Регулировка толщины сегнетоэлектриков в пленках Al0.78Sc0.22N

представить (кого-л. на работу и т.д.)

Благодаря активному технологическому прогрессу энергонезависимая память с низким энергопотреблением, включая магниторезистивную память с произвольным доступом и ферроэлектрическую память с произвольным доступом (FRAM), была интегрирована в микроконтроллеры с низким энергопотреблением для устройств IoT). FRAM с ферроэлектрическими пленками Pb(ZrTi)O3 (PZT) значительно ниже по сравнению с флэш-памятью. Как правило, увеличение толщины ферроэлектрических пленок позволяет уменьшить размер ферроэлектрического конденсатора, что снижает энергопотребление. Однако известно, что пленки PZT теряют свою ферроэлектричность при уменьшении толщины до менее чем 100 нм. Кроме того, пленки PZT с электродами из драгоценных металлов не полностью совместимы с полупроводниковыми процессами. Появилось несколько ферроэлектрических материалов, которые на данный момент заменяют традиционные ферроэлектрические материалы. Преимущество ферроэлектрических пленок HfO2, о которых было сообщено в 2011 году, заключается в том, что они могут сохранять свою ферроэлектричность на уровне менее 3 нм. Процесс изготовления может осуществляться при низких температурах с помощью полностью совместимого полупроводникового процесса. Кроме того, в 2019 году появились сообщения о ферроэлектрических пленках Al1-xScxN с остаточной поляризацией (Pr) более 100 мкСм-2.26,27) Высокая Pr также привлекательна тем, что электроды ферроэлектрического конденсатора могут быть дополнительно уменьшены для получения более высокой объемной плотности, а во время операций записи и чтения ток ток во время операций записи и чтения может быть легко защищен от шума.

Одной из проблем пленок Al1-xScxN является относительно высокое коэрцитивное поле (EC), которое зависит от состава (x) атомов Sc в пленке Al1-xScxN и поддается контролю. Преимущества с точки зрения терминологии Фибриллярная структура типа цинкита Al1-xScxN является стабильной фазовой полярностью в системе Al-Sc-N в диапазоне 0 < x < 0,46 (для случая нитрида, металлического торца или N-торца), и мы можем ожидать осаждения самополяризованных пленок Al1-xScxN, ориентированных по оси c, также в области пленки.

Мы сообщили о некоторых зависящих от толщины ферроэлектрических свойствах вплоть до 20 нм. Мы расширяем нашу работу, характеризующую эффекты толщины в пленках Al0.78Sc0.22N, до степени ориентации кристаллов и ферроэлектрических свойств в пленках. Подложка n+Si с плотностью легирования 3 × 1018 см-3 была химически очищена раствором смеси пероксидов серы (СПС, H2SO4/H2O2 = 3:1) и затем пропитана разбавленной HF (1%). Нижние электроды из TiN были осаждены на подложку при давлении 0,22 Па на мишени из Ti с расходом газов Ar и N2 4 и 6 куб. см, соответственно, при мощности РЧ 300 Вт. Затем на подложку было нанесено напыление с плотностью легирования 3 × 1018 см-3 и плотностью легирующего элемента 3 × 1018 см-3 в растворе n+Si. Затем пленки Al0.78Sc0.22N осаждались из мишеней Al0.57Sc0.43 методом распыления постоянным током при мощности 300 Вт с расходом газов Ar и N2 5 и 10 куб. м, соответственно, и давлением 0,7 Па. Состав пленок Al0.78Sc0.22N, осажденных в этих условиях, определялся методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Варьируя время осаждения пленок Al0.78Sc0.22N, мы формировали пленки толщиной 10-47 нм. Другой слой TiN осаждался in situ на пленку Al0.78Sc0.22N. Все процессы осаждения проходили при постоянной температуре 400 °C. Верхний слой TiN был фотолитографически нанесен методом мокрого травления с использованием смеси пероксида аммония (APM, NH4OH: H2O2:H2O = 1:5:5) для формирования верхнего электрода. Наконец, обратный алюминиевый контакт формируется термическим испарением. Мы продемонстрировали, что конденсаторы имеют практически одинаковый ток утечки в приложенном электрическом поле, что говорит о том, что размер плотности дефектов внутри пленки и вблизи границы раздела одинаков. Кристаллизация и ориентация зерен в пленках оценивались методом рентгеновской дифракции (XRD) во внеплоскостной и качающейся конфигурациях кривых. Источником рентгеновского излучения служил CuKa с углом расхождения 0,04°. Емкостно-напряженные (CV) характеристики были получены с помощью LCR-метра Agilent E4980A при частоте 100 кГц с малой амплитудой сигнала 50 мВ. Поляризационно-напряженные характеристики (PV) измерялись с помощью установки серии TOYO FCE10 на частоте 10 кГц для определения характеристик конденсатора.

