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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

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半导体技术 2024年第4期49卷 297-309页

作者：袁晓博何慧凯唐文涛刘宗芳苏铭吉中国电子科技南湖研究院浙江嘉兴314000 浙江大学信息与电子工程学院杭州310058

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_... 详细信息

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。

关键词：铁电性能 hzo薄膜介电层 Al_(2)O_(3) ZrO_(2)

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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

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功能材料与器件学报 2024年第2期 79-83页

作者：蒋瑞福州大学物理与信息工程学院福建福州350108

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... 详细信息

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。

关键词：等离子体处理 hzo薄膜正交相剩余极化强度

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基于Hf0.5Zr0.5O2薄膜的负电容场效应晶体管的制备与研究

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基于Hf0.5Zr0.5O2薄膜的负电容场效应晶体管的制备与研究

作者：郭晓伟天津理工大学

学位级别：硕士

随着硅基场效应晶体管的尺寸不断缩小,功耗问题已经成为阻碍金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors,MOSFET）发展的主要因素。解决功耗问题的关键是要突破玻尔兹曼热力学限制,实现低于60... 详细信息

随着硅基场效应晶体管的尺寸不断缩小,功耗问题已经成为阻碍金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors,MOSFET）发展的主要因素。解决功耗问题的关键是要突破玻尔兹曼热力学限制,实现低于60 m V/dec的亚阈值摆幅（Subthreshold Swing,SS）。负电容场效应晶体管（Negative Capacitance Field Effect Transistor,NCFET）在栅结构中加入了铁电材料,利用铁电材料的极化反转的特性实现负电容,能够突破玻尔兹曼热力学极限,实现极低的SS值,被认为是集成电路亚10 nm阶段最有前途的低功耗候选器件之一。氧化铪基铁电材料在亚十纳米尺寸仍具有良好的铁电性能,而且与MOS工艺兼容,非常适合于高性能低功耗的器件中。但是目前对于氧化铪基薄膜材料的研究仍处于起步阶段。本文主要围绕锆掺氧化铪铁电薄膜(HfZrO,hzo),对其铁电性能进行探索,并且对基于hzo薄膜制备的负电容场效应晶体管的电学性能进行研究。具体工作如下:制备并研究了hzo薄膜的铁电性能。通过磁控溅射制备了hzo薄膜,并对其进行快速热退火处理。对不同退火温度（450-650℃）下hzo薄膜的晶向和铁电性能进行分析,发现随着退火温度的升高铁电性能先增强后减弱,在550℃附近取得最大值。在亚十纳米范围内对hzo薄膜厚度进行研究,发现随着薄膜厚度的增加,铁电性能随之增强。通过改变电容匹配层AlO薄膜的厚度,对AlO/hzo堆栈结构的铁电性能进行研究,发现随着AlO厚度增加,铁电性能逐渐减弱,在AlO厚度为2 nm时,AlO/hzo堆栈结构的铁电性最强。制备并研究了基于hzo的二维MoS负电容场效应晶体管。通过分析NCFET的设计准则,讨论了取得极低亚阈值摆幅的原理和电容匹配规则。实验制备了负电容场效应晶体管,并对其结构和性能进行表征。通过改变hzo薄膜的退火温度和厚度以及电容匹配层AlO的厚度,研究对二维MoS NCFET电学性能的影响。根据电容匹配结果,制备了在550℃温度下退火的6 nm hzo薄膜,与2 nm AlO堆栈为栅介质层,通过机械剥离加干法转移制备了二维MoS沟道,完成了负电容场效应晶体管的工艺制备。器件的亚阈值摆幅突破了玻尔兹曼热力学极限,低至27.9 m V/dec,而且器件的回滞很小,电流开关比达到1.58×10～7,此外还观察到了漏致势垒升高效应和负微分电阻效应。

关键词： MoS2 NCFET 亚阈值摆幅 hzo薄膜电容匹配

高介电复合氧化物在电荷俘获型存储器中的研究

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高介电复合氧化物在电荷俘获型存储器中的研究

作者：张钰电子科技大学

学位级别：硕士

存储器作为信息的主要载体,是支撑现代社会各行各业不断发展的重要支柱,因此,具有高存储容量的存储器一直都是研究的热点。SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon)型结构的存储器采用SiN代替多晶硅浮栅层,有效改善了传统浮栅存储... 详细信息

