧空位在外加电场作用下聚集到界面处，导致保持损失加剧。.（2）将垂直入射的XRD测量数据用sin2Ψ方法进行分析，研究发现由于残余应力的存在导致薄膜的正负矫顽电压并不相等，而随着疲劳的进行，铁电薄膜通过极化翻转释放了残余应力，达到正负矫顽电压一致。.（3）研究发现铁电薄膜疲劳进程中，由于电流增大其产生的焦耳热增大，大幅度热量的产生和温度提高将会导致更多的氧空位产生，从而加速薄膜的疲劳，提出可以利用加速散热的方式以延缓薄膜的疲劳。.4、关键数据.（1）PZT铁电薄膜的剩余极化随疲劳圈数下降20%时，其体电阻率约下降1个数量级，氧空位浓度约上升1-2个数量级。.（2）厚度为130nm的PZT铁电薄膜中存在-151.8MPa的残余压缩应力，残余应力使得铁电薄膜的负矫顽电压大于正矫顽电压，而在疲劳初期的10s内，铁电薄膜释放了残余应力，达到0.6V的本征矫顽电压。.（3）铁电薄膜电阻率随疲劳持续下降，焦耳热可导致薄膜温升，高温会导致Pt电极的分层和发黑而最终损坏；在散热条件下，薄膜剩余极化下降到60%时的疲劳圈数被提高了3倍，薄膜耐疲劳性得以提高。.5、科学意义.本项目研究了铁电薄膜疲劳过程中的性能变化，深入理解失效机理，提出改善铁电薄膜疲劳的措施，为实现高密度高容量的铁电存储器打下基础。本项目所得到的失效机理分析方法以及所取得的研究成果，对铁电随机存储器的研制具有重要的指导意义和参考价值