Приложения

Основное внимание в данной работе уделено масштабированию толщины неполяризованных пленок Al0.78Sc0.22N, полученных напылением, которые были исследованы на предмет их ферроэлектрических свойств. Ориентация пленок по оси c была подтверждена рентгеновскими измерениями кривых виляния для пленок толщиной до 10 нм. Ферроэлектрический гистерезис и неполяризованное поведение наблюдаются при измерениях емкости даже при толщине 20 нм. Остаточная поляризация (Pr) показывает постепенную деградацию при толщине менее 35 нм. Циклические испытания на переключение (SW) выявили эффект пробуждения в пленках, особенно в пленках толщиной более 35 нм.

Мы провели полярно-зависимые CV-измерения на пленках Al0.78Sc0.22N толщиной 20 и 40 нм, как показано на рис. 4. При первоначальном приложении напряжения к образцам емкость практически не отличалась между верхней и нижней развертками [рис. 4(a)]. Затем, приложив отрицательное напряжение к верхнему электроду, наблюдалось постепенное увеличение емкости, сопровождавшееся резким падением при определенном напряжении. Следующее напряжение, приложенное в положительном направлении, демонстрировало поведение ферроэлектрического переключения (SW). С другой стороны, когда начальное напряжение, приложенное к свежему образцу, устанавливается в отрицательном направлении, как показано на рис. 4(b), мы видим внезапное падение емкости, указывающее на то, что пленка переключается. Из этих измерений можно сделать вывод, что пленка Al0.78Sc0.22N была самополяризована в направлении от поверхности к подложке.

источник (информации и т.д.)

Авторы: Sung-Lin Tsai, Takuya Hoshii1, Hitoshi Wakabayashi1, Kazuo Tsutsui, Tien-Kan Chung, Edward Yi Chang, и Kuniyuki Kakushima

Учреждение: Инженерная школа, Токийский технологический институт, 4259 S2-20, Нагацута, Мидори-ку, Йокогама 226-8502, Япония 2Международный колледж полупроводниковых технологий, Национальный университет им. 2Международный колледж полупроводниковых технологий, Национальный университет Чиао Тунг, 1001 University Road, Hsinchu 30010, Taiwan ROC 3Институт инновационных исследований, Токийский технологический институт. Институт технологий, 4259 S2-20, Nagatsuta, Midori-ku, Yokohama 226-8502, Япония 4 Факультет машиностроения, Национальный университет Чиао Тунг Факультет машиностроения, Национальный университет Чиао Тунг, 1001 Университетская дорога, Хсинчу 30010, Тайвань ROC

Опубликовано: Получено 16 октября 2020 г.; пересмотрено 7 марта 2021 г.; принято 16 марта 2021 г.; опубликовано онлайн 1 апреля 2021 г.

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

Сайт источника статьи: О масштабировании толщины сегнетоэлектричества в пленкахAl0.78Sc0.22N ((https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/abef15/pdf)

Сопутствующие товары