存储器作为信息的主要载体,是支撑现代社会各行各业不断发展的重要支柱,因此,具有高存储容量的存储器一直都是研究的热点。SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon)型结构的存储器采用SiN代替多晶硅浮栅层,有效改善了传统浮栅存储器的漏电流问题,增强了器件的可靠性,受到了广泛的关注。但是SiN作为器件的电荷俘获层,陷阱能级较浅,不利于电荷的俘获,且随着器件尺寸的下降而导致的电荷泄露问题不可避免,因此,寻找性能更加优异的可替代的存储器是至关重要的问题。将high-k材料应用于电荷俘获存储器结构,代替传统的SiO和SiN,对解决因尺寸缩小导致的漏电流问题以及提高器件的数据保持性能提供了极为有效的方案,并具有良好的应用前景。因此,本文采用high-k材料HfO-ZrO作为器件的电荷俘获层。探究了该器件在不同工艺条件下的电荷存储能力,并尝试分析其存储机制。主要内容概括如下:1.基于传统的SONOS结构,根据high-k材料的性质,结合各功能层的特点,选取high-k材料AlO作为器件的隧穿层和阻挡层,通过实验验证,选取单层hzo作为器件的电荷俘获层。通过PLD系统,制备了p-Si/AlO/hzo/AlO/Pt结构的电荷俘获型存储器。在不同的生长温度下制备了hzo薄膜,通过AFM测试,发现300℃生长的hzo薄膜粗糙度最低,表面平整度最高,故采用300℃作为薄膜的生长温度。采用SEM对样品的截面进行了测试,成功标定了各介质层的厚度,确定了其生长速率。2.对制备的hzo电荷俘获存储器进行电学性能测试,分析其存储特性。结果表明,hzo存储器具有优异的存储性能和良好的数据保持能力。当外加电压为±12V时,获得的存储窗口最大,为8.9V,电荷存储密度约为1.42×10cm。制备了多组样品,分析了不同退火温度及不同退火气氛下hzo器件存储窗口的变化情况,结果表明,800℃退火的器件存储性能最好,这是因为当退火温度过高时,由于界面处内扩散恶化,将会严重影响器件的存储性能;而在N和O气氛中退火的样品,在±10V的扫描电压下,存储窗口分别为1.4V和6.9V,对应的电荷存储密度分别为1.6×10cm、1.10×10cm。3.通过对hzo薄膜进行XRD、XPS测试,分析了其结构成分变化。通过绘制器件的能带图谱,尝试分析了hzo电荷俘获存储器的存储机制。研究表明:在O气氛下,经过800℃退火90s的样品,出现了结晶峰。根据分析,该峰对应的是四方ZrO的(111)晶面,与常温常压下形成的单斜相相比,ZrO的四方相在结晶膜中具有更高的介电常数和更小的晶粒尺寸,这有利于器件在小的操作电压下获得更大的存储窗口和更高的电荷存储密度;而XPS的分析结果表明,经过高温快速退火处理的hzo薄膜,Hf4f轨道和Zr3d轨道的结合能均比没有退火处理的hzo薄膜高,这表明经过高温退火处理,hzo薄膜中的Hf-O键和Zr-O键的数量增加,从而产生了更多了缺陷态,这解释了不同温度下对应的存储窗口的变化问题。最后对hzo电荷俘获存储器的能带结构进行估算,根据能带图谱分析了器件的读写机制,发现hzo相对于Si的导带偏移较小,这有利于提高器件的写入/擦除速度,并且根据数据保持特性分析,在P/E速度提高的同时,保持性能没有牺牲,这表明hzo器件具有优异的电荷俘获能力。

关键词： high-k材料电荷俘获存储器件存储窗口快速退火 hzo薄膜

Hf_(0.2)Zr_(0.8)O_2铁电薄膜的制备与电性能研究

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功能材料 2014年第17期45卷 17062-17065页

作者：吴诗捷朱俊罗文博吴智鹏林亚丽刘兴鹏电子科技大学微电子与固体电子学院成都610054

采用脉冲激光沉积法(pulsed laser deposition,PLD),通过改变气氛氧压、衬底温度等工艺参数,在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了Hf0.2Zr0.8O2(hzo)薄膜。利用X射线衍射(XRD)表征了薄膜的结构特征;并采用Radiant RT66A进行铁电性能参数的测量,... 详细信息

