Wechselwirkung zwischen dem Imprint- und Fatigue-Verhalten von ferroelektrischen Dünnschichtkondensatoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Als wesentliches Ergebnis des Vorhabens kann konstatiert werden, dass - im Gegensatz zu verschiedenen Berichten in der Literatur - kein direkter Zusammenhang zwischen dem Imprint und dem Fatigue in ferroelektrischen Dünnschichten aus Bleizirkonat-Titanat existiert. Für den Imprinteffekt wird die Ausrichtung von Defektdipolen im Ferroelektrikum und für den Fatigueeffekt die Injektion von Ladungsträgern aus der Elektrode verantwortlich gemacht. Dies konnte aus den bisher durchgeführten experimentellen Arbeiten erstmals eindeutig gefolgert werden. Beide Effekte sind dennoch über den Einfluss der Randschicht, die sich zwischen der eigentlichen ferroelektrischen Schicht und den Elektroden ausbildet, indirekt miteinander verknüpft. Die Randschicht wird durch den Alterungs- oder den Ermüdungsprozess selbst nicht verändert. Dies wurde durch Analyse von dielektrischen Kleinsignalmessungen in Abhängigkeit von der Schichtdicke eindeutig gezeigt. Sie entsteht präparationsbedingt und bewirkt eine anfängliche Verschiebung der Hysterese entlang der Feldachse. Es konnte dargelegt werden, dass dieser anfängliche Imprint die Alterung maßgeblich bestimmt. Es wurden zwei alternative Modelle zum Imprint und zum Fatigue-Verhalten dünner ferroelektrischer PZT-Schichten entwickelt, welche erstmals umfassend die experimentellen Beobachtungen erklären und wichtige frühere Vorstellungen als Teilmodelle einschließen. Die Randschicht verursacht im Falle des Imprints durch die depolarisierende Wirkung eine Reduktion des Inneren Feldes, und ändert im Falle des Fatigues die Injektionscharakteristik in die Schicht. Die Anzahl von ausgerichteten Defekten trägt maßgeblich zum Aufbau des Inneren Feldes und somit des Imprints bei, während hinsichtlich des Fatigue Defekte in grenzflächennahen Bereichen die Eigenschaften des Metall-Halbleiter-Übergangs und im Bulk die Domänenwandbewegung ändern. Daher zeigt sich die Tendenz, dass Kondensatoren mit geringem Fatigue auch zu geringem Imprintverhalten neigen und umgekehrt. Dies hatte in der Vergangenheit oftmals zu der fälschlichen Schlussfolgerung eines direkt zusammenhängenden Mechanismus geführt. Es wurde ein Prozedere entwickelt, mit dem erstmals aus Großsignal-Hysteresemessungen Aussagen über die Interface-Kapazität gewonnen werden konnten. Die depolarisierende Wirkung der Randschicht führt zu einer definierten Scherung der Hysterese. Das Maß der Scherung, d.h. der Depolarisationsfaktor, ist mit der Randschicht-Kapazität verknüpft. Während des Fatigue-Prozesses nimmt der Depolarisationsfaktor durch den Ausfall von schaltenden Bereichen zu. Die Stärke der Abnahme der elektrischen Polarisation konnte durch eine neue, unabhängige Methode aus der Messung des piezoelektrischen Verhaltens bestimmt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “The influence of non-ferroelectric interface layers and inclusions on the imprint behavior of ferroelectric thin film capacitors”, 16th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics. 2007 Nara Japan , Vols 1 and 2 Pages: 32-34
Boettger, U; Braeuhaus, D; Waser, R
- “Fatigue effect in ferroelectric PbZr1-xTixO3 thin films”, Journal of Applied Physics 99 (2006) 114104
Schorn P. J., Brauhaus D., Bottger U., Waser R., Beitel G., Nagel N., Bruchhaus R.
- “Probing fatigue in ferroelectric thin films with subnanometer depth resolution”, Applied Physics Letters 91 (2007) 072905
Cao, Jiang-Li: Solbach, A.; Klemradt, U.; Weirich, T.; Mayer, J.; Schorn, P.; Boettger, U.
- “Signal form influences on the fatigue Behavior of PZT thin film capacitors “,16th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics. 2007 Nara Japan , Vols 1 and 2 Pages: 32-34
Braeuhaus, D.; Schorn, P. J.; Boettger, U.; Waser, R.
- „Reduction of film thickness for chemical solution deposited PbZr0.3Ti0.7O3 thin films revealing no size effects and maintaining high remanent polarization and low coercive field”, Thin Solid Films 516 (2008) 4713
Ellerkmann U, Schneller T, Nauenheim C, Boettger U; Waser R
- “Electrical and piezoelectrical degradation in PZT 53/47 thin films” (O12), 4th International Workshop on Piezoelectric MEMS, Kobe, Japan, October 28-29, 2014
I. Müller et al.
