Ajuste del espesor de ferroeléctricos en películas de Al0,78Sc0,22N

Presentación

Con el fuerte desarrollo de la tecnología, las memorias no volátiles de bajo consumo, incluidas las memorias magnetorresistivas de acceso aleatorio y las memorias ferroeléctricas de acceso aleatorio (FRAM), se han integrado con microcontroladores de bajo consumo para dispositivos IoT). Las FRAM con películas ferroeléctricas de Pb(ZrTi)O3 (PZT) son mucho menores que las memorias flash. Normalmente, el escalado del grosor de las películas ferroeléctricas reduce el tamaño de los condensadores ferroeléctricos y, por tanto, el consumo de energía. Sin embargo, se sabe que las películas de PZT pierden su ferroelectricidad cuando se adelgazan a menos de 100 nm. Además, las películas de PZT con electrodos de metales preciosos no son totalmente compatibles con los procesos semiconductores. Se han descrito varios materiales ferroeléctricos que están lejos de sustituir a los materiales ferroeléctricos convencionales. La película ferroeléctrica de HfO2 de la que se informó en 2011 tiene la ventaja de que su ferroelectricidad puede mantenerse por debajo de 3 nm. El proceso de fabricación puede llevarse a cabo a bajas temperaturas mediante un proceso semiconductor totalmente compatible. Además, en 2019 se informó de la existencia de películas ferroeléctricas de Al1-xScxN con una polarizabilidad residual (Pr) de más de 100 μC cm-2.26,27) Una Pr elevada también es atractiva porque los electrodos del condensador ferroeléctrico pueden reducirse aún más para obtener una mayor densidad aparente, y la inducción de corriente durante las operaciones de escritura y lectura puede reducirse para obtener una mayor densidad aparente, y la inducción de corriente durante las operaciones de escritura y lectura puede reducirse para obtener una mayor densidad aparente. durante las operaciones de escritura y lectura puede resistir fácilmente el ruido.

Uno de los problemas de las películas de Al1-xScxN es el campo de coercitividad (EC) relativamente alto, que depende de la composición de los átomos de Sc (x) en la película de Al1-xScxN y es controlable. Ventajas desde el punto de vista terminológico La estructura fibrilada de tipo zincita del Al1-xScxN es una polaridad de fase estable en el sistema Al-Sc-N en el intervalo 0 < x < 0,46 (para el caso del nitruro, plano metálico o plano N) y podemos esperar la deposición de películas Al1-xScxN autopolarizadas orientadas en el eje c también en la región de la película fina.

Hemos descrito algunas propiedades ferroeléctricas dependientes del espesor hasta 20 nm. Hemos ampliado nuestro trabajo para caracterizar los efectos del espesor de las películas de Al0,78Sc0,22N en el grado de orientación de los cristales y las propiedades ferroeléctricas de las películas. Los sustratos de n+Si con una densidad de dopaje de 3 × 1018 cm-3 se limpiaron químicamente con una solución de mezcla de peróxido de azufre (SPM, H2SO4/H2O2= 3:1) y a continuación se impregnaron con HF diluido (1%). Los electrodos inferiores de TiN se depositaron por pulverización catódica sobre los sustratos a una potencia de RF de 300 W sobre cátodos de Ti con caudales de gas Ar y N2 de 4 y 6 sccm, respectivamente, a una presión de 0,22 Pa. A continuación se depositó la película de Al0,78Sc0,22N a partir del blanco de Al0,57Sc0,43 mediante sputtering DC a 300 W con flujos de gas Ar y N2 de 5 y 10 sccm respectivamente y una presión de 0,7 Pa. La composición de la película de Al0,78Sc0,22N depositada en estas condiciones se determinó mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X. El tiempo de deposición de las películas de Al0,78Sc0,22N se varió para formar películas con un espesor de 10-47 nm. Se depositó otra capa de TiN in situ sobre la película de Al0,78Sc0,22N. Todos los procesos de deposición se mantuvieron a una temperatura constante de 400 °C. La capa superior de TiN se modeló fotolitográficamente mediante grabado húmedo utilizando una mezcla de peróxido de amonio (APM, NH4OH: H2O2:H2O = 1:5:5) para formar el electrodo superior. Por último, el contacto posterior de aluminio se forma por evaporación térmica. Hemos demostrado que los condensadores tienen corrientes de fuga casi idénticas en el campo eléctrico aplicado, lo que indica que la densidad de defectos en el interior de la película y cerca de la interfaz es de la misma magnitud. La cristalización y orientación de los granos de la película se evaluó mediante difracción de rayos X (DRX) en configuraciones fuera del plano y curva de ondulación. La fuente de rayos X fue CuKa con un ángulo de divergencia de 0,04°. Las características de capacitancia-voltaje (CV) se obtuvieron utilizando un medidor LCR Agilent E4980A con una pequeña amplitud de señal de 50 mV a 100 kHz. Las características de polarización-tensión (PV) del condensador se midieron a 10 kHz utilizando el equipo de la serie FCE10 de TOYO.

