具有高中心到边缘均匀性的铁电HfO2/ZrO2超晶格电容器（适用于晶圆级应用）

《Advanced Electronic Materials》：Ferroelectric HfO2/ZrO2 Superlattice Capacitors With High Center to Edge Wafer-Scale Uniformity

　　摘要

基于HfO2/ZrO2（HZO）的电容结构在半导体行业中引起了广泛关注，因为使用与Si-CMOS制造工艺兼容的材料，可以在超薄多晶薄膜中实现较大的铁电效应。研究表明，基于超晶格（SL）的HZO器件能够改善铁电特性，并且与固溶体（SS）器件相比，表现出更低的器件间差异性。本研究对在150毫米晶圆上制备的具有5.5纳米厚HZO膜的TiN/HZO/TiN铁电电容器的电均匀性进行了比较研究。SL晶圆上的平均剩余极化强度（2Pr）窗口为31.5微库仑每平方厘米，相对标准偏差（RSD）为2.2%，显示出较高的均匀性。而对于SS晶圆，相应的数值分别为27.6微库仑每平方厘米和7.0%，显示出显著更高的不均匀性。当仅考虑中心70×70毫米区域的数据时，SL的RSD值仅降低了18%，而SS的RSD值则降低了53%。这些结果表明，在晶圆尺度上制造基于HZO的电容结构时，使用SL薄膜可以实现非常均匀的电性能分布，这归因于在所展示的制造条件下对工艺变化的敏感性较低。

1 引言

对高性能计算和大规模数据存储的需求正在迅速增长，尤其是在人工智能（AI）不断被采用的情况下。实现更高效AI计算的一个重要途径是计算存储（CIM），其中现有的基于电荷的随机存取存储器（RAM）特别不适用，因为它们要么需要较大的占位面积（静态RAM，SRAM），要么是易失性的（动态RAM，DRAM），要么编程耐久性有限，且其操作速度比互补金属氧化物半导体（CMOS）FET慢几个数量级[1]。相比之下，基于铁电开关的存储器有潜力结合DRAM的性能和密度优势以及FG-FET的非易失性特性，并且编程耐久性高出几个数量级[2, 3]。铁电材料中的信息存储在薄膜的极化中，可以通过施加电场来调节。通过部分极化切换，铁电存储器可以用于多状态数字和模拟计算[4]。2011年发现掺杂HfO2基材料具有铁电性后[5]，由于其有希望的扩展潜力[6, 7]，基于HfO2的铁电薄膜已被广泛研究用于非易失性存储器应用，同时这种材料已经被CMOS行业用作晶体管的栅极电介质[8-10]。然而，要实现行业应用，还需要解决几个挑战，包括开关退化问题，即在多次编程循环后无法保持编程状态。这些退化是由于电场循环过程中电介质薄膜发生连续的物理变化，导致由金属氧化物簇组成的畴的大小不断变化，以及氧空位的产生和移动。后者会导致电荷屏蔽和电流泄漏，最终可能形成穿过电介质的导电路径[11-13]。已经研究了几种材料工程方法来开发可靠、稳定且高性能的存储器件，包括不同的掺杂剂、退火条件、薄膜厚度以及不同的材料结构，如纳米层和超晶格[14]。HfO2基铁电薄膜中可能的掺杂剂包括Zr、Al或Si，其中Zr是最常用的掺杂剂。这是因为HfO2和ZrO2具有相似的离子半径[15, 16]，并且铁电HfO2/ZrO2（HZO）的结晶温度适合CMOS集成，快速热退火温度可低至300°C–400°C[17-19]。铁电HZO通常通过原子层沉积（ALD）技术生长，其中最常用的HZO结构是由单层HfO2和ZrO2交替沉积的循环组成，这被称为固溶体（SS）。另一种使用ALD生长HZO的方法是沉积不同厚度的HfO2和ZrO2子层，通过多次ALD循环，此时电介质成为超晶格（SL）：一种由两个或更多交替晶体层组成的周期性晶格。2015年首次报道了类似HZO纳米层结构中的铁电性[20]，后续研究一致表明，与固溶体（SS）HZO薄膜相比，SL结构在极化强度、耐久性、泄漏和保持性能方面表现出改进[21-24]。现有的实验研究包括但不限于比较不同厚度的HfO2和ZrO2子层[21-24]、优化退火条件[25, 26]、铁电薄膜中的应力工程[27]，以及插入其他层（如TiO2种子层[28]或间隔层[29]。一些理论和计算研究也探讨了SL结构中性能的改进[30-32]。性能的提高通常归因于更高的氧空位迁移势垒以及多层堆叠导致的更明确的晶粒结构。尽管文献中显示SL-HZO薄膜具有更好的电性能和通常更低的器件间差异性，但晶圆尺度制造方面的研究尚未得到充分探索。本研究重点是比较150毫米Si晶圆上SS-HZO和SL-HZO器件的性能。制造了大面积金属-绝缘体-金属（MIM）电容器结构，直径范围为25–100微米，以评估ALD生长的HZO薄膜的性能，从而减少与所用UV光刻系统的对准和边缘效应相关的器件间差异性。此外，由于相对较大的开关和泄漏电流，这还提高了电特性测量的准确性，减少了噪声和寄生电容的影响。一些研究报告了SL-HZO的器件间差异性[27, 33-37]，以及300毫米晶圆上SS-HZO的晶圆尺度表征[38, 39]。在本研究中，与SS-HZO相比，150毫米晶圆上的SL-HZO晶圆获得了更好的晶圆尺度均匀性、极化强度、耐久性、泄漏和保持特性。

