Dotierungs- und Defekt-Physik für Device Optimierung von Hafnium Oxid basierten Bauelementen

• Antragsteller: Professor Dr. Alfred Kersch; Dr. Uwe Schröder
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505873959

Mit ferroelektrischen Hafnium Oxid realisierte Bauelemente sind Silizium kompatibel, stromsparend und können kostengünstig in fortgeschrittene Technologieknoten für Sensor, nichtflüchtige Speicher, Logik und neuromorphe Anwendungen integriert werden. Derzeit bietet die Hafnium-Zirkonium-Legierung das breiteste Stöchiometrie-Fenster zur Herstellung ultradünner ferroelektrischer Schichten mit großer remanenter Polarisation, erfordert jedoch Sauerstoffleerstellen (VO) zur Stabilisierung der ferroelektrischen Phase und hat Zuverlässigkeitsprobleme. Die VO-Konzentration ist schwer zu kontrollieren und kann die elektrischen Eigenschaften, wie z. B. die Stabilität der Polarisation, beeinträchtigen, was die Aussicht auf einen Hafnia-basierten Speicher und eine stromsparende Logik gefährdet. Eine Alternative könnte darin bestehen, von stöchiometrischem, quasi-vakanzfreiem Hafnia auszugehen und geeignete Dotierstoffe zur Optimierung der ferroelektrischen Eigenschaften zu verwenden. Dies hätte den großen Vorteil, dass es reproduzierbarer wäre als die eher unkontrollierte Erzeugung von VO in HfxZr1-xO2. Wir werden diese Möglichkeit erforschen, indem wir die atomare und elektronische Struktur von selektiv und kontrolliert dotiertem Hafnia mit Hilfe von ab initio Berechnungen und Phasenfeldsimulationen untersuchen, die in der Lage sind, die Korrelationen zwischen der durch den Dotierstoff erzeugten atomaren und elektronischen Struktur und den ferroelektrischen Eigenschaften zu beschreiben. Eine Reihe von Dotierstoffen, Konzentrationen und Prozessbedingungen werden in Betracht gezogen um eine erste Einschätzung der Korrelationen zwischen Dotierstoffchemie und den ferroelektrischen Eigenschaften liefern. Die ausgewählten Materialien werden zunächst im Zusammenspiel zwischen Simulation und Charakterisierung auf großflächigen Kondensatoren analysiert und anschließend in Arrays integriert, um statistisch signifikante Ergebnisse über die Leistung der Kondensatoren zu erhalten. Auf grundlegender Ebene wird D3PO ein besseres Verständnis des Einflusses von Dotierstoffen auf die lokale Chemie, die elektronische Struktur, die Phasenzusammensetzung und ihre Auswirkungen auf das Material und die ferroelektrischen Parameter, einschließlich Rekristallisationstemperatur und remanente Polarisation, ermöglichen. Ein iterativer Prozess, bei dem eine Kondensatorgeometrie als Modellsystem verwendet wird, ermöglicht die Optimierung von Dotierstoffen und Prozessen im Hinblick auