TiN/HfxZr1-xO2/TiN铁电电容器的原位生长与表征

殷宇豪 沈阳 王虎 陈肖 邵林 华文宇 王娟 崔义

引用本文: 殷宇豪, 沈阳, 王虎, 陈肖, 邵林, 华文宇, 王娟, 崔义. TiN/HfxZr1-xO2/TiN铁电电容器的原位生长与表征[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2006016-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006016 shu
Citation:  Yuhao Yin, Yang Shen, Hu Wang, Xiao Chen, Lin Shao, Wenyu Hua, Juan Wang, Yi Cui. In Situ Growth and Characterization of TiN/HfxZr1-xO2/TiN Ferroelectric Capacitors[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(5): 2006016-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006016 shu

TiN/HfxZr1-xO2/TiN铁电电容器的原位生长与表征

    通讯作者: 崔义, ycui2015@sinano.ac.cn
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。

English

    1. [1]

      Kittl, J.; Opsomer, K.; Popovici, M.; Menou, N.; Kaczer, B.; Wang, X.; Adelmann, C.; Pawlak, M.; Tomida, K.; Rothschild, A. Microelectron. Eng. 2009, 86, 1789. doi: 10.1016/j.mee.2009.03.045

    2. [2]

      Schaeffer, J. K.; Samavedam, S. B.; Gilmer, D. C.; Dhandapani, V.; Tobin, P. J.; Mogab, J.; Nguyen, B. Y.; White, B. E.; Dakshina-Murthy, S.; Rai, R. S.; et al. J. Vac. Sci. Technol. B 2003, 21, 11. doi: 10.1116/1.1529650

    3. [3]

      Muller, J.; Boöscke, T. S.; Schroöder, U.; Mueller, S.; Brauhaus, D.; Bottger, U.; Frey, L.; Mikolajick, T. Nano Lett. 2012, 12, 4318. doi: 10.1021/nl302049k

    4. [4]

      Müller, J.; Böscke, T.; Bräuhaus, D.; Schröder, U.; Böttger, U.; Sundqvist, J.; Kücher, P.; Mikolajick, T.; Frey, L. Appl. Phys. Lett. 2011, 99, 112901. doi: 10.1063/1.3636417

    5. [5]

      Park, M. H.; Lee, Y. H.; Kim, H. J.; Kim, Y. J.; Moon, T.; Kim, K. D.; Mueller, J.; Kersch, A.; Schroeder, U.; Mikolajick, T. Adv. Mater. 2015, 27, 1811. doi: 10.1002/adma.201404531

    6. [6]

      Martin, D.; Müller, J.; Schenk, T.; Arruda, T. M.; Kumar, A.; Strelcov, E.; Yurchuk, E.; Müller, S.; Pohl, D.; Schröder, U. Adv. Mater. 2014, 26, 8198. doi: 10.1002/adma.201403115

    7. [7]

      Cheng, C. H.; Chin, A. IEEE Electron Device Lett. 2014, 35, 138. doi: 10.1109/led.2013.2290117

    8. [8]

      Mueller, S.; Müller, J.; Hoffmann, R.; Yurchuk, E.; Schlösser, T.; Boschke, R.; Paul, J.; Goldbach, M.; Herrmann, T.; Zaka, A. IEEE Trans. Electron Devices 2013, 60, 4199. doi: 10.1109/TED.2013.2283465

    9. [9]

      Yurchuk, E.; Müller, J.; Paul, J.; Schlösser, T.; Martin, D.; Hoffmann, R.; Müeller, S.; Slesazeck, S.; Schröeder, U.; Boschke, R. IEEE Trans. Electron Devices 2014, 61, 3699. doi: 10.1109/TED.2014.2354833

    10. [10]

      Park, M. H.; Kim, H. J.; Kim, Y. J.; Moon, T.; Kim, K. D.; Hwang, C. S. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1400610. doi: 10.1002/aenm.201400610

    11. [11]

      Böscke, T.; Müller, J.; Bräuhaus, D.; Schröder, U.; Böttger, U. Appl. Phys. Lett. 2011, 99, 102903. doi: 10.1063/1.3634052

    12. [12]

      Mueller, S.; Mueller, J.; Singh, A.; Riedel, S.; Sundqvist, J.; Schroeder, U.; Mikolajick, T. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 2412. doi: 10.1002/adfm.201103119

    13. [13]

      Mueller, S.; Adelmann, C.; Singh, A.; Van Elshocht, S.; Schroeder, U.; Mikolajick, T. ECS J. Solid State Sci. Technol. 2012, 1, N123. doi: 10.1149/2.002301jss

    14. [14]