2 结果与讨论

制造了具有5.5纳米厚HZO电介质和30纳米厚氮化钛（TiN）底部和顶部电极（分别为BE和TE）的圆形MIM电容器，MIM堆栈结构为TiN/SS-HZO/TiN和TiN/SL-HZO/TiN，如图1a,b所示。图1c展示了器件的横截面和制造工艺流程。SS-HZO由单层ZrO2和HfO2交替的ALD循环组成，以ZrO2开始和结束；而SL-HZO由5层ZrO2和6层HfO2组成，顶部和底部都有5层ZrO2。SL-HZO的有效子层厚度为0.5纳米。选择对称堆栈是为了在双向施加偏压时获得相似的电场分布，从而减少氧空位的净迁移。图1d显示了最终制造的25、40和100微米直径圆形电容器的扫描电子显微镜（SEM）图像。探测是在连接到电容器的方形Ti/Au垫上进行的，TE探针放置在电容器垫上，而BE探测在0偏压下在公共接地垫上进行。图1e显示了退火后的MIM堆栈的扫描透射电子显微镜（STEM）图像。晶格条纹清晰可见，表明了结晶性，目标厚度接近5.5纳米。由于BE-TiN的粗糙度相对于5.5纳米HZO较高，因此在制造的STEM切片中无法区分SL薄膜中的HfO2和ZrO2子层。由于薄膜是通过精确控制的ALD循环生长的，循环次数基于对各自生长速率的预先校准，因此预期子层会有明确的周期性沉积顺序。此外，先前报道的对HfO2/ZrO2超晶格结构进行TEM成像的研究（通常在350°C–600°C下退火30–60秒）也证明了退火后存在明确的子层[21, 22, 24, 25, 27]。图1展示了5.5纳米厚HZO（a）SS和（b）SL TiN/HZO/TiN电容器的示意图横截面。（c）制造器件的横截面和工艺流程。（d）25、40和100微米直径电容器的SEM图像。（e）SS和SL MIM电容器的STEM图像。在制造的25–100微米MIM电容器中，选择了40微米电容器进行详细表征，因为其开关电流足够大，可以进行准确采样。器件被唤醒到10^6个循环，探索了±2.0、±2.5和±3.0V的不同唤醒电压，以找到高极化、高耐久性和低器件泄漏之间的平衡。测量方案如图2a所示。唤醒和耐久性循环使用30微秒的电压脉冲进行，每个脉冲之间有5微秒的间隔，因此总上下持续时间tp为70微秒（相当于约14 kHz的循环频率）。铁电性能的测量使用2–3毫秒的正负电压脉冲（PUND）进行，唤醒期间和之后选择循环的电压步长为0.05伏，以提取开关电流和极化。图2b显示了40微米SL-HZO器件的PUND测量结果，电压幅度为3.0伏。总电流包括电压峰值之前的铁电开关电流、电容电流和泄漏电流。图2c,d显示了唤醒后在±2.0、±2.5和±3.0V下，三个位于晶圆中心的相邻器件的SS-HZO和SL-HZO的电流密度（J）作为电场（E）的函数。两种薄膜都显示出了明显的铁电开关电流峰值。SS和SL薄膜的行为相似，SL-HZO的开关电流略大，泄漏电流略小。极化是通过从总开关电流中减去总非开关电流并对剩余电流进行时间积分得到的。图3a显示了通过时间积分图2c,d中的J–E数据获得的相应极化滞后环。与SS-HZO相比，SL-HZO在所有电压下的极化值始终更高。观察到了在不同峰值电压下具有良好控制的状态。

