Characterization of ferroelectric hafnium/zirconium oxide solid solutions deposited by reactive magnetron sputtering

International audienceThe room temperature deposition of 10 nm-thick ferroelectric hafnium/zirconium oxide, (Hf, Zr)O 2 , thin solid films is achieved with a single hafnium/zirconium, Hf/Zr, alloy target by reactive magnetron sputtering. After rapid thermal annealing (RTA), crystallization of our samples is analyzed by grazing incidence x-ray diffraction. Changing the pressure inside the chamber during deposition leads to grow amorphous or monoclinic phase (m-phase). The authors demonstrate that if the (Hf, Zr)O 2 films are crystallized in the m-phase after deposition, no ferroelectric/orthorhombic phase can be obtained further. On the contrary, when the as-deposited film is amorphous, the ferroelectric/orthorhombic phase appears after the RTA. Published by the AVS. https://doi.org/10.1116/1.506064

Highly transparent low capacitance plasma enhanced atomic layer deposition Al2O3-HfO2 tunnel junction engineering

Abstract : The development of metallic single electron transistor (SET) depends on the downscaling and the electrical properties of its tunnel junctions. These tunnel junctions should insure high tunnel current levels, low thermionic current, and low capacitance. The authors use atomic layer deposition to fabricate Al2O3 and HfO2 thin layers. Tunnel barrier engineering allows the achievement of low capacitance Al2O3 and HfO2 tunnel junctions using optimized annealing and plasma exposure conditions. Different stacks were designed and fabricated to increase the transparency of the tunnel junction while minimizing thermionic current. This tunnel junction is meant to be integrated in SET to enhance its electrical properties (e.g., operating temperature, ION/IOFF ratio)

Analyse ultime par Spectrométrie de Masse des Ions Secondaires des matériaux de la microélectronique avancée: contribution à l\u27interprétation des profils de bore dans le silicium

La Spectrométrie de Masse des Ions Secondaires (SIMS) est une méthode d\u27analyse élémentaire qui, de part sa sensibilité et sa bonne résolution en profondeur, est une méthode de choix pour la caractérisation élémentaire des matériaux de la microélectronique. Cependant, la réduction rapide et continue des dimensions des dispositifs avancés de cette filière impose un cahier des charges de plus en plus éxigeant. La mise en uvre de l\u27analyse SIMS prend alors un caractère ultime. Nous avons procédé à la mise en évidence et à l\u27interprétation de certains artefacts instrumentaux et montré qu\u27ils sont pour une grande part à l\u27origine des problèmes de reproductibilité. Bien sûr, la résolution en profondeur doit être améliorée drastiquement. L\u27évolution des paramètres de la fonction de résolution en profondeur a été étudiée de façon rigoureuse dans le cas du bore dans le silicium. Dans les conditions accessibles les plus favorables, la résolution atteinte est de l\u27ordre du nanomètre, soit quelques couches atomiques. D\u27autre part, le régime transitoire, correspondant aux premiers instants de l\u27érosion ionique, ne peut plus être négligé dans le contexte : une partie conséquente des profils d\u27intéret peut y résider, rendant leur quantification difficile, et l\u27effet intégral de ce processus peut conduire à un décalage systématique de l\u27échelle des profondeurs. Nous avons démontré que l\u27analyse SIMS sous soufflage permet une mesure précise de la dose des profils dans cette région, bien qu\u27ils subissent une distorsion importante. Il a été de plus établi que la précision absolue de l\u27échelle des profondeurs est meilleure que le nanomètre. Enfin, la recherche des conditions d\u27analyses optimales en terme de résolution en profondeur peut être compromise par l\u27apparition de rugosités à la surface de l\u27échantillon, dont les conséquences sur l\u27analyse ont été étudiées de façon quantitative. Le domaine des conditions d\u27analyses adéquates a été déterminé dans le cas du soufflage d\u27oxygène

Analyse ultime par Spectrométrie de Masses des Ions Secondaires des matériaux de la microélectronique avancée (contribution à l'interprétation des profils de bore dans le silicium)

