Zrの残留分極の改善

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16750 (2022) この記事を引用

2080 アクセス

2 引用

メトリクスの詳細

この研究では、HfZrOx (HZO) ベースの強誘電体コンデンサに対するフッ素 (CF4) および酸素 (O2) プラズマパッシベーションの影響が調査されました。 フッ素不動態化により、HZO ベースの金属-強誘電体-絶縁体-半導体 (MFIS) キャパシタの表面トラップ密度と酸素空孔が抑制され、その結果、元の残留分極 (2Pr) が増加しました。 500 °C および 600 °C でアニールしたベースライン サンプルの初期値 (2Pr) は、それぞれ 11.4 μC/cm2 および 24.4 μC/cm2 でした。 ただし、F 不動態化を行うと、2Pr 値は 500 °C と 600 °C でそれぞれ 30.8 µC/cm2 と 48.2 µC/cm2 に増加しました。 表面欠陥や酸素欠損の量はコンダクタンス法やXPS分析により定量的に確認されます。 しかし、強誘電体絶縁体膜にフッ素原子が組み込まれたため、耐久特性における望ましくない劣化が観察されました。

HfO2 の強誘電性が 2011 年に発見されて以来、HfO2 ベースの強誘電体電界効果トランジスタ (FeFET) は、相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) 技術との互換性と優れた特性により、将来の不揮発性メモリ用途として多くの関心を集めてきました。スケーラビリティ1、2、3。 しかし、強誘電体層の表面品質が劣ると、デバイスの性能が低下します。 強誘電体材料の表面に欠陥があると、材料内の脱分極場が増加したり、デッド層が生成されたりします（つまり、強誘電体材料の薄い「デッド」層では分極があまり誘発されません）。 これにより、強誘電体材料の残留分極 (2Pr) が劣化します 4,5。 さらに、大部分が酸素欠損で構成される強誘電体材料（ここでは強誘電体 HfO2）のバルク欠陥も 2Pr 劣化の原因となる可能性があります 6。 酸素空孔は、残留分極や耐久性能などの強誘電性に強い影響を与えると予想されます 7,8。 酸素欠損が界面に非強誘電性のデッド層の形成を引き起こすためです。 これにより、分極ドメインピンニング効果が発生し、分極対電圧 (P-V) 特性がピンチされ、信頼性特性の劣化につながります7。 以前の研究では、フッ素プラズマ処理により、Al ドープ HfO2 強誘電体膜の表面/バルク欠陥を不動態化できることが判明しました9。 しかし、HfO2 誘電体膜に対するフッ素プラズマ処理は、HZO 中の Hf/Zr 原子へのフッ素原子の過剰な取り込みを引き起こし、その結果、中間層 (IL) が形成される (したがって、誘電率が低下する 10)。

表面/バルク欠陥の不動態化のための CF4/O2 プラズマ処理はさまざまな種類の薄膜に使用されていますが、強誘電体膜に対する CF4 と O2 の不動態化の影響に関する研究はまだ不足しています。 この研究では、強誘電体ベースの MFIS キャパシタの残留分極および耐久特性に対する CF4 および O2 プラズマパッシベーションの影響が調査されています。 強誘電体膜の表面欠陥や酸素欠損の量を分析するために、XPSやコンダクタンス法などの定量分析が行われています。 さらに、強誘電体膜の劣った耐久特性（Hf/Zr原子へのフッ素原子の過剰な取り込みによって引き起こされる）が初めて観察されました。

MFIS (金属/強誘電体/絶縁体/半導体) コンデンサーは 150 mm シリコン ウェーハ上に製造されました。 まず、抵抗率 < 0.005 Ω・cm の p-Si (100) ウェーハに対して、標準洗浄作業と希釈 HF (1:50) 洗浄作業を行いました。 その後、HPM (HCl:H2O2:H2O = 1:1:5) を用いた湿式化学酸化により、厚さ 1 nm の SiO2 を形成しました。 次に、テトラキス (エチルメチルアミノ) ハフニウム (TEMAH) 前駆体、テトラキス (エチルメチルアミノ) ジルコニウム (TEMAZ) 前駆体、および H2O を含む厚さ 10 nm の HZO (Zr ドープ HfO2) が熱原子層堆積 (ALD) によって堆積されました。ソースが使われていました。 表面欠陥と酸素欠損を不動態化するために、化学ドライエッチャー (CDE) によってフッ素プラズマ不動態化 (F-不動態化) が行われました。 フッ素プラズマ処理には 3 つの異なる条件、つまりベースライン (F 不動態化なし)、CDE1、CDE2、および CDE3 が使用されたことに注意してください。 詳細には、ＣＤＥ１、ＣＤＥ２、ＣＤＥ３のＯ２ガス流量は、それぞれ３０ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍ、６０ｓｃｃｍであった。 CF4 ガス流量などの他のすべての条件は、すべてのサンプルで同一でした。 F パッシベーションの後、物理蒸着 (PVD) によって厚さ 50 nm の TiN が堆積され、続いて HZO 膜の結晶化のためにポストメタライゼーション アニーリング (PMA) が行われました (PMA は、HZO 膜の結晶化にも適用されたことに注意してください)。ベースラインサンプル）。 ベースライン/CDE1/CDE2/CDE3 に対するアニーリング温度の影響を調査するために、3 つの異なる温度、つまり 500 ℃、600 ℃、700 ℃を N2 雰囲気中で 30 秒間使用しました。