2 结果与讨论

制造了具有5.5纳米厚HZO电介质和30纳米厚氮化钛（TiN）底部和顶部电极（分别为BE和TE）的圆形MIM电容器，MIM堆栈结构为TiN/SS-HZO/TiN和TiN/SL-HZO/TiN，如图1a,b所示。图1c展示了器件的横截面和制造工艺流程。SS-HZO由单层ZrO2和HfO2交替的ALD循环组成，以ZrO2开始和结束；而SL-HZO由5层ZrO2和6层HfO2组成，顶部和底部都有5层ZrO2。SL-HZO的有效子层厚度为0.5纳米。选择对称堆栈是为了在双向施加偏压时获得相似的电场分布，从而减少氧空位的净迁移。图1d显示了最终制造的25、40和100微米直径电容器的扫描电子显微镜（SEM）图像。探测是在连接到电容器的方形Ti/Au垫上进行的，TE探针放置在电容器垫上，而BE探测在0偏压下在公共接地垫上进行。图1e显示了退火后的MIM堆栈的扫描透射电子显微镜（STEM）图像。晶格条纹清晰可见，表明了结晶性，目标厚度接近5.5纳米。由于BE-TiN的粗糙度相对于5.5纳米HZO较高，因此在制造的STEM切片中无法区分SL薄膜中的HfO2和ZrO2子层。由于薄膜是通过精确控制的ALD循环生长的，循环次数基于对各自生长速率的预先校准，因此预期子层会有明确的周期性沉积顺序。此外，先前报道的对HfO2/ZrO2超晶格结构进行TEM成像的研究（通常在350°C–600°C下退火30–60秒）也证明了退火后存在明确的子层[21, 22, 24, 25, 27]。图1展示了5.5纳米厚HZO（a）SS和（b）SL TiN/HZO/TiN电容器的示意图横截面。（c）制造器件的横截面和工艺流程。（d）25、40和100微米直径电容器的SEM图像。（e）SS和SL MIM电容器的STEM图像。在制造的25–100微米MIM电容器中，选择了40微米电容器进行详细表征，因为其开关电流足够大，可以进行准确采样。器件被唤醒到10^6个循环，探索了±2.0、±2.5和±3.0V的不同唤醒电压，以找到高极化、高耐久性和低器件泄漏之间的平衡。测量方案如图2a所示。唤醒和耐久性循环使用30微秒的电压脉冲进行，每个脉冲之间有5微秒的间隔，因此总上下持续时间tp为70微秒（相当于约14 kHz的循环频率）。铁电性能的测量使用2–3毫秒的正负电压脉冲（PUND）进行，唤醒期间和之后的选定循环中电压步长为0.05伏，以提取开关电流和极化。图2b显示了40微米SL-HZO器件的PUND测量结果，电压幅度为3.0伏。总电流包括电压峰值之前的铁电开关电流、电容电流和泄漏电流。图2c,d显示了唤醒后在±2.0、±2.5和±3.0V下，三个位于晶圆中心的相邻器件的SS-HZO和SL-HZO的电流密度（J）作为电场（E）的函数。两种薄膜都显示出了明显的铁电开关电流峰值。SS和SL薄膜的行为相似，SL-HZO的开关电流略大，泄漏电流略小。极化是通过从总开关电流中减去总非开关电流并对剩余电流进行时间积分得到的。图3a显示了通过时间积分图2c,d中的J–E数据获得的相应极化滞后环。与SS-HZO相比，SL-HZO在所有电压下的极化值始终更高。观察到了在不同峰值电压下具有良好控制的状态。图2展示了唤醒和耐久性的脉冲循环示意图，以及PUND测量。使用70微秒的上下电压脉冲进行唤醒，然后进行2–3毫秒的PUND测量（取决于电压幅度）以提取铁电参数。测量循环最多达到10^6次，分布在对数尺度上。（b）一个40微米SL-HZO电容器的PUND测量示例，电压幅度为±3.0伏。（c,d）在不同唤醒电压下，106循环内SS-HZO和SL-HZO电容器的电流密度作为电场的函数。图3展示了在不同唤醒电压下，106循环内SS和SL-HZO的嵌套极化环。（b）在不同电压下，SS-HZO和SL-HZO薄膜的耐久性测量，直到107循环。极值降为0的突变表明器件损坏。（c）SS-和SL-HZO的泄漏电流密度的绝对值。（d）三个器件的SS-和SL-HZO的保持特性。为了研究材料性能、开关耐久性、电流泄漏和状态保持，进行了测量。