【摘 要】
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铁电场效应晶体管（FeFET）是一种基于铁电材料自发极化特性的新型非易失性存储器,具有低功耗、非破坏性读出和读写速度快等优点。基于新型Hf O2基铁电材料的FeFET具有结构简单、与Si工艺兼容以及可高密度集成等优势,在存储器领域具有巨大的发展潜力。然而,研究发现Hf O2基FeFET存在Hf O2基铁电材料易与Si衬底反应和多值存储能力受尺寸限制的问题。本论文基于界面调控方法制备了金属/铁电薄膜
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铁电场效应晶体管（FeFET）是一种基于铁电材料自发极化特性的新型非易失性存储器,具有低功耗、非破坏性读出和读写速度快等优点。基于新型Hf O2基铁电材料的FeFET具有结构简单、与Si工艺兼容以及可高密度集成等优势,在存储器领域具有巨大的发展潜力。然而,研究发现Hf O2基FeFET存在Hf O2基铁电材料易与Si衬底反应和多值存储能力受尺寸限制的问题。本论文基于界面调控方法制备了金属/铁电薄膜/绝缘层/半导体（MFIS）栅结构的W/TiN/Hf0.5Zr0.5O2（HZO）/ZrO2/Al2O3/p-Si的HZO基FeFET,改善了HZO基FeFET的存储性能。此外,围绕小尺寸Hf O2基FeFET的多值存储,提出了一种新的调控方法——梯度电场法,开展了基于梯度电场法调控HZO基FeFET多值存储的研究。主要研究内容和结果包括:（1）采用原子层沉积（ALD）方法制备了TiN/HZO/TiN铁电电容,研究了沉积循环周期数和退火工艺对HZO薄膜铁电性的影响,发现沉积循环周期数为70cycles的HZO薄膜经500oC/30 s快速退火后的铁电性较好。3 V电压下,薄膜的正剩余极化强度和负剩余极化强度值（Pr+和Pr-）分别为17.6μC/cm~2和-17.3μC/cm~2。（2）研究了ZrO2晶态high-k层对HZO基FeFET性能的影响,发现具有ZrO2晶态high-k层的HZO基FeFET表现出较好的开关特性和较大的存储窗口。+5V/100 ns编程和-5 V/100 ns擦除操作下可实现1.56 V的存储窗口;室温下外推至10年后的存储窗口约1.26 V;编程/擦除循环150次后的存储窗口约0.63 V。本文还研究了封装对HZO基FeFET电学性能的影响,发现封装对FeFET电学性能的影响较小,表现出较好的实际应用潜力。（3）提出了一种基于梯度电场调控FeFET多值存储的方法,研究了基于该调控方法的HZO基FeFET的多值存储（2-bit/cell）性能,发现2-bit/cell的HZO基FeFET具有较好的编程/擦除稳定性和优异的保持性能,信息存储可达10年。分析了该调控方法的物理机制,发现通过在沿FeFET沟道方向构建梯度电场可以调控HZO薄膜的多步极化翻转,从而在HZO基FeFET中实现多个稳定的存储状态。此外,该方法有望在栅长为20 nm或更小尺寸的Hf O2基FeFET中实现多值存储。
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