Сегнетоэлектрические MFM структуры конденсаторов.

Концепция 1T/1C устройств хранения информации представлена поляризационным видом FE-конденсатора, который может быть доступен с помощью транзистора запоминающего элемента. Операция записи/чтения выполняется с помощью импульсов напряжения в наносекундном диапазоне и зондирования тока смещения. FRAM на основе конденсатора демонстрируют быстрый и высокоэффективный режим работы, превосходную износостойкость и сохранение свойств. Однако использование сегнетоэлектриков на основе перовскита имеет фундаментально малую масштабируемость 1T/1C FRAM и ограничения технологичности и совместимости с CMOS. Дальнейшая масштабируемость возможна при существенном уменьшении толщины сегнетоэлектрического слоя d_FE и возможности интеграции 3-мерных конденсаторов. Оба аспекта не обеспечивает система перовскитов, используемая ранее, которая нуждается в полностью конформной технологии осаждения и страдает от деградации сегнетоэлектрических свойств с уменьшением толщины. Системы же на основе HfO₂ и ZrO₂ доказали свою пригодность для структур с высоким аспектным соотношением в DRAM и поддерживает значение P_r планарности при интеграции в 10 нм толщины слоя в массив глубоких щелей глубиной 1.6 мкм с аспектным соотношением 13:1 (рис. 7).

MIM структура конденсатора была изготовлена на высоколегированных подложках кремния с помощью осаждения 9 нм Si:HfO₂ на 10 нм TiN заднем электроде и покрытии этой структуры 10 нм TiN фронтального электрода. После, MIM конденсатор подвергся быстрому термическому отжигу при 800 ºС в атмосфере N₂. На рис. 8 показаны структурные изменения, снятые c помощью рентгеновской спектроскопии под малым углом измерения (GI-XRD). Чистый моноклинный HfO₂ преобразовался в тетрагональный Si:HfO₂ с зарождением орторомбической доли как содержание Si увеличивается до 4,4% и 5,6%.

Аналогичное электрическое изменение отражено на рис. 9, а. На рис. 9, а представлены зависимости тока смещения (сплошная линия) и приложенного напряжения (пунктирная линия) от времени в ходе поляризационных экспериментов. Прямоугольная форма токового отклика параэлектрика дополняется одиночным и двойным пиком при содержании Si в 4,4% и 5,5% соответственно, который соответствуют токовому отклику сегнетоэлектрика (4,4%) и антисегнетоэлектрика (5,6%). Поляризация, измеренная в ходе этих экспериментов, показана на рис. 9, b. Чистый HfO₂ показывает параэлектрическое поляризационное поведение. При содержании Si в 4,4% диэлектрическая пленка показывает сегнетоэлектрическое поляризационное поведение. Остаточная поляризация составляет 24 Кл/см² с коэрцивной силой в 0,87 В/см. При большем содержании кремния (5,6%) пленка показала антисегнетоэлектрическое поведение.

Толщина пленки и состав были получены с помощью спектральной эллипсометрии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, соответственно.