图3b显示了直到107循环的开关耐久性测量，y轴值对应于不同唤醒电压下的正负剩余极化（2Pr）之间的差异。研究发现，唤醒所需的循环次数大约为10^6次。进行了一次使用±3.5伏的试验以观察击穿现象。如图所示，SS和SL薄膜分别在大约10^5和4×10^5循环时发生破坏性击穿。然而，SS-HZO在较低的循环次数下发生击穿，而SL-HZO在较低的循环次数下发生击穿。在大约103循环后，SS-HZO的极化被高估，因为泄漏电流变大，开始夸大了提取的极化值。在±2.0、±2.5和±3.0V的唤醒和循环下，SL-HZO在107循环范围内没有观察到击穿，而SS器件在±3.0V下在大约5×10^6循环时发生击穿。在±2.0、±2.5和±3.0V的唤醒下，SL-HZO的极化分别在12.8、21.7和29.4微库仑每平方厘米，而SS-HZO在14.6、23.6和31.2微库仑每平方厘米。为了评估切换稳定性，我们还计算了相对标准偏差（RSD）——定义为标准偏差除以平均值——在10^6到10^7次切换周期后2Pr值的分布。对于±2.0 V的电压，SS-HZO和SL-HZO的RSD分别为17.4%和16.7%。对于±2.5 V的电压，这些数值分别为7.8%和5.6%。对于±3.0 V的电压，SS-HZO在107次切换之前发生了击穿事件，而SL-HZO的RSD相对较大，为27.1%，这可能是由于在相对较高的场强下空位的移动增加所致。图S1显示了每个电压幅度下10^5到10^7次循环之间切换耐久性的详细视图。图3c和图3d分别显示了泄漏电流测量和唤醒后长达104秒的保持测量结果。在图3c中，SS-HZO的泄漏电流密度高于SL-HZO，在±3.0 V时，最大值分别为0.08 A cm^-2和0.04 A cm^-2。图3d中的保持特性是在相同的唤醒电压方案下，对两种类型的三个独立设备进行了106次循环后的测量。损耗是通过将等待时间后的测量2Pr值与保持测量前的参考测量值进行比较来计算的。在整个持续时间内，两种薄膜的损耗都低于4%，其中SS薄膜的损耗略高于SL薄膜。在这两种情况下，都没有观察到损耗随时间增加的趋势。与SS-HZO相比，SL-HZO样品在所有电压和循环中表现出更好的电性能，表现为更大的切换电流，因此极化也更强。当电压超过3.0 V时，两种薄膜在循环过程中都会发生断裂，其中基于SS-HZO的设备在较少的循环次数内就会断裂。论文后面还包括了对基于SS-HZO的设备进行晶圆级比较的泄漏电流的测定。对于晶圆级测量，在±2.0、±2.5和±3.0 V的电压下，对晶圆上的总共140个位置进行了测量，直到10^6次循环。每个位置测量了三个相邻的设备，其中位置被定义为1×1 cm^2的面积，设备之间的距离为400 μm。图4a和图4b显示了在±3.0 V唤醒后，150 mm晶圆上2Pr值的晶圆图，其中一个晶圆使用基于SS-HZO的MIM电容器（SS晶圆），另一个晶圆使用基于SL-HZO的MIM电容器（SL晶圆）。SS晶圆的产量为100%，而SL晶圆有一个失效的位置（标记为灰色），这是由于在剥离过程中该位置的Ti/Au去除不完全，导致设备短路。图S2显示了所有测试电压下的晶圆图。SS晶圆显示出从晶圆中心向右侧的极化值升高，特别是在晶圆顶部，而SL晶圆则更加均匀。在层流式ALD反应器中，晶圆的位置是前驱体入口位于晶圆平坦面对面，出口靠近晶圆平坦面。对于SS晶圆，靠近入口的设备具有最低的极化值，这与Ding W等人对300 mm SS晶圆观察到的结果相似，这归因于入口附近较厚的HZO [38]。图4c和图4d显示了2Pr值的相应直方图。SL晶圆的分布比SS晶圆更对称、更窄。在这两种情况下，随着更高唤醒电压的施加，均匀性都会提高，因为更多的铁电畴被激活。在SL晶圆中，晶圆上的不同极化分布不重叠，这表明晶圆上可能存在多态存储，其中状态通过极化值来表示。在SS晶圆中，分布重叠，因此多态状态的潜力较低。图4e显示了2Pr值作为累积概率分布。SL晶片的平均极化值更高，斜率更陡，SS晶片的分布有明显的尾部，这是由于边缘设备的极化值降低所致，突显了SL晶片的优异均匀性。

