présenter (qqn pour un emploi, etc.)

Grâce à de fortes avancées technologiques, des mémoires non volatiles à faible consommation, y compris la mémoire vive magnétorésistive et la mémoire vive ferroélectrique (FRAM), ont été intégrées à des microcontrôleurs à faible consommation pour les appareils IoT). Les FRAM dotées de films ferroélectriques en Pb(ZrTi)O3 (PZT) sont beaucoup moins puissantes que les mémoires flash. Généralement, l'augmentation de l'épaisseur des films ferroélectriques réduit la taille du condensateur ferroélectrique, ce qui réduit la consommation d'énergie. Toutefois, les films PZT sont connus pour perdre leur ferroélectricité lorsqu'ils sont amincis à moins de 100 nm. En outre, les films PZT avec des électrodes en métaux précieux ne sont pas entièrement compatibles avec les processus semi-conducteurs. Plusieurs matériaux ferroélectriques ont été signalés, remplaçant jusqu'à présent les matériaux ferroélectriques conventionnels. Les films ferroélectriques de HfO2 présentés en 2011 ont l'avantage de pouvoir conserver leur ferroélectricité en dessous de 3 nm. Le processus de fabrication peut être réalisé à basse température par un processus semi-conducteur entièrement compatible. En outre, des films ferroélectriques Al1-xScxN avec une polarisation résiduelle (Pr) de plus de 100 μC cm-2 ont été rapportés en 2019.26,27) Un Pr élevé est également intéressant car les électrodes du condensateur ferroélectrique peuvent être réduites davantage pour obtenir une densité de masse plus élevée, et pendant les opérations d'écriture et de lecture, la détection du courant peut être effectuée à l'aide d'un capteur de courant. Pendant les opérations d'écriture et de lecture, la détection du courant peut être facilement résistante au bruit.

L'un des problèmes des films Al1-xScxN est le champ coercitif (EC) relativement élevé, qui dépend de la composition (x) des atomes Sc dans le film Al1-xScxN et peut être contrôlé. Avantages en termes de terminologie La structure fibrillaire de type zincite de l'Al1-xScxN est une polarité de phase stable dans le système Al-Sc-N dans la plage de 0 < x < 0,46 (pour le cas du nitrure, de la face métallique ou de la face N), et nous pouvons nous attendre à un dépôt de films d'Al1-xScxN auto-polarisés orientés selon l'axe c dans la région du film également.

Nous avons rapporté certaines propriétés ferroélectriques dépendant de l'épaisseur jusqu'à 20 nm. Nous étendons notre travail de caractérisation des effets d'épaisseur dans les films Al0,78Sc0,22N au degré d'orientation cristalline et aux propriétés ferroélectriques dans les films. Un substrat n+Si avec une densité de dopage de 3 × 1018 cm-3 a été nettoyé chimiquement avec une solution de mélange de peroxyde de soufre (SPM, H2SO4/H2O2= 3:1) et ensuite imprégné de HF dilué (1%). Les électrodes inférieures en TiN ont été déposées par pulvérisation cathodique sur le substrat à une pression de 0,22 Pa sur des cibles en Ti avec des débits de gaz Ar et N2 de 4 et 6 sccm, respectivement, à une puissance RF de 300 W. Le substrat a ensuite été déposé par pulvérisation cathodique avec une densité de dopage de 3 × 1018 cm-3 et une densité de dopant de 3 × 1018 cm-3 dans une solution de n+Si. Ensuite, des films d'Al0,78Sc0,22N ont été déposés à partir de cibles d'Al0,57Sc0,43 par pulvérisation DC à 300 W avec des débits de gaz Ar et N2 de 5 et 10 sccm, respectivement, et une pression de 0,7 Pa. La composition des films d'Al0,78Sc0,22N déposés dans ces conditions a été déterminée par spectroscopie photoélectronique à rayons X. Nous avons fait varier le temps de dépôt des films d'Al0,78Sc0,22N pour former des films d'une épaisseur de 10-47 nm. Une autre couche de TiN a été déposée in situ sur le film d'Al0,78Sc0,22N. Tous les processus de dépôt ont été maintenus à une température constante de 400 °C. La couche supérieure de TiN a été modelée photolithographiquement par gravure humide à l'aide d'un mélange de peroxyde d'ammonium (APM, NH4OH : H2O2:H2O = 1:5:5) pour former l'électrode supérieure. Enfin, un contact arrière en aluminium est formé par évaporation thermique. Nous avons démontré que les condensateurs ont presque le même courant de fuite dans le champ électrique appliqué, ce qui suggère que la taille de la densité de défauts à l'intérieur du film et près de l'interface est la même. La cristallisation et l'orientation des grains dans les films ont été évaluées par diffraction des rayons X (XRD) dans des configurations hors plan et en courbe de basculement. La source de rayons X était CuKa avec un angle de divergence de 0,04°. Les caractéristiques de capacité-tension (CV) ont été obtenues à l'aide d'un appareil de mesure LCR Agilent E4980A à 100 kHz avec une petite amplitude de signal de 50 mV. La tension de polarisation (PV) a été mesurée à l'aide d'un appareil de la série TOYO FCE10 à 10 kHz pour caractériser le condensateur.