采用脉冲激光沉积法(pulsed laser deposition,PLD),通过改变气氛氧压、衬底温度等工艺参数,在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了Hf0.2Zr0.8O2(hzo)薄膜。利用X射线衍射(XRD)表征了薄膜的结构特征;并采用Radiant RT66A进行铁电性能参数的测量,以此研究了工艺参数对薄膜结构和铁电性能的影响规律。分析结果表明,hzo铁电极化的原因主要是来自于HfO2-ZrO2(111)正交相和ZrO2(002)四方相的影响。通过上述实验结果得到,在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备Hf0.2Zr0.8O2薄膜的优化条件为氧分压18 Pa、衬底温度500℃。在优化条件下制备的Hf0.2Zr0.8O2薄膜,剩余极化(2Pr)达到4μC/cm2。

关键词： hzo薄膜铁电脉冲激光沉积相变 XRD

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基于Hf1-xZrxO2铁电薄膜MoS2负电容场效应晶体管电特性研究

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基于Hf1-xZrxO2铁电薄膜MoS2负电容场效应晶体管电特性研究

作者：杨磊华中科技大学

学位级别：硕士

随着硅基金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的小型化发展,功耗问题已经成为阻碍传统MOSFET发展的主要因素。Boltzmann极限限定了室温下MOSFET的亚阈值摆动(SS)最小为60 m V/dec。负电容场效应晶体管(NCFET)被认为是能够突破这个... 详细信息

随着硅基金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的小型化发展,功耗问题已经成为阻碍传统MOSFET发展的主要因素。Boltzmann极限限定了室温下MOSFET的亚阈值摆动(SS)最小为60 m V/dec。负电容场效应晶体管(NCFET)被认为是能够突破这个玻尔兹曼极限的超低功耗候选器件之一。通过在堆栈栅介质中加入铁电层,取得铁电电容(C)和匹配层电容(C)之间的最佳匹配,来实现电压的无源放大和陡峭的斜率。另一方面,由于Si技术已经接近其物理极限,一些二维过渡金属硫化物(TMDC),因其原子级的超薄厚度、合适的带隙宽度、较高的载流子迁移率以及良好的CMOS工艺兼容性,被认为是未来CMOS器件沟道材料发展的趋势之一。本文将铁电薄膜材料与二维半导体材料结合在一起,以二维材料Mo S作为NCFET的有源通道,HfZrO(hzo)薄膜作为铁电层,构建二维Mo S NCFET。到目前为止,这方面的理论和实验研究还相对较少,特别是基于超薄hzo(hzo薄膜厚度和铁电性能对器件电特性的影响,发现选用2 nm的AlO材料作为电容匹配层可以得到好的器件性能。同时,减薄hzo薄膜厚度、增大剩余极化强度(P)/矫顽场大小(E)的比值,有利于实现更好的电容匹配。所设计的hzo薄膜厚度为3 nm、AlO厚度为2 nm的NCFET,可获得SS为35.44 m V/dec、阈值电压为0.075 V和电流开关比为3.83×10。实验方面:(1)通过原子层沉积(ALD)技术制备了hzo薄膜,完成了对hzo薄膜铁电性能方面的研究,分析了hzo薄膜厚度及退火温度对铁电性能的影响。实验结果表明:随着hzo薄膜退火温度的升高(350–750℃),P先上升再下降,在650℃附近取得最大值;随着hzo薄膜厚度的减薄,P和E越来越小,铁电性随之减弱,但在hzo厚度为3 nm时仍获得铁电性。(2)在(1)的基础上,开展了二维Mo S NCFET样品的工艺制备。通过调整实验参数,得到SS为49.33 m V/dec的Mo S NCFET。结合模拟仿真结果,分析了不同退火温度及厚度的hzo薄膜对器件性能的影响。实验发现,在AlO为2 nm,hzo为3 nm时,Mo S NCFET呈现出优良的电特性:SS为20.66 m V/dec(跨5个数量级的输出电流)、开关比为0.95×10、最大迁移率为153.66 cm/Vs。