图4：在图查看器中打开
(a) SS和(b) SL晶圆在±3.0 V电压幅度下106次循环时的2Pr值晶圆级分布。(c) 在±2.0、±2.5和±3.0 V唤醒时SS和(d) SL晶圆的2Pr值直方图。(e) SS晶片的140个设备和SL晶片的139个设备的2Pr值的累积概率分布。

在这项工作之前的几项研究已经证明了SL-HZO薄膜与SS-HZO薄膜相比具有优越的电性能。这一结论在实验和理论/计算层面都是成立的。Gong Z等人通过密度泛函理论（DFT）计算证明，SL-HZO薄膜在铁电极化方向上的氧空位迁移势垒更高，从而减缓了氧空位的形成，而氧空位是HZO薄膜在多次循环中极化退化的主要因素 [32]。Mukherjee B等人进一步通过DFT计算预测，与SS-HZO相比，SL-HZO应该表现出更高比例的铁电正交o(111)相与非铁电单斜m(111)相 [31]。这一预测通过Chen-You W等人的X射线衍射（XRD）分析得到了实验验证 [40]。Lehninger D等人和Week S等人也研究了HfO2和ZrO2子层厚度的影响 [22, 41]。在这些研究中，发现1 nm的子层厚度对于10 nm的HZO薄膜是最优的，XRD测量显示了最高的o(111)/m(111)比例。此外，还在SS-HZO下方添加ZrO2种子层被发现可以改善铁电性能 [42]。基于这些已建立的结果，本研究旨在量化SS-HZO和SL-HZO之间的均匀性差异，同时考虑整个晶圆上的工艺变异性因素。图5a绘制了SS和SL晶圆上沉积的TiN的晶圆级厚度分布，与晶圆中心的径向距离相对应。图S3a和图S3b分别显示了这些数据的晶圆图以及数据拟合精度图。数据统计和拟合精度在表S1中显示。重要的是，由于ALD过程是在层流式反应器中进行的，因此ALD图案没有径向依赖性。假设沉积的TiN厚度可以代表多种性质的变化，径向依赖的BE-TiN厚度可能导致多种电性质的相关性变化。在MIM实现中，已知TiN是一种氧捕获剂 [43-45]。由于氧空位是HfO2基薄膜中电流泄漏的主要贡献者 [46, 47]，因此它们浓度的显著变化应该会影响设备的泄漏水平。TiN的其他特定性质，如内在应力和表面形态，也可能随相同的分布而变化，这反过来可能影响最终的铁电性能。