La Spectrométrie de Masse des Ions Secondaires (SIMS) est une méthode d'analyse élémentaire qui, de part sa sensibilité et sa bonne résolution en profondeur, est une méthode de choix pour la caractérisation élémentaire des matériaux de la microélectronique. Cependant, la réduction rapide et continue des dimensions des dispositifs avancés de cette filière impose un cahier des charges de plus en plus éxigeant. La mise en œuvre de l'analyse SIMS prend alors un caractère ultime. Nous avons procédé à la mise en évidence et à l'interprétation de certains artefacts instrumentaux et montré qu'ils sont pour une grande part à l'origine des problèmes de reproductibilité. Bien sûr, la résolution en profondeur doit être améliorée drastiquement. L'évolution des paramètres de la fonction de résolution en profondeur a été étudiée de façon rigoureuse dans le cas du bore dans le silicium. Dans les conditions accessibles les plus favorables, la résolution atteinte est de l'ordre du nanomètre, soit quelques couches atomiques. D'autre part, le régime transitoire, correspondant aux premiers instants de l'érosion ionique, ne peut plus être négligé dans le contexte : une partie conséquente des profils d'intéret peut y résider, rendant leur quantification difficile, et l'effet intégral de ce processus peut conduire à un décalage systématique de l'échelle des profondeurs. Nous avons démontré que l'analyse SIMS sous soufflage permet une mesure précise de la dose des profils dans cette région, bien qu'ils subissent une distorsion importante. Il a été de plus établi que la précision absolue de l'échelle des profondeurs est meilleure que le nanomètre. Enfin, la recherche des conditions d'analyses optimales en terme de résolution en profondeur peut être compromise par l'apparition de rugosités à la surface de l'échantillon, dont les conséquences sur l'analyse ont été étudiées de façon quantitative. Le domaine des conditions d'analyses adéquates a été déterminé dans le cas du soufflage d'oxygène.Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) is a method of choice for elemental characterization of micro-electronics materials, due to its high sensitivity and good depth resolution. However, as devices dimensions shrink continuously, the demand for this method becomes more and more stringent. Practical implementation of the technique then becomes ultimate. We reported a number of instrumental artifacts, trying to interpret them, and showed that they are for a great responsible for the lack of reproducibility. Of course, the depth resolution must be drastically improved. The evolution of the depth resolution function parameters was studied in a rigorous way in the case of boron in silicon. For the best available analysis conditions, the achieved resolution is of order of one nanometer that is to say a few atomic planes. Moreover, the transient region, corresponding to the first instants of the erosion process, cannot be neglected any more: a substantial part of the impurity profile can lie in it, making its quantification very difficult, and the integral effect of this phenomenon can lead to a systematic shift of the depth scale. We showed conclusively that flooding the sample with oxygen during analysis allows a precise measurement of the total profile's dose, although it undergoes a significant shape distorsion. It was also established that the absolute precision of the depth scale is better than one nanometer. Finally, the search of the optimal conditions in terms of depth resolution is hampered by the occurrence of roughness on the instantaneous surface of the sample. We have quantitatively studied its consequences on the measurements interpretation. Useful range of analysis conditions was determined for the case of oxygen flooting.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

EEPROM retention time extrapolation from floating gate SILC measurements

This work presents new experimental data on ultra-low level Stress Induced Leakage Currents measured in 7 - 8 nm EEPROM tunnel oxides at room temperature, by using the the floating gate technique. Current-voltage characteristics are successfully modelized by to a one-step tunneling model taking into account the spatial and energetical profiles of defects in SiO2. New phenomena are pointed out, as negative differential resistance and the appearing of threshold voltages below which a rapid decrease of the conduction current is observed. According to our model, these behaviors can be well-simulated considering discrete defects energy levels in the SiO2 bandgap. Threshold voltages measured around 2 to 3 V appear to be very close to retention conditions floating gate potentials in EEPROM cells. According to a simple model, EEPROM retention times are extrapolated and it is shown that the particular behavior of SILC currents could explain the fact that retention times remain in the product specifications even for hardly cycled cells

A new technique based on current measurement for nanoscale ferroelectricity assessment : Nano-Positive Up Negative Down

International audienceno abstrac

Electrical properties of Molecular Beam Epitaxy grown Barium Titanate probed by conductive Atomic Force Microscopy

International audienc

Assessing Ferroelectricity at the Nanoscale Using Techniques Derived from Atomic Force Microscopy

22-26 Octobre 2017International audienceno abstrac

Interpretation of Multiscale characterization techniques to assess ferroelectricity : the case of GaFeO3

International audienceno abstrac

Huge reduction of wake-up effect in ferroelectric HfZrO2 nanostructures

International audienceWe report the fabrication of two samples deposited by magnetron sputtering with excellent performances, quite similar to samples deposited by ALD. The samples are called NM, and M. NM and M refers to two different architectures, respectively non-mesa and mesa structures. Fabrication and architecture details can be found in reference [1]. The set-up for electrical measurements have been described in reference [2, 3]. This set-up allows us to wake the samples with bipolar square pulses. Measurements are performed with a positive up negative down (PUND) sequence. Pr values are among the highest for samples deposited by sputtering. Although the N-sample and NM-samples show very close Pr values, the two samples show completely different electrical behaviors. During cycling, the increase of Pr value for the NM-sample is more than an order of magnitude higher than the M-sample. It is accompanied by a decrease of the endurance which is two order of magnitude higher for the NM-sample than for the M-sample. As electrical behaviors are not the same, for low stress conditions M-sample has a higher Pr value during cycling whereas for high stress conditions NM-sample has a higher Pr value during cycling. As a matter of fact, it has been proven that maximum Pr values are more sensitive to stress conditions than the structures themselves. The origins of the different electrical behaviors come from the micro-crystalline structures of the two samples, according to GIXRD results. The crystallization takes place during the annealing step. During annealing, M-sample is built with a TiN TE fully covering the HZO layer whereas the TiN covers only partially the HZO layer in case of the NM-sample. It induces different stress states which lead to two different micro-crystalline patterning. The M-sample shows no monoclinic peak, whereas the NM-sample shows many monoclinic orientations. It can explain the huge reduction of the wake-up effect. [1] J. Bouaziz, P.R. Romeo, N. Baboux, B. Vilquin, ACS Appl. Electron. Mater. 1, 1740 (2019). [2] J. Bouaziz, P. Rojo Romeo, N. Baboux, R. Negrea, L. Pintilie, B. Vilquin, APL Mater. 7, 081109 (2019). [3] J. Bouaziz, P.R. Romeo, N. Baboux, B. Vilquin, Appl. Phys.Lett. 118, 082901 (2021)