      Schroeder, U.; Richter, C.; Park, M. H.; Schenk, T.; Pešić, M.; Hoffmann, M.; Fengler, F. P.; Pohl, D.; Rellinghaus, B.; Zhou, C. Inorg. Chem. 2018, 57, 2752. doi: 10.1021/acs.inorgchem.7b03149

    15. [15]

      Vulpe, S.; Nastase, F.; Dragoman, M.; Dinescu, A.; Romanitan, C.; Iftimie, S.; Moldovan, A.; Apostol, N. Appl. Surf. Sci. 2019, 483, 324. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.03.166

    16. [16]

      Müller, J.; Schröder, U.; Böscke, T.; Müller, I.; Böttger, U.; Wilde, L.; Sundqvist, J.; Lemberger, M.; Kücher, P.; Mikolajick, T. J. Appl. Phys. 2011, 110, 114113. doi: 10.1063/1.3667205

    17. [17]

      Chernikova, A.; Kozodaev, M.; Markeev, A.; Negrov, D.; Spiridonov, M.; Zarubin, S.; Bak, O.; Buragohain, P.; Lu, H.; Suvorova, E. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 7232. doi: 10.1021/acsami.5b11653

    18. [18]

      Park, M. H.; Kim, H. J.; Kim, Y. J.; Lee, W.; Moon, T.; Kim, K. D.; Hwang, C. S. Appl. Phys. Lett. 2014, 105, 072902. doi: 10.1063/1.4893376

    19. [19]

      Chernikova, A.; Kozodaev, M.; Markeev, A.; Matveev, Y.; Negrov, D.; Orlov, O. Microelectron. Eng. 2015, 147, 15. doi: 10.1016/j.mee.2015.04.024

    20. [20]

      Hoffmann, M.; Schroeder, U.; Schenk, T.; Shimizu, T.; Funakubo, H.; Sakata, O.; Pohl, D.; Drescher, M.; Adelmann, C.; Materlik, R. J. Appl. Phys. 2015, 118, 072006. doi: 10.1063/1.4927805

    21. [21]

      Pešić, M.; Fengler, F. P. G.; Larcher, L.; Padovani, A.; Schenk, T.; Grimley, E. D.; Sang, X.; LeBeau, J. M.; Slesazeck, S.; Schroeder, U. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 4601. doi: 10.1002/adfm.201600590

    22. [22]

      Kim, H. J.; Park, M. H.; Kim, Y. J.; Lee, Y. H.; Moon, T.; Do Kim, K.; Hyun, S. D.; Hwang, C. S. Nanoscale 2016, 8, 1383. doi: 10.1039/C5NR05339K

    23. [23]

      Park, M. H.; Kim, H. J.; Kim, Y. J.; Lee, Y. H.; Moon, T.; Kim, K. D.; Hyun, S. D.; Hwang, C. S. Appl. Phys. Lett. 2015, 107, 192907. doi: 10.1063/1.4935588

    24. [24]

      Schenk, T.; Schroeder, U.; Pešić, M.; Popovici, M.; Pershin, Y. V.; Mikolajick, T. ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 19744. doi: 10.1021/am504837r

    25. [25]

      Schenk, T.; Hoffmann, M.; Ocker, J.; Pešić, M.; Mikolajick, T.; Schroeder, U. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 20224. doi: 10.1021/acsami.5b05773

    26. [26]

      Mittmann, T.; Materano, M.; Lomenzo, P. D.; Park, M. H.; Stolichnov, I.; Cavalieri, M.; Zhou, C.; Chung, C. C.; Jones, J. L.; Szyjka, T. Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900042. doi: 10.1002/admi.201900042

    27. [27]

      Pešić, M.; Knebel, S.; Cho, K.; Jung, C.; Chang, J.; Lim, H.; Kolomiiets, N.; Afanas'ev, V. V.; Mikolajick, T.; Schroeder, U. Solid·State Electron. 2016, 115, 133. doi: 10.1016/j.sse.2015.08.012

    28. [28]

      Weinreich, W.; Shariq, A.; Seidel, K.; Sundqvist, J.; Paskaleva, A.; Lemberger, M.; Bauer, A. J. J. Vac. Sci. Technol. B 2013, 31, 01A109. doi: 10.1116/1.4768791

    29. [29]

      Park, M. H.; Kim, H. J.; Kim, Y. J.; Lee, Y. H.; Moon, T.; Kim, K. D.; Hyun, S. D.; Fengler, F.; Schroeder, U.; Hwang, C. S. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 15466. doi: 10.1021/acsami.6b03586

    30. [30]

      Chen, K. Y.; Chen, P. H.; Wu, Y. H. In Excellent Reliability of Ferroelectric HfZrOx Free from Wake-up and Fatigue Effects by NH3 Plasma Treatment; 2017 Symposium on VLSI Circuits, IEEE: 2017; pp. T84.

