Fatigue und Imprint an ferroelektrischen Dünnschichten

Bräuhaus, Dennis; Waser, Rainer

doi:3702

Fatigue und Imprint an ferroelektrischen Dünnschichten = Fatigue and imprint in ferroelectric thin films

Bräuhaus, Dennis (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dennis Bräuhaus

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

Umfang94 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-02-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37025
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64490/files/3702.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik II und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ferroelektrizität (Genormte SW) ; FRAM <Informatik> (Genormte SW) ; Alterung (Genormte SW) ; PZT (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Fatigue (frei) ; Imprint (frei) ; FeRAM (frei) ; CMOS (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der ferroelektrische Speicher (FeRAM) ist durch seine nicht flüchtige und energiesparende Datenspeicherung ein viel versprechender Kandiat, um schnelle Speicher für mobile Anwendungen zu liefern. Im Aufbau dem DRAM sehr ähnlich, verwendet der FeRAM als Speicherschicht ein ferroelektrisches Material. Neben Alterungsphänomenen wie Fatigue und Imprint, sind auch die zu Siliziumprozessen nicht kompatiblen Materialien eine Schwachstelle des FeRAMs. Im Rahmen dieser Dissertation wurden zur Modellbildung für den Fatigueeffekt, PZT Proben mit Platin-, IrO2- und SrRuO3 Elektroden untersucht. Hierbei wurden neben Einflüssen der Amplitude, Frequenz und Form des Anregungssignals auf den Polarisationsverlust, auch Methoden zur Erneuerung der Polarisation betrachtet. Mit Untersuchungen bei verschiedenen Amplituden der Anregungsspannung konnte gezeigt werden, dass für eine vollständig in Sättigungspolarisation getriebene Probe (V > 2 x VC) keine Abhängigkeit des Fatigue von der angelegten Spannung besteht. Eine unterhalb der Koerzitivspannung geschaltete Probe (V < VC) zeigte dagegen keinen Fatigue. Eine Abhängigkeit von der angelegten Spannung konnte nur für eine Spannung zwischen der einfachen und doppelten Koerzitivspannung beobachtet werden. Aus Untersuchungen mit variabler Form des Anregungssignals konnte ein Einfluss der Flankensteilheit auf eine Zeitabhängigkeit beim Fatigue zurückgeführt werden. Mit den ermittelten Ergebnissen konnte erstmals gezeigt werden, dass eine höhere effektive Umschaltzeit zu einem beschleunigten Fatigue führt. Aus den erzielten Ergebnissen wurde zur Erklärung des Fatigueeffektes eine Modellvorstellung hergeleitet. Als Hauptursache wird hier die Injektion von Elektronen gesehen. Beim Umschaltvorgang einer ferroelektrischen Domäne, wächst die vom äußeren Feld vorgegebene Polarisation ausgehend von einem Keim in Richtung der gegenüberliegenden Elektrode. Mit der Ausbreitung der Domäne, wandert eine Front nicht abgeschirmter Polarisationsladung. Die durch diese Ladungsfront erzeugte, lokal sehr hohe Feldstärke verursacht die Injektion von Elektronen in das ferroelektrische Material. Die injizierte Ladung blockiert das vollständige Umschalten der Domäne und verhindert weitere Umschaltvorgänge. Die Menge der injizierten Ladung hängt dabei von der Höhe der Injektionsstromdichte und der effektiven Umschaltzeit ab. Mit dem vorgestellten Modell konnten die erzielten Beobachtungen erklärt und ein Modell für den Fatigue geliefert werden, das unabhängig von Materialeigenschaften des Ferroelektrikums ist. Zum Imprint wurden Abhängigkeiten des Imprints zu den Schichtdicken des Ferroelektrikums und einer dielektrischen Interfaceschicht untersucht. Es konnte bestätigt werden, dass wie im Grossmann Modell angenommen, mit steigender Schichtdicke die Verschiebung der Koerzitivspannung VC steigt. Jedoch zeigte sich durch die Betrachtung der Koerzitivfeldstärke EC, dass deren Verschiebung mit zunehmender Schichtdicke sinkt. Weiterhin konnte durch zusätzliche Untersuchungen mit künstlich erzeugten dielektrischen Interfaceschichten zwischen PZT und der Platinoberelektrode im Unterschied zu früheren Annahmen die elektrische Feldstärke Efe innerhalb der ferroelektrischen Schicht als treibende Kraft für den Imprint identifiziert werden. Zur Erklärung dieser Beobachtungen in Form eines physikalischen Modells für den Imprint, wurde ein neues Drei-Phasen-Modell vorgestellt. Dieses ist eine Weiterentwicklung des Arlt-Modells für den Imprint, welches die Auswirkung von nicht ferroelektrischen Einschlüssen innerhalb der Ferroelektrikums betrachtet. Durch die Erweiterung des Arlt-Modells, um eine Interfaceschicht an den Elektroden und Überlagerung der Einflüsse auf das elektrische Feld Efe, konnte ein Ausdruck zur Vorhersage des Imprints von ferroelektrischen Dünnschichten bestimmt werden. Zusätzlich konnte ein neues Material mit ferroelektrischen Eigenschaften und ausgezeichnetem Integrationspotential präsentiert werden. Die erstmals durchgeführte ferroelektrische Charakterisierung von HfxSiyO2 offenbarte die für dieses Material unterwarteten Eigenschaften. Mit den vorgestellten Modellvorstellungen für Fatigue und Imprint wurde eine neue Sichtweise für diese Alterungsmechanismen eröffnet. Beide Modellvorstellungen begründen sich ohne spezifische Eigenschaften des Materials, sondern lediglich durch ihre Ferroelektrizität. Mit der Charakterisierung eines von HfxSiyO2 konnte ein ferroelektrisches Material vorgestellt werden, dass ohne Probleme oder zusätzlichen Aufwand in bestehende CMOS Prozesse integriert werden kann.