图5：在图查看器中打开
(a) 与本研究中使用的晶圆在同一批次中溅射的参考晶圆上的BE-TiN厚度测量。(b,c) 在±3.0 V时泄漏电流密度和2Pr值的径向映射。为了直观展示BE-TiN变异性与电性能均匀性之间的联系，绘制了两种晶片上泄漏电流的径向依赖性。图5b显示了在±3.0 V时测量的SS和SL晶片的泄漏电流的径向依赖性，并绘制了趋势线作为视觉指南。泄漏电流大小随电压偏置方向的变化表明了BE-TiN和TE-TiN界面处顶部和底部势垒之间的不对称性。图S4还提供了泄漏电流密度的晶圆图。为了理解泄漏数据与铁电性能均匀性的比较，图5c显示了两种晶片的2Pr值的径向依赖性图。对于SS晶片，2Pr的径向依赖性似乎与泄漏电流的趋势以及TiN厚度的相关性一致。有趣的是，SL晶片并没有观察到这种趋势的相似性，尤其是对于2Pr而言，SL晶片的特征指标似乎对径向位置的敏感性较低。另一个可能的工艺变化原因是热退火步骤。在退火过程中，可能会产生径向温度梯度，这也可能影响表征的电性能。在SL-HZO中，由于晶格常数和热膨胀系数的不匹配，子层引入了平面内的拉伸应力。此外，氧空位迁移到相界，利用现有的o相区域作为成核位点，实现了局部四方到正交的转变 [23, 40, 48]。这些增强效应在SL-HZO薄膜中可以抵消局部温度的小偏差，从而在整个晶圆上产生更均匀的晶粒、畴结构和相分布。总体而言，使用SL-HZO薄膜可以降低与电极性质和热退火相关的工艺变异性敏感性。为了比较整个晶片和排除边缘区域的设备之间的设备间差异，表1总结了整个晶片和中心70×70 mm^2区域（包含49个位置）的平均2Pr值和RSD。与整个晶片相比，减少区域的SS晶片显示出更紧密的分布和略高的平均值，尽管其性能仍然不如完整的SL晶片。相反，SL晶片的值在两个方向上都没有显示出一致的变化。当包括整个晶片的数据时，在±3.0 V时，SS晶片的最高平均2Pr值分别为27.6和31.5 μC cm^-2，最小RSD分别为7.0%和2.2%。当仅包括70×70 mm^2的中心区域时，相应的2Pr值分别为28.6和31.3 μC cm^-2，RSD分别为3.3%和1.8%。均匀性的相对改进分别为SS晶片的53%和SL晶片的18%，表明边缘和中心之间的差异对于SS晶片更为显著。

表1：整个晶片和中心70×70 mm^2区域的SS和SL晶片的平均2Pr值及RSD。唤醒电压 [V]
SS整个晶片 [μC cm^-2]
SS 70×70 mm^2区域 [μC cm^-2]
SL整个晶片 [μC cm^-2]
SL 70×70 mm^2区域 [μC cm^-2]

2.0

12.2 ± 17.3%
12.2 ± 8.9%
16.1 ± 8.8%
14.7 ± 7.7%

2.5

20.6 ± 10.4%
21.1 ± 5.3%
24.6 ± 3.9%
23.9 ± 4.1%

3.0

27.6 ± 7.0%
28.6 ± 3.3%
31.5 ± 2.2%
31.3 ± 1.8%



定义了两个切换方向的临界场Ec+和Ec-，即极化斜率最大的点，这是另一对重要参数。这些参数影响编程和擦除电压，以及精确控制不同极化状态的能力，适用于模拟计算或与晶体管（FeFETs）的集成 [33, 49]。界面缺陷是有效电场不足的主要因素，导致需要更高的工作电压。这些缺陷还导致多次循环中的泄漏电流增加 [50]。这些缺陷源于氧空位的产生和重新分布，随着它们在介电薄膜中的迁移，它们可能导致不同设备之间临界场的差异。图6显示了所有设备和所有唤醒电压下SS和SL晶片的|2Ec|的直方图；即Ec+和Ec-之间的总记忆窗口，总共有420个设备（SL晶片为417个）。SL晶片的|2Ec|值显示出比SS晶片更窄的分布。对于模拟编程等应用来说，紧密的分布非常重要。