Aplicaciones

Este artículo se centra en el escalado de espesores de las películas no polarizadas de Al0,78Sc0,22N depositadas por pulverización catódica, cuyas propiedades ferroeléctricas se han examinado. Las películas orientadas en el eje c se confirmaron mediante mediciones de la curva de oscilación de rayos X con películas tan finas como 10 nm. A partir de las medidas de capacitancia se observó histéresis ferroeléctrica y ningún comportamiento de polarización, incluso a espesores de 20 nm. La polarización residual (Pr) mostró una degradación progresiva a espesores inferiores a 35 nm. Los ensayos cíclicos de conmutación (SW) revelan un efecto de despertar en la película, especialmente en películas de espesor superior a 35 nm.

Hemos realizado medidas de CV dependientes de la polaridad en películas de 20 y 40 nm de espesor de Al0,78Sc0,22N, como se muestra en la Figura 4. Inicialmente, al aplicar una tensión negativa a las muestras, había poca diferencia en la capacitancia entre los barridos superior e inferior [Fig. 4(a)]. Posteriormente, al aplicar un voltaje negativo al electrodo superior, se observó un aumento gradual de la capacitancia acompañado de una caída repentina a un cierto voltaje. Los siguientes voltajes aplicados en sentido positivo mostraron un comportamiento de conmutación ferroeléctrica (SW). Por otro lado, cuando el voltaje inicial aplicado a la muestra fresca se fija en la dirección negativa, como se muestra en la Figura 4(b), observamos una caída repentina de la capacitancia, lo que indica que la película está conmutada. A partir de estas medidas, podemos concluir que la película de Al0,78Sc0,22N se ha autopolarizado en la dirección de la superficie al sustrato.

Fuente

Por Sung-Lin Tsai,Takuya Hoshii1,HitoshiWakabayashi1,Kazuo Tsutsui,Tien-Kan Chung ,Edward Yi Chang,y KuniyukiKakushima

Institución: School of Engineering, Tokyo Institute ofTechnology, 4259 S2-20, Nagatsuta, Midori-ku, Yokohama 226-8502, Japón 2International College of Semiconductor Technology, National Chiao TungUniversity, 1001 University Road, Hsinchu 30010, Taiwan ROC 3 Institute ofInnovative Research, Tokyo Institute of Technology, 4259 S2-20, Nagatsuta,Midori-ku, Yokohama 226-8502, Japón 4 Department of Mechanical Engineering, National Chiao Tung University, 1001 University Road, Hsinchu 30010, Taiwán ROC

Publicado: Recibido el 16 de octubre de 2020; revisado el 7 de marzo de 2021;aceptado el 16 de marzo de 2021; publicado en línea el 1 de abril de 2021.

Revista: Japanese Journal of Applied Physics 60, SBBA05(2021)

Sitio web fuente del artículo: On the thickness scaling of ferroelectricity inAl0.78Sc0.22N films ((https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/abef15/pdf)

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