Ferroelectric random access memory (FeRAM) is because of its combination of non-volatile data storage and low-energy operation a promising device to provide large scale, high-speed memories for mobile applications. Using a similar architecture as conventional DRAM memory devices, FeRAM utilizes a ferroelectric material instead of a pure dielectric material with its storage capacitor. In order to create a new and more comprehensive model for the ferroelectric fatigue, PZT samples on electrode made of Platinum, IrO2 and SrRuO3 were thoroughly investigated. Besides the influence of amplitude, frequency and signal shape on the loss of polarization, ways to renew the polarization were examined. Experiments with series of applied amplitude showed that for samples driven with strong enough voltage to reach a saturated polarization state (V > 2xVc) no dependency between fatigue and applied voltage is observed. A sample only switch with a voltage below its coercive voltage (V < Vc) showed no fatigue at all. An influence from the applied voltage on the fatigue could only be observed if the applied voltage ranges from the simple coercive voltage to the double coercive voltage. Experiments with different signal rise times could show for the first time that a lower rise time results in a faster fatigue. To explain the observed data a new model for the fatigue was introduced. With each switching cycle of a ferroelectric domain, the ferroelectric polarization start growing at seeds at one side of the capacitor expanding at limited speed throw the ferroelectric thin film towards the opposing side. During this expansion the foremost area of the switching domain creates a large unshielded electric field. When the expansion come in close proximity of the opposing electrode, high electric fields allow for electrodes to be injected into the expanding domain. The injected electrodes stop the further expansion of the domain and also averts further switching of this domain. The amount of injected charge and thereby also the amount of pinned domains is related to the injection current density as well to the effective switching time. The introduced model explains the observed data and allows to examine fatigue independent of the material properties of the ferroelectric material. Ferroelectric imprint was researched in depth with regard to ferroelectric layer thickness and thickness of a dielectric interface layer. It could be verified that, like predicted in the Grossmann model, with increasing sample thickness the shift of the coercive voltage Vc also increases. However, the shift of the coercive electric field is decreasing with increasing sample thickness. With addition experiments creating dielectric interfaces of controlled thickness it was possible to identify the electric field inside the ferroelectric layer as the driving force for ferroelectric imprint. This is opposing former results that found the electric field inside the interface to be the driving force. To explain the observed data a new model was introduced (Three-Phase-Model). The introduced model is derived from the Arlt-Model to explain ferroelectric imprint at ferroelectric thick films. The Arlt-Model mathematically describes the influence of not ferroelectric, yet polar inclusion (defects) inside the ferroelectric material. Altering the equations to regard thin films and also regard dielectric interface layers near the electrodes it was possible to find an expression that predicts ferroelectric imprint for thin films. Concluding, a new, Silicon-CMOS compatible, ferroelectric material is introduced and characterized. For the first time it could be shown that HfxSiyO2 exhibits ferroelectric as well as piezoelectric properties. The introduced models for ferroelectric fatigue and imprint allow to regard those two failure mechanisms without knowing specific material properties, enabling to determine optimum properties for specific applications. With demonstrating the ferroelectric properties of HfxSiyO2 a materials is introduced that can be integrated into existing Silicon CMOS processes without problems.

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