图6：在图查看器中打开
在106次循环后唤醒时，三个设备的140个位置的|2Ec|直方图；SS晶片共有420个值，SL晶片共有417个值。表2展示了之前发表的研究与本研究中设备间电气性能差异的比较。迄今为止，关于晶圆级HZO性能的研究以及不同SL和SS薄膜之间电气性能统计变化的研究相对较少。只有一项研究对完整的300毫米晶圆上的SS-HZO器件进行了表征。未找到SL-HZO器件的晶圆级测量数据。其他来源报告了从选定芯片、150毫米晶圆的四分之一区域或未指定样本和位置获得的SS-HZO MIM电容器的电气性能统计数据。在不同的研究中，分析了不同的电容器尺寸和薄膜厚度，这些因素也会影响性能的差异，因为它们也依赖于结构特性。不同研究的样本量N也有很大差异。其他研究主要使用较厚的10纳米HZO，而本研究中使用了5.5纳米厚的HZO。本研究中分析的SL晶圆在整个晶圆上的2Pr分布显示出2.2%的低RSD，与另外两项研究的报告值相符，这两项研究均未包括完整晶圆的统计数据。当仅包括SL晶圆上的70×70毫米2中心区域（包含49个器件）时，均匀性进一步提高到1.8%。图7显示了与表中列出的平均2Pr值相比的RSD基准值。本研究中在整个150毫米晶圆上表征的SL-HZO MIM电容器在均匀性和最大极化方面表现出优越的性能指标，这对于大规模集成更为重要。

表2. 将本研究与其它报道HfO2基铁电材料电气性能统计数据的研究进行对比。表中SS-HZO标记为HZO，N表示样本量。

| 电介质厚度 [nm] | 电容器面积 [μm2] | 施加电压 [V] | 平均2Pr [μC cm?2] | RSD [%] | N | 表征区域 | 平均|2Ec| [MV/cm] | 参考文献 |
|------------|----------------|-----------|-----------------|--------|------|-----------|-------------|-----------|
| 10 | 700 | 3.0 | 20.0 | 25.4 | 107 | 300毫米晶圆 | 1.9 | [38] |
| HZO | 10 | 400 | 3.0 | 25.3 | 2.2a | 1个300毫米晶圆上的器件 | 2.2 | [39] |
| 未掺杂HfO2 | 10 | 4–1600 | 3.5 | 22.5 | 2.2 | 3个300毫米晶圆上的器件 | 2.2 | [51] |
| HZO + Al2O3 | 10 | 40000 | 3.0 | 20.2b | 12.5 | 150毫米晶圆的四分之一区域 | — | [52] |
| AlON+HZO | 18.6 | — | 4.4 | 25.0 | 13.3 | 未指定 | — | [53] |
| HZO | 10 | 0.25 | 3.0 | 31.0 | 3.8 | 未指定 | — | [54] |
| HZO | 5.5 | 1250 | 3.0 | 27.6 | 7.0 | 150毫米晶圆 | 2.5 | 本研究 |

a 标准差和平均剩余极化分别给出了Pr+和Pr-的值。假设Pr+和Pr-之间的相关系数接近-1，变量2Pr = Pr+ + Pr-的标准差可以通过各自标准差之和来估计。2Pr的平均值是各个平均值之和。
b 仅给出了Pr+的值，它是根据拟合的正态分布估算出来的，并乘以2。