    31. [31]

      Hyuk Park, M.; Joon Kim, H.; Jin Kim, Y.; Lee, W.; Kyeom Kim, H.; Seong Hwang, C. Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 112914. doi: 10.1063/1.4798265

    32. [32]

      Kim, H. J.; Park, M. H.; Kim, Y. J.; Lee, Y. H.; Jeon, W.; Gwon, T.; Moon, T.; Kim, K. D.; Hwang, C. S. Appl. Phys. Lett. 2014, 105, 192903. doi: 10.1063/1.4902072

    33. [33]

      Batra, R.; Huan, T. D.; Rossetti, G. A., Jr.; Ramprasad, R. Chem. Mater. 2017, 29, 9102. doi: 10.1021/acs.chemmater.7b02835

    34. [34]

      Matveyev, Y.; Negrov, D.; Chernikova, A.; Lebedinskii, Y.; Kirtaev, R.; Zarubin, S.; Suvorova, E.; Gloskovskii, A.; Zenkevich, A. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 43370. doi: 10.1021/acsami.7b14369

    35. [35]

      Kim, K.; Park, M.; Kim, H.; Kim, Y.; Moon, T.; Lee, Y.; Hyun, S.; Gwon, T.; Hwang, C. J. Mater. Chem. C 2016, 4, 6864. doi: 10.1039/C6TC02003H

    36. [36]

      Xu, L.; Nishimura, T.; Shibayama, S.; Yajima, T.; Migita, S.; Toriumi, A. Appl. Phys. Express 2016, 9, 091501. doi: 10.7567/APEX.9.091501

    37. [37]

      Ding, S. A.; Yang, H. Vaccum 2019, 56, 60. doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2019.06.11

    38. [38]

      Sokolov, A. S.; Jeon, Y. R.; Kim, S.; Ku, B.; Lim, D.; Han, H.; Chae, M. G.; Lee, J.; Ha, B. G.; Choi, C. Appl. Surf. Sci. 2018, 434, 822. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.11.016

    39. [39]

      Lowther, J. E.; Dewhurst, J. K.; Leger, J. M.; Haines, J. Phys. Rev. B 1999, 60, 14485. doi: 10.1103/PhysRevB.60.14485

    40. [40]

      Park, M. H.; Kim, H. J.; Kim, Y. J.; Lee, W.; Moon, T.; Hwang, C. S. Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 242905. doi: 10.1063/1.4811483

    41. [41]

      Hudec, B.; Wang, I.; Lai, W.; Chang, C.; Jancovic, P.; Frohlich, K.; Micusik, M.; Omastova, M.; Hou, T. J. Phys. D 2016, 49, 215102. doi: 10.1088/0022-3727/49/21/215102

    42. [42]

      Wang, Q.; Niu, G.; Roy, S.; Wang, Y.; Zhang, Y.; Wu, H.; Zhai, S.; Bai, W.; Shi, P.; Song, S. J. Mater. Chem. C 2019, 7, 12682. doi: 10.1039/C9TC04880D

    43. [43]

      Niu, G.; Calka, P.; Huang, P.; Sharath, S. U.; Petzold, S.; Gloskovskii, A.; Frohlich, K.; Zhao, Y.; Kang, J.; Schubert, M. A. Mater. Res. Lett. 2019, 7, 117. doi: 10.1080/21663831.2018.1561535

    44. [44]

      Park, M. H.; Lee, Y. H.; Hwang, C. S. Nanoscale 2019, 11, 19477. doi: 10.1039/C9NR05768D

    45. [45]

      Zhang, X. Y.; Hsu, C. H.; Lien, S. Y.; Wu, W. Y.; Ou, S. L.; Chen, S. Y.; Huang, W.; Zhu, W. Z.; Xiong, F. B.; Zhang, S. Nanoscale Res. Lett. 2019, 14, 83. doi: 10.1186/s11671-019-2915-0

    46. [46]

      刘凤明, 刘廷禹, 刘检, 李海心. 物理化学学报, 2015, 31, 441. doi: 10.3866/PKU.WHXB201412301Liu, F. M.; Liu, T. Y.; Liu, J.; Li, H. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31, 441. doi: 10.3866/PKU.WHXB201412301

    47. [47]

      Kim, K. D.; Park, M. H.; Kim, H. J.; Kim, Y. J.; Moon, T.; Lee, Y. H.; Hyun, S. D.; Gwon, T.; Hwang, C. S. J. Mater. Chem. C 2016, 4. doi: 10.1039/c6tc02003h

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  72
  • HTML全文浏览量:  6
文章相关
  • 发布日期:  2022-05-15
  • 收稿日期:  2020-06-08
  • 接受日期:  2020-07-02
  • 修回日期:  2020-06-29
  • 网络出版日期:  2020-07-10
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章