Улучшенная остаточная поляризация Zr.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 16750 (2022 г.) Цитировать эту статью

2080 Доступов

2 цитаты

Подробности о метриках

В данной работе исследовано влияние плазменной пассивации фтором (CF4) и кислородом (O2) на сегнетоэлектрический конденсатор на основе HfZrOx (HZO). За счет пассивации фтором поверхностная плотность ловушек и кислородных вакансий в конденсаторах Металл-сегнетоэлектрик-изолятор-полупроводник (MFIS) на основе HZO были подавлены, что привело к увеличению исходной остаточной поляризации (2Pr). Исходное значение (2Pr) базовых образцов, отожженных при 500 °C и 600 °C, составляло 11,4 мкК/см2 и 24,4 мкК/см2 соответственно. Однако при F-пассивации значения 2Pr увеличивались до 30,8 мкК/см2 и 48,2 мкК/см2 для 500 и 600 °С соответственно. Количество поверхностных дефектов и кислородных вакансий количественно подтверждено методом кондуктометрии и РФЭС-анализом. Однако из-за внедрения атомов фтора в пленки сегнетоэлектрика-изолятора наблюдалось нежелательное ухудшение характеристик выносливости.

С тех пор как в 2011 году было обнаружено сегнетоэлектричество HfO2, сегнетоэлектрические полевые транзисторы на основе HfO2 (FeFET) привлекли большой интерес для будущих приложений энергонезависимой памяти из-за их совместимости с технологией комплементарной металл-оксид-полупроводник (КМОП), а также превосходной технологии. масштабируемость1,2,3. Однако плохое качество поверхности сегнетоэлектрического слоя ухудшает работоспособность устройства. Дефекты на поверхности сегнетоэлектриков увеличивают поле деполяризации в материале и/или создают мертвый слой (т. е. в тонком «мертвом» слое сегнетоэлектриков не будет индуцироваться слишком большая поляризация). Это приводит к ухудшению остаточной поляризации (2Pr) сегнетоэлектриков4,5. Кроме того, за деградацию 2Pr могут также отвечать объемные дефекты сегнетоэлектриков (в данном случае сегнетоэлектриков HfO2), состоящих в основном из кислородных вакансий6. Ожидается, что кислородные вакансии окажут сильное влияние на сегнетоэлектричество, включая остаточную поляризацию и долговечность7,8. Потому что кислородные вакансии вызывают образование несегнетоэлектрического мертвого слоя на границе раздела. Это вызывает эффект закрепления поляризационной области, что приводит к защемлению характеристик поляризации и напряжения (P–V) и приводит к ухудшению свойств надежности7. В предыдущем исследовании выяснилось, что плазменная обработка фтором может пассивировать поверхностные/объемные дефекты в сегнетоэлектрической пленке HfO2, легированной Al9. Однако плазменная обработка фтором диэлектрической пленки HfO2 может привести к чрезмерному включению атомов фтора в атомы Hf/Zr в HZO, что приведет к образованию промежуточного слоя (IL) (и, следовательно, к ухудшению диэлектрической проницаемости10.

Хотя плазменная обработка CF4/O2 для пассивации поверхностных/объемных дефектов использовалась для различных типов тонких пленок, исследования влияния пассивации CF4 и O2 на сегнетоэлектрические пленки все еще отсутствуют. В данной работе исследуется влияние пассивации плазмы CF4 и O2 на остаточную поляризацию и характеристики долговечности MFIS-конденсатора на основе сегнетоэлектрика. Количественный анализ, такой как РФЭС и метод проводимости, был проведен для анализа количества поверхностных дефектов и кислородных вакансий в сегнетоэлектрических пленках. Кроме того, впервые были обнаружены плохие характеристики выносливости сегнетоэлектрической пленки (вызванные чрезмерным включением атомов фтора в атомы Hf/Zr).

Конденсаторы MFIS (металл/сегнетоэлектрик/изолятор/полупроводник) были изготовлены на кремниевой пластине диаметром 150 мм. Сначала были проведены стандартные работы по очистке и очистке разбавленным HF (1:50) для пластин p-Si (100) с удельным сопротивлением < 0,005 Ом∙см. После этого методом мокрого химического окисления с использованием ПМФ (HCl:H2O2:H2O = 1:1:5) был сформирован SiO2 толщиной 1 нм. Затем методом термического атомно-слоевого осаждения (ALD) был нанесен HZO (допированный Zr) HZO толщиной 10 нм, в котором прекурсор тетракис (этиламино) гафний (ТЕМАХ), предшественник тетракис (этилметиламино) цирконий (ТЕМАЗ) и H2O источник был использован. Для пассивации поверхностных дефектов и кислородных вакансий была проведена фторплазменная пассивация (F-пассивация) методом сухого химического травления (CDE). Обратите внимание, что использовались три различных условия обработки фторсодержащей плазмой, а именно базовый уровень (без F-пассивации), CDE1, CDE2 и CDE3. Более подробно, скорость потока газа O2 в CDE1, CDE2 и CDE3 составляла 30 см3, 40 см3 и 60 см3 соответственно. Все остальные условия, такие как скорость потока газа CF4, были идентичны для всех образцов. После F-пассивации методом физического осаждения из газовой фазы (PVD) был нанесен TiN толщиной 50 нм с последующим постметаллизационным отжигом (ПМА) для кристаллизации пленки HZO (обратите внимание, что ПМА применялся также для базовый образец). Чтобы изучить влияние температуры отжига на базовый уровень/CDE1/CDE2/CDE3, использовались три разные температуры, т.е. 500 ℃, 600 ℃ и 700 ℃, в течение 30 с в атмосфере N2.