图7展示了本研究的RSD值与其它已发表的关于HfO2基铁电材料电气性能统计数据的对比。

3 结论
在本研究中，使用5.5纳米厚的SS-HZO和SL-HZO ALD薄膜制备了TiN/HZO/TiN电容结构，并在150毫米晶圆上对其性能进行了比较。对于位于晶圆中心的单个器件，SL-HZO薄膜的铁电特性表现更优，SL-HZO电容器具有更高的开关耐久稳定性、更高的极化值，以及在相同施加的开关场强下更高的介电击穿电压。这些发现与文献中先前记录的结果一致。本研究还包括了对SS和SL-wafer-HZO以及SL-HZO晶圆的全面晶圆级均匀性分析。两种晶圆的漏电流特性显示出与溅射BE-TiN厚度不均匀性相关的径向依赖性。在铁电性能比较中，SL-waron显示出更优的平均2Pr值（SL-HZO为31.5 μC cm?2，SS-HZO为27.6 μC cm?2），以及更窄的分布范围，SL-waron的RSD为2.2%，而SS-waron的RSD为7.0%。值得注意的是，SS-waron显示出显著的径向偏差，这与电流泄漏类似，也与BE-TiN厚度相关。然而，对于SL-waron，这种趋势较弱，原则上不依赖于径向位置。此外，|2Ec|临界场窗口的波动也较小，使得在模拟计算等应用中可以提供更可靠的操作电压。实施SL-HZO薄膜后，电气性能的非均匀性降低归因于在所呈现的制造条件下，工艺均匀性的变化程度显著提高。需要进一步的研究来验证这一趋势是否可以推广到更广泛的制造条件。尽管如此，整个晶圆上电气特性的紧密分布以及薄膜SL-HZO基器件在多个周期内的增强开关稳定性，为高产量的HfO2基FeRAM和FeFET技术制造指明了有希望的方向。

4 实验
4.1 器件制备
器件制备的第一步是在150毫米p型Si晶圆上生长250纳米的热SiO2层，然后通过ALD沉积Al2O3作为后续沉积的BE-TiN的蚀刻停止层。接下来，使用反应溅射沉积BE-TiN，然后沉积SS-和SL-HZO薄膜，这些薄膜在200°C的层流反应器中通过热ALD生长。SS-HZO薄膜是通过交替的单个ZrO2和HfO2 ALD循环生长的，从ZrO2开始，以ZrO2结束。SL-HZO薄膜是通过交替5个ZrO2循环和6个HfO2循环生长的，其中顶部和底部都有5个ZrO2循环。因此，两个堆栈是对称的。对于5.5纳米的厚度，SS薄膜是通过(1×ZrO2 + 1×HfO2)×27循环生长的，SL薄膜是通过5×(5×ZrO2 + 6×HfO2) + 5×ZrO2循环生长的。电介质薄膜的平均厚度为5.5纳米，使用与表征晶片一起生长的Si参考片通过椭圆偏振仪测量得到。TDMAHf和TDMAZr分别作为Hf和Zr的前驱体，H2O作为氧的前驱体。TE-TiN是通过反应溅射沉积的。为了最小化界面损伤，UV光刻和蚀刻仅在MIM堆栈沉积后进行。在湿法蚀刻定位TE-TiN和通过打开HZO进行湿法蚀刻后，然后在氮气氛围中于470°C下进行30秒的后金属化退火以结晶FE薄膜。热退火后，使用UV光刻和干法蚀刻定位BE-TIN。接下来是化学气相沉积（CVD）生长和湿法蚀刻打开SiO2间隔层。为了完成结构，通过蒸发和剥离在TiN电极上制作了Ti和Au电接触。

4.2 电气表征
电气表征是在室温下使用Keysight M9601A PXIe精密源测量单元进行的。对于晶圆级测量，使用了MPI-TS2000-D 200毫米自动化探针系统。

致谢
作者感谢奥塔纳米-纳米显微镜中心（Aalto-NMC）和奥塔纳米Micronova洁净室提供的设施和技术支持。开放获取出版由Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy促进，作为Wiley - FinELib协议的一部分。

资助
Chips JU（联合项目）的FAMES试点线得到了Horizon Europe（授权号101182279）和Digital Europe（授权号101182297）计划以及参与伙伴的国家公共机构的资助。对于VTT来说，后者的资助由Business Finland（授权号1763/31/2024）提供。

利益冲突
作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明
支持本研究发现的数据可以在合理请求下从相应作者处获得。