Polarização remanescente melhorada de Zr

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 16750 (2022) Citar este artigo

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Neste trabalho, foi investigado o impacto da passivação do plasma de flúor (CF4) e oxigênio (O2) em capacitores ferroelétricos baseados em HfZrOx (HZO). Pela passivação do flúor, a densidade da armadilha de superfície e as vagas de oxigênio nos capacitores metal-ferroelétrico-isolante-semicondutor (MFIS) baseados em HZO foram suprimidas, resultando no aumento da polarização remanescente original (2Pr). O valor puro (2Pr) das amostras de linha de base recozidas a 500 °C e 600 °C foi de 11,4 µC/cm2 e 24,4 µC/cm2, respectivamente. Porém, com a passivação de F, os valores de 2Pr foram aumentados para 30,8 µC/cm2 e 48,2 µC/cm2 para 500 °C e 600 °C, respectivamente. A quantidade de defeitos superficiais e vacâncias de oxigênio são confirmadas quantitativamente pelo método de condutância e análise XPS. No entanto, devido à incorporação de átomos de flúor nos filmes isolantes ferroelétricos, foi observada degradação indesejável nas características de resistência.

Desde que a ferroeletricidade do HfO2 foi descoberta em 2011, os transistores de efeito de campo ferroelétrico baseados em HfO2 (FeFETs) atraíram muito interesse para futuras aplicações de memória não volátil devido à sua compatibilidade com a tecnologia complementar de semicondutor de óxido metálico (CMOS), bem como superior. escalabilidade1,2,3. No entanto, a má qualidade da superfície da camada ferroelétrica degrada o desempenho do dispositivo. Defeitos na superfície dos materiais ferroelétricos aumentariam o campo de despolarização no material e/ou criariam uma camada morta (ou seja, não seria induzida muita polarização na fina camada “morta” dos materiais ferroelétricos). Isso faz com que a polarização remanescente (2Pr) dos materiais ferroelétricos seja degradada . Além disso, defeitos volumosos de materiais ferroelétricos (aqui, HfO ferroelétrico), que consistem principalmente em vacâncias de oxigênio, também seriam responsáveis ​​pela degradação do 2Pr . Espera-se que as vagas de oxigênio tenham fortes impactos na ferroeletricidade, incluindo polarização remanescente e desempenho de resistência7,8. Porque as vagas de oxigênio induzem a formação da camada morta não ferroelétrica na interface. Isso causa o efeito de fixação do domínio de polarização, resultando em características de polarização versus tensão (P – V) comprimidas e leva à degradação das propriedades de confiabilidade . No estudo anterior, descobriu-se que o tratamento com plasma de flúor pode passivar defeitos de superfície/volume em filme ferroelétrico de HfO2 dopado com Al9. No entanto, o tratamento com plasma de flúor no filme dielétrico de HfO causaria incorporação excessiva de átomos de flúor aos átomos de Hf/Zr no HZO, resultando na formação de intercamada (IL) (e, portanto, constante dielétrica degradada ).

Embora os tratamentos de plasma CF4/O2 para passivação de defeitos superficiais/volumes tenham sido usados ​​para vários tipos de filmes finos, ainda falta estudo sobre o impacto da passivação de CF4 e O2 em filmes ferroelétricos. Neste trabalho, os efeitos da passivação do plasma CF4 e O2 na polarização remanescente e nas características de resistência do capacitor MFIS baseado em ferroelétrico são investigados. A análise quantitativa, como XPS e método de condutância, foi feita para analisar a quantidade de defeitos superficiais e vacância de oxigênio em filmes ferroelétricos. Além disso, foram observadas pela primeira vez características de baixa resistência do filme ferroelétrico (causadas pela incorporação excessiva de átomos de flúor aos átomos de Hf/Zr).

Os capacitores MFIS (metal/ferroelétrico/isolante/semicondutor) foram fabricados em wafer de silício de 150 mm. Primeiro, trabalhos de limpeza padrão e trabalhos de limpeza de HF diluído (1:50) foram realizados para wafers p-Si (100) com resistividade <0,005 Ω∙cm. Posteriormente, SiO2 com 1 nm de espessura foi formado por oxidação química úmida usando um HPM (HCl:H2O2:H2O = 1:1:5). Em seguida, um HZO de 10 nm de espessura (HfO2 dopado com Zr) foi depositado por deposição de camada atômica térmica (ALD), no qual o precursor de tetraquis (etimetilamino) háfnio (TEMAH), o precursor de tetraquis (etilmetilamino) zircônio (TEMAZ) e H2O fonte foram usados. A fim de passivar defeitos superficiais e vacâncias de oxigênio, a passivação com plasma de flúor (passivação F) foi feita por ácido químico seco (CDE). Observe que foram utilizadas três condições diferentes para o tratamento com plasma de flúor, ou seja, linha de base (sem passivação de F), CDE1, CDE2 e CDE3. Em detalhes, a taxa de fluxo de gás O2 de CDE1, CDE2 e CDE3 foi de 30 sccm, 40 sccm e 60 sccm, respectivamente. Todas as outras condições, como a vazão do gás CF4, foram idênticas para todas as amostras. Após a passivação F, o TiN com 50 nm de espessura foi depositado por deposição física de vapor (PVD), seguido de recozimento pós-metalização (PMA) para a cristalização do filme HZO (observe que o PMA também foi aplicado para o amostra de linha de base). Para explorar o impacto da temperatura de recozimento na linha de base/CDE1/CDE2/CDE3, três temperaturas diferentes, ou seja, 500 ℃, 600 ℃ e 700 ℃, foram utilizadas por 30 s em atmosfera de N2.