Polarizzazione del residuo migliorata di Zr

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 16750 (2022) Citare questo articolo

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In questo lavoro è stato studiato l'impatto della passivazione del plasma di fluoro (CF4) e ossigeno (O2) su un condensatore ferroelettrico basato su HfZrOx (HZO). Attraverso la passivazione del fluoro, la densità della trappola superficiale e i posti vacanti di ossigeno nei condensatori metallo-ferroelettrico-isolante-semiconduttore (MFIS) basati su HZO sono stati soppressi, con conseguente aumento della polarizzazione del residuo incontaminato (2Pr). Il valore originale (2Pr) dei campioni di base ricotti a 500 °C e 600 °C erano rispettivamente 11,4 µC/cm2 e 24,4 µC/cm2. Tuttavia, con la passivazione F, i valori 2Pr sono aumentati a 30,8 µC/cm2 e 48,2 µC/cm2 rispettivamente per 500 °C e 600 °C. La quantità di difetti superficiali e di posti vacanti di ossigeno sono confermati quantitativamente dal metodo di conduttanza e dall'analisi XPS. Tuttavia, a causa dell’incorporazione di atomi di fluoro nelle pellicole isolanti ferroelettriche, è stato osservato un degrado indesiderato delle caratteristiche di resistenza.

Da quando la ferroelettricità dell'HfO2 è stata scoperta nel 2011, i transistor ferroelettrici ad effetto di campo (FeFET) basati su HfO2 hanno suscitato molto interesse per le future applicazioni di memoria non volatile grazie alla loro compatibilità con la tecnologia CMOS (metal-ossido-semiconduttore complementare) e alla tecnologia superiore scalabilità1,2,3. Tuttavia, la scarsa qualità della superficie dello strato ferroelettrico riduce le prestazioni del dispositivo. Difetti sulla superficie dei materiali ferroelettrici aumenterebbero il campo di depolarizzazione nel materiale e/o creerebbero uno strato morto (vale a dire, non verrebbe indotta troppa polarizzazione nel sottile strato “morto” dei materiali ferroelettrici). Ciò provoca il degrado della polarizzazione residua (2Pr) dei materiali ferroelettrici4,5. Inoltre, i difetti di massa dei materiali ferroelettrici (in questo caso, HfO2 ferroelettrico), che sono costituiti principalmente da posti vacanti di ossigeno, sarebbero anche responsabili della degradazione del 2Pr6. Si prevede che i posti vacanti di ossigeno avranno forti impatti sulla ferroelettricità, inclusa la polarizzazione dei residui e le prestazioni di resistenza7,8. Perché i posti vacanti di ossigeno inducono la formazione dello strato morto non ferroelettrico nell'interfaccia. Ciò provoca l'effetto di blocco del dominio di polarizzazione, con conseguente riduzione delle caratteristiche di polarizzazione rispetto a tensione (P–V) e porta al degrado delle proprietà di affidabilità7. Nello studio precedente, si è scoperto che il trattamento al plasma di fluoro può passivare i difetti superficiali/di volume nella pellicola ferroelettrica HfO2 drogata con Al9. Tuttavia, il trattamento con plasma di fluoro sul film dielettrico di HfO2 causerebbe un'incorporazione eccessiva di atomi di fluoro negli atomi di Hf/Zr in HZO, con conseguente formazione di interstrato (IL) (e quindi costante dielettrica degradata10.

Sebbene i trattamenti al plasma CF4/O2 per la passivazione di difetti superficiali/di massa siano stati utilizzati per vari tipi di film sottili, mancano ancora studi sull'impatto della passivazione CF4 e O2 sulla pellicola ferroelettrica. In questo lavoro, vengono studiati gli effetti della passivazione del plasma CF4 e O2 sulla polarizzazione residua e sulle caratteristiche di resistenza del condensatore MFIS a base ferroelettrica. L'analisi quantitativa come XPS e il metodo della conduttanza è stata eseguita per analizzare la quantità di difetti superficiali e i posti vacanti di ossigeno nei film ferroelettrici. Inoltre, sono state osservate per la prima volta scarse caratteristiche di resistenza della pellicola ferroelettrica (causate da un'eccessiva incorporazione di atomi di fluoro negli atomi di Hf/Zr).

I condensatori MFIS (metallo/ferroelettrico/isolante/semiconduttore) sono stati fabbricati su wafer di silicio da 150 mm. Innanzitutto, sono stati eseguiti lavori di pulizia standard e lavori di pulizia con HF diluito (1:50) per wafer p-Si (100) con resistività < 0,005 Ω∙cm. Successivamente, SiO2 dello spessore di 1 nm è stato formato mediante ossidazione chimica umida utilizzando un HPM (HCl:H2O2:H2O = 1:1:5). Quindi, un HZO di 10 nm di spessore (HfO2 drogato con Zr) è stato depositato mediante deposizione termica di strato atomico (ALD), in cui il precursore di tetrakis (etimetilammino) afnio (TEMAH), il precursore di tetrakis (etilmetilammino) zirconio (TEMAZ) e H2O sono state utilizzate le fonti. Per passivare i difetti superficiali e i posti vacanti di ossigeno, la passivazione al plasma di fluoro (passivazione F) è stata eseguita mediante attacco chimico a secco (CDE). Si noti che sono state utilizzate tre diverse condizioni per il trattamento con plasma al fluoro, ovvero basale (nessuna passivazione F), CDE1, CDE2 e CDE3. Nel dettaglio, la portata del gas O2 di CDE1, CDE2 e CDE3 era rispettivamente di 30 sccm, 40 sccm e 60 sccm. Tutte le altre condizioni, come la portata del gas CF4, erano identiche per tutti i campioni. Dopo la passivazione F, TiN di 50 nm di spessore è stato depositato mediante deposizione fisica in fase vapore (PVD), seguita da ricottura post-metallizzazione (PMA) per la cristallizzazione del film HZO (si noti che il PMA è stato applicato anche per la campione di riferimento). Per esplorare l'impatto della temperatura di ricottura sulla linea di base/CDE1/CDE2/CDE3, sono state utilizzate tre diverse temperature, ovvero 500 ℃, 600 ℃ e 700 ℃, per 30 s in atmosfera N2.