Contribution to the study of structural and ferroelectric properties of HZO thin films

Contribution à l'étude des propriétés structurales et ferroélectriques des couches minces HZO La découverte de la ferroélectricité dans les couches minces d'oxyde d'hafnium dopé en a fait l'un des principaux matériaux sans plomb, compatibles avec le CMOS processus. HfO2 ferroélectrique peut ouvrir la voie à la conception de nouveaux dispositifs dans de multiples domaines comme les mémoires ferroélectriques, les transistors à effet de champ à capacité négative (FET), les capteurs pyroélectriques ou les microsystèmes. Pour de telles applications, le matériau typique est le PZT, actuellement utilisé dans les appareils utilisés quotidiennement. Pour des raisons environnementales, le PZT est interdit dans l'industrie. HZO apparaît parmi d'autres ferroélectriques à base d'hafnia comme une alternative prometteuse, qui peut porter les performances des dispositifs à un niveau supérieur et étendre les propriétés à une épaisseur plus petite, permettant à l'industrie de passer à de nouveaux nœuds de fabrication avec plus de facilité car les ferroélectriques hafnia sont plus compatibles avec le CMOS processus que PZT. HfO2 et ZrO2 étaient déjà connues et utilisées, en tant que diélectriques high-k, dans l'industrie. Lorsque la ferroélectricité a été découverte dans les couches minces de HfO2 en 2011. Les deux matériaux étaient déjà utilisés dans le procédé CMOS. La communauté de recherche a commencé par comprendre les origines et les mécanismes d'induction de la ferroélectricité dans les films d'hafnia, puis a optimisé les étapes du processus de fabrication pour améliorer la polarisation et l'endurance. Dans cette thèse, des couches minces d'oxyde de zirconium et d'hafnium ont été déposées par pulvérisation monocible, contrairement à la plupart des rapports publiés utilisant l'ALD. De plus, différentes conditions de dépôt ont été étudiées (par exemple, la pression partielle d'oxygène, la puissance RF, la pression de dépôt) ainsi que divers paramètres de recuit post-dépôt (température, durée et atmosphère). Cette thèse contribue à la fabrication durable compatible CMOS des couches ferroélectriques HZO déposés par pulvérisation monocible et à la caractérisation structurale de la phase orthorhombique. La majorité des films HZO développés par pulvérisation cathodique à cible unique étaient amorphes, une condition pour induire la phase orthorhombique. Les films ont la stœchiométrie souhaitée, et ils ont besoin d'un budget thermique élevé lors de l'étape de recuit thermique pour devenir ferroélectriques. Dans ce travail, nous avons effectué un recuit DRX in-situ pour suivre l'évolution de la phase orthorhombique. Les films déposés par pulvérisation sont partiellement cristallisés uniquement à de basses températures de recuit. Outre l'optimisation des étapes de dépôt et de recuit, la caractérisation détaillée de la phase orthorhombique par les techniques XRD et ASTAR-TEM a été effectuée. Cette dernière a permis d'identifier avec précision la phase orthorhombique de la phase tétragonale, ce qui est un problème courant dans l'état de l'art. La ferroélectricité dans le HZO sans top electrode est explorée, donnant un aperçu de l'évolution de la phase pendant le recuit. Non rapportée dans la littérature, une étude sur des films HZO a démontré la température de transition de phase des films HZO de la phase ferroélectrique à la phase paraélectrique. En comparant les films HZO d'épaisseur différente, une cristallisation partielle a été observée au niveau des films plus épais.