Applications

Cet article se concentre principalement sur l'échelle d'épaisseur des films non polarisés d'Al0,78Sc0,22N déposés par pulvérisation cathodique, qui ont été examinés pour leurs propriétés ferroélectriques. Les films orientés vers l'axe c ont été confirmés par des mesures de la courbe d'oscillation des rayons X avec des films aussi minces que 10 nm. L'hystérésis ferroélectrique et le comportement non polarisé sont observés à partir des mesures de capacité, même à une épaisseur de 20 nm. La polarisation résiduelle (Pr) montre une dégradation progressive à des épaisseurs inférieures à 35 nm. Les essais de cycles de commutation (SW) révèlent un effet de réveil dans les films, en particulier pour les films d'une épaisseur supérieure à 35 nm.

Nous avons effectué des mesures CV en fonction de la polarité sur des films d'Al0,78Sc0,22N de 20 et 40 nm d'épaisseur, comme le montre la figure 4. Lors de l'application initiale d'une tension aux échantillons, la capacité présentait peu de différence entre les balayages supérieur et inférieur [Fig. 4(a)]. Par la suite, en appliquant une tension négative à l'électrode supérieure, une augmentation progressive de la capacité accompagnée d'une chute soudaine à une certaine tension a été observée. La tension suivante appliquée dans le sens positif a montré un comportement de commutation ferroélectrique (SW). D'autre part, lorsque la tension initiale appliquée à l'échantillon frais est réglée dans le sens négatif, comme le montre la figure 4(b), nous observons une chute soudaine de la capacité indiquant que le film est commuté. Ces mesures nous permettent de conclure que le film Al0,78Sc0,22N a été auto-polarisé dans la direction de la surface vers le substrat.

source (d'information, etc.)

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

Institution : School of Engineering, Tokyo Institute of Technology, 4259 S2-20, Nagatsuta, Midori-ku, Yokohama 226-8502, Japon 2International College of Semiconductor Technology, National Chiao TungUniversity, 1001 University Road, Hsinchu 30010, Taiwan ROC 3 Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology, 4259 S2-20, Yokohama 226-8502, Japon Institute of Technology, 4259 S2-20, Nagatsuta,Midori-ku, Yokohama 226-8502, Japon 4 Department of Mechanical Engineering,National Chiao Tung Département d'ingénierie mécanique, Université nationale Chiao Tung, 1001 University Road, Hsinchu 30010, Taiwan ROC

Publié : Reçu le 16 octobre 2020 ; révisé le 7 mars 2021 ; accepté le 16 mars 2021 ; publié en ligne le 1er avril 2021.

Journal : Journal japonais de physique appliquée 60, SBBA05(2021)

Article source website : On the thickness scaling of ferroelectricity inAl0.78Sc0.22N films ((https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/abef15/pdf)