【摘 要】
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氧化铪基铁电存储器凭借其与现代半导体工艺的完美兼容、环保无污染、铁电薄膜物理厚度小、功耗低等优异特性,近年来成为科研界和产业界的最受关注的新型存储器之一。氧化铪基铁电薄膜的制备工艺决定其铁电性能,是铁电存储器研制的基础和关键。本论文通过氧化铪基铁电薄膜原子层沉积工艺参数优化和表面低能氧离子后处理两种途径,探索了薄膜中氧空位含量对锆掺杂氧化铪铁电薄膜性能的影响,制备出了性能优良的氧化铪基铁电薄膜。主
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氧化铪基铁电存储器凭借其与现代半导体工艺的完美兼容、环保无污染、铁电薄膜物理厚度小、功耗低等优异特性,近年来成为科研界和产业界的最受关注的新型存储器之一。氧化铪基铁电薄膜的制备工艺决定其铁电性能,是铁电存储器研制的基础和关键。本论文通过氧化铪基铁电薄膜原子层沉积工艺参数优化和表面低能氧离子后处理两种途径,探索了薄膜中氧空位含量对锆掺杂氧化铪铁电薄膜性能的影响,制备出了性能优良的氧化铪基铁电薄膜。主要内容如下:（1）研究了原子层沉积中反应源、反应腔体和基底等相关工艺参数对Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜铁电性能的影响。通过工艺优化,在重掺硅衬底上制备出了良好性能的铁电薄膜,15 nm厚度HZO剩余极化强度Pr达20.9μC/cm~2,电流密度约为8×10-5A/cm~2@8 V。（2）研究了原子层沉积薄膜生长过程中引入的氧空位对HZO铁电薄膜电学性能的影响,结晶的Ti N/HZO（15 nm）/Ti N（MFM）结构试样的X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和电学性能测试表明,氧空位增加,能够提高薄膜正交铁电相比例,从而提高薄膜极化性能,但漏电流密度增大,耐疲劳性能变差。（3）研究了表面低能氧等离子后处理对HZO铁电薄膜电学性能的影响,对HZO薄膜试样的XPS、XRD和电学性能测试表明,随着氧等离子体处理时间的增长,氧空位减少,薄膜单斜电相比例提高,薄膜的极化强度减小,漏电流密度变小。相比于初始退火结晶的薄膜,结晶后低温热处理的薄膜单斜相比例提高,极化性能下降,电流密度增大,但疲劳性能明显变好。氧等离子处理时间为360s的薄膜的疲劳性能最优,在10~8次循环后剩余极化强度仅下降17.45%。表明注入的氧离子在薄膜结晶后低温热处理过程中产生了较大作用,极化性能小幅下降的同时,极大提高了其抗疲劳性能。
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