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Electrical uniformity analyses on 12-inch Si-based Hf0.5Zr0.5O2 ferroelectric capacitor devices by atomic layer deposition
12英寸硅基Hf0.5Zr0.5O2铁电电容器器件的原子层沉积电均匀性分析
研究背景
随着海量数据的增长，对高性能存储器的需求变得极其迫切。铁电随机存取存储器（FeRAM）作为一种新型存储器件，因其非易失性、快速存取时间和低功耗而受到广泛关注。
研究方法
本研究通过交替旋涂氮化硼/聚甲基丙烯酸甲酯在这项工作中，在最佳工艺和退火条件下，利用热原子层沉积在12英寸硅片上制备TiN/HZO/TiN铁电电容器。研究了电性能的均匀性、器件间的变化和晶片级器件的产量，并探讨了12英寸HZO MFM器件中电波动的原因。
实验结果解析
图1.（a） TiN/HZO/TiN/Si MFM电容器的示意图和（b）横截面TEM图像。（c） HZO薄膜的Hf 4f、Zr 3d、O 1s的XPS光谱。（c）中的插图显示了Hf3+、Zr3+和氧空位缺陷的计算百分比浓度。（d） TiN/HZO/TiN/Si的GIXRD图谱。（d）中的插图是30.5°处不同相含量的解卷积峰的放大图。（e） 12英寸MFM电池在第1次和第1000次开关循环后的滞后回路。（f） TiN/HZO/TiN MFM电容器的JA-V曲线。
图2. 椭圆偏振法测定12英寸硅片上ALD TiN/HZO/TiN各层的厚度分布：（a）5nm TiN顶电极，（b）10nm HZO薄膜，（c） 10nmTiN底部电极。。
图3. 12英寸硅片上MFM系统的五个大区域（A、B、C、D、E）和49个小区域。右侧插图显示了一个小区域中的一些设备单元。
图7. （a） C1和C2样品具有不同氧空位浓度（x）的HfZrO4和HfZrO4-2x的晶体结构。每个原子和氧空位都以不同的颜色突出显示。（b）C1和（c）C2样品的极化和相对能量分别随反应坐标的变化。
实验总结
通过热原子层沉积在12英寸硅片上制备了TiN/HZO/TiN铁电器件。在最佳加工和退火条件下，对电性能和器件良率的均匀性进行了研究。12英寸MFM电容器的平均2Pr值为20.0μC/cm2，RSD为25.4%，2EC为1.9 MV/cm，RSD为16.7%，良率为77.5%。由于过度泄漏和击穿，故障器件大多分布在靠近反应物出口区域的12英寸晶片边缘，HZO层较薄。然而，12英寸MFM器件的电学波动与HZO铁电薄膜的厚度不均匀、HZO层中的氧空位浓度以及铁电相的微观分布不均匀有关。在12英寸MFM器件的中间部分，证实了最佳的电学性能：2Pr值为22.5μC/cm2，相对标准偏差为5.4%，2EC为2.0MV/cm，相对标准差为1.6%。由于HZO超薄层厚度仅为10nm，即使厚度波动很小，也会影响铁电相的形成，进而对电均匀性产生明显影响。因此，确保12英寸硅片上MFM电容器的优异均匀性对于HfO2基FeRAM的工业化至关重要。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.05.008
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.8，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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