物理化学学报 >> 2022, Vol. 38 >> Issue (5): 2006016.doi: 10.3866/PKU.WHXB202006016
殷宇豪1,2, 沈阳1, 王虎1, 陈肖1, 邵林3, 华文宇3, 王娟4, 崔义1,*()
收稿日期:
2020-06-08
录用日期:
2020-07-02
发布日期:
2020-07-10
通讯作者:
崔义
E-mail:ycui2015@sinano.ac.cn
Yuhao Yin1,2, Yang Shen1, Hu Wang1, Xiao Chen1, Lin Shao3, Wenyu Hua3, Juan Wang4, Yi Cui1,*()
Received:
2020-06-08
Accepted:
2020-07-02
Published:
2020-07-10
Contact:
Yi Cui
E-mail:ycui2015@sinano.ac.cn
About author:
Yi Cui, Email: ycui2015@sinano.ac.cn; Tel.: +86-13913595977摘要:
HfO2基铁电电容器,特别是TiN/HfxZr1-xO2/TiN金属-绝缘体-金属电容器,由于其良好的稳定性、高性能和互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容性,在新一代非易失性存储器中有着广阔的应用前景。由于TiN/HfxZr1-xO2/TiN电容器的电性能与HfxZr1-xO2铁电薄膜与TiN电极层界面质量相关,因此控制TiN/HfxZr1-xO2/TiN异质结构的制备和表征至关重要。本文报道了一种三明治结构:HfxZr1-xO2铁电薄膜夹在两个TiN电极之间的新的制备方法,通过超高真空系统互连的原子层沉积(ALD)和磁控溅射设备实现。原位生长和表征结果表明,ZrO2掺杂浓度和快速热退火温度可以调节TiN/HfxZr1-xO2/TiN异质结的铁电性能,并能很好地被互连系统监控。在该体系中,通过在HfO2中掺杂50% (molar fraction, x) ZrO2并且在600 ℃下快速热退火(RTA),获得了21.5 μC·cm-2的高剩余极化率和1.35 V的低矫顽电压。
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图2
(a) ZrO2 and HfO2 content in the HfO2-ZrO2 solid solution dependence on the ALD pulsing ratio of the utilized alkylamide precursors (TEMAH and TEMAZ) measured by XPS. (b) ToF-SIMS spectrum of the TiN/Hf0.5Zr0.5O2/TiN (TiN/HZO/TiN) heterostructure. Bars on the y-axis indicate a factor of 10 in intensity ratio. (c) Grazing incidence X-ray diffraction characterization of Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) films on TiN. The dominated orthorhombic HZO(111) and a small monoclinic HZO(${\rm{\bar 1}}$11) diffraction peaks are observed. (d) Z-contrast STEM and cross-sectional HRTEM images of a TiN/HZO/TiN capacitor and (e–h) EDS mapping of individual elements (Hf, Zr, O and Ti) in TiN/HZO/TiN."
图3
(a) Polarization hysteresis of different ZrO2 doped HfxZr1-xO2-based metal-insulator-metal (MIM) capacitors under 3 MV·cm-1 electric field at 2.5 kHz. The inset shows the triangular voltage sweep waveform for the hysteresis measurements with the amplitude of 3 V and period of 0.4 ms. (b) Current response to the triangular voltage stimuli reveals the ferroelectric switching current to be clearly separable from the leakage current contributions at high electric fields. (c) Summary of the Zr-doping concentration-dependent remanent polarization (Pr) and coercive voltage (Vc) of HfxZr1-xO2-based MIM capacitors."
图4
(a–c) Polarization hysteresis evolutions of Hf0.5Zr0.5O2-based MIM capacitors annealed at 400, 450 and 600 ℃, respectively. The frequency of the applied triangular voltage is 2.5 kHz. (d) Current-electric field responses of ferroelectric TiN/Hf0.5Zr0.5O2/TiN capacitors. (e) Remanent polarization (Pr) and coercive voltage (Vc) of TiN/Hf0.5Zr0.5O2/TiN capacitor dependence on RTA temperature."
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