关键词： MoS2 NCFET 亚阈值摆幅 hzo薄膜铁电性电容匹配

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硅基负电容场效应晶体管研究和制备

硅基负电容场效应晶体管研究和制备

作者：李庆龙西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着摩尔定律的发展,集成电路特征尺寸的不断缩小以及工艺的不断优化使得单一面积上集成的器件数量不断增多,在不断提升芯片性能的同时也使得功耗问题变得日益严重。如何获得陡峭亚阈值摆幅(Steep Subthreshold Swing),提高器件开关速度... 详细信息

随着摩尔定律的发展,集成电路特征尺寸的不断缩小以及工艺的不断优化使得单一面积上集成的器件数量不断增多,在不断提升芯片性能的同时也使得功耗问题变得日益严重。如何获得陡峭亚阈值摆幅(Steep Subthreshold Swing),提高器件开关速度,降低器件功耗成为了研究的热点。在此背景下,人们提出了以铁电材料为栅介质的负电容场效应晶体管(Negative Capacitance Field Effect Transistor,NCFET)。NCFET能够突破传统MOSFET亚阈值摆幅为60mV/decade的物理极限,并且具有工作电压低(如小于0.5V)、器件开关性能好、导通电流高,与CMOS工艺兼容等优点,受到了大家的广泛关注。目前常用的铁电材料有BaTiO、P(Zr,Ti)O(PZT)、P(VDF-TrFE)(PVDF)等,但是这些铁电材料与传统CMOS工艺不兼容,因此在未来的应用中仍受到限制。2011年,T等人发现在high-k介质HfO中掺入Zr元素可以在很大范围内展现铁电性,并且可以很好的规避工艺不兼容的问题,因此HfZrO(hzo)材料在铁电存储器和铁电晶体管领域具有重大的应用前景。本文以hzo铁电薄膜为研究对象,研究了其材料特性以及相应负电容器件的电学性能。具体内容如下:(1)通过PEALD设备生长了不同Zr组分的HfZrO薄膜。XRD的测试结果表明,HfZrO薄膜在退火后表现出tetragonal(011)/orthorhombic(111)/cubic(111)的混合相。而正交相(orthorhombic)的存在证明了HfZrO的铁电性。AFM的测试结果显示HfZrO薄膜的均方根粗糙度随着退火温度的增加而增大,说明HfZrO在退火后开始结晶,晶粒的大小随着退火温度的增加而逐渐变大。此外,从XPS的测试结果可以发现,HfZrO薄膜的禁带宽度随着Zr组分的增加而增大,Si/HfZrO结构的价带差也随着Zr组分的增加而增大,而导带差则随着Zr组分的增加而减小,但是价带差和导带差均大于1eV,满足漏电流的要求。(2)研究了基于HfZrO薄膜的MFM(Metal/Ferroelectricity/Meta)结构以及MFS(Metal/Ferroelectricity/Si)结构的电学性能。从MFM结构的P-V特性曲线可以看出,hzo薄膜的剩余极化强度2P随着退火温度的增加先增大后减小,在550℃时,20nm的样品的2P为31.3μC/cm,30nm的样品的2P为26.9μC/cm,而矫顽电场E则随着退火温度的增加而单调增大。同时还发现,hzo薄膜的2P和E都随着测试电压的增加而增大。MFM结构的C-V特性测试结果显示,hzo薄膜的介电常数随退火温度的增加先增大后减小,在550℃退火时达到最大值,20nm样品的介电常数为36.5,30nm样品的介电常数为28.3。从不同界面处理的MFS结构的测试结果可以知道,用高温退火的方法可以在Si衬底表面形成一层质量较好的SiO钝化层,在Si和hzo薄膜之间能获得更好的界面。(3)用hzo薄膜作为栅介质制备了Si NCFET器件。沟道长度为5μm的器件在退火后实现了61mV/decade的亚阈值摆幅,接近理想MOS器件60mV/decade的物理极限,Si NCFET的输入输出特性中出现了负微分电阻这一典型的负电容器件的特征,同时与Si MOS相比,SiNCFET的输出电流提高了38%,并且在C-V特性曲线中观测到了电容突然增大的现象。这些现象都证明了hzo薄膜具有铁电性和负电容效应。与此同时,我们还对不同沟道尺寸的器件进行了总结,结果发现随着沟道尺寸的增加,器件的栅极漏电流密度变大,输出电流减小,开关性能也相应地降低。

关键词： hzo薄膜负电容亚阈值摆幅场效应晶体管