不同介电层对Hf_(x)Zr_(1-x)O_(2)薄膜铁电性能影响的研究进展

近年来,铁电Hf_(x)Zr_(1-x)O_(2)(HZO)薄膜受到越来越多的关注,但是铁电层与电极材料层以及铁电层与半导体衬底层之间的界面问题并没有得到解决,阻碍了HZO薄膜的进一步应用。总结了通过引入不同介电层材料,如Al_(2)O_(3)、ZrO_(2)、HfO_(2)、Ta_(2)O_5等,调节HZO薄膜铁电性能的方法及其机理;详细介绍了各种介电层材料作为封盖层对HZO薄膜铁电性能的影响,如对HZO薄膜提供平面内应力、控制铁电层的晶粒尺寸及作为铁电层形核核心的作用;最后,总结并展望了利用介电层调控HZO薄膜铁电性能的一般规律,为后续相关研究的开展提供了指导。

TiN/HZO/HfO2/Si铁电晶体管栅结构的60Coγ射线总剂量辐射效应

该文制备了TiN/Hf0.5Zr0.5O2(HZO)/HfO2/Si(MFIS)型的铁电晶体管栅结构,并在常规实验环境下对其进行了P-E、J-E、疲劳和保持等的电学性能测试.结果表明这种基于铪系氧化物的栅结构具有优良的电学性能,2Pr可达30μC/cm^2,2Ec约为6.8MV/cm,矫顽场附近的漏电流密度为10-6A/cm^2,在105s保持时间内剩余极化值衰减10%,经10^7次翻转后剩余极化值基本保持不变,经109次翻转后剩余极化值的衰减维持在15%以内.MFIS铁电栅的60Coγ射线电离辐射实验结果表明这种栅结构对总剂量电离辐射具有很强的免疫力,在辐射剂量高达5Mrad(Si)时,电滞回线矩形度、对称性以及保持性能等几乎没有退化.该文所制备的全铪系薄膜铁电栅为高抗总剂量辐射、高读写寿命、长保存时间的高性能晶体管型铁电存储器的制备提供了数据支撑.

下电极TiN粗糙度对HZO薄膜铁电性的影响

传统钙钛矿铁电薄膜具有一系列优点的同时也具有较为明显的缺点,主要包括:与Si工艺兼容性较差、物理厚度较大、带隙宽度较小以及非环境友好等.2011年新型掺杂HfO2铁电薄膜的出现,为解决上述一系列问题提供了新思路.其中,因铁电性能显著及易于制备,HfO2-ZrO2固溶体(HZO)体系成了重要的研究热点之一.与此同时,在充分考虑制备成本和可控沉积条件之后,研究者发现溅射技术是制备HZO薄膜较为有效的手段之一.该文在利用溅射技术制备TiN/HZO/TiN(MFM)铁电电容结构的过程中发现:下电极TiN粗糙度对新型HfO2基MFM电容结构铁电性的产生具有重要影响;相较于磁控溅射技术而言,离子束溅射技术制备的下电极TiN具有更好的粗糙度,更有利于体系铁电性能的出现.

Ar等离子体处理对H_(0.5)Z_(0.5)O_(2)薄膜铁电电容器的影响

氧化铪基铁电薄膜近年来广受关注,因为具有优良的铁电性能,并可以与CMOS工艺完美兼容。有研究表明,Ar等离子体处理HZO界面可以有效提高铁电性能,但存在剩余极化强度较低(~30μC/cm^(2))的问题。本文通过不同功率(50W,100W,150W,200W)Ar等离子体处理TiN/HZO下界面,研究其对TiN/HZO/TiN/W结构器件铁电性能的影响。研究表明,施加150W等离子体处理底电极TiN时,器件的铁电性能是最优的,它可将器件的两倍剩余极化强度(2Pr)由~27μC/cm^(2)提升至~44μC/cm^(2),还将矫顽场由~1.7 MV/cm降低至~1.37 MV/cm。进一步分析表明,Ar等离子体修饰抑制了单斜相的生长,并提高了正交相比率(由~66%提高至~88%),从而促进了铁电性能的提升。另外,Ar等离子体修饰后器件的C-V曲线呈现“蝴蝶”形状,其相对介电常数提高到55左右,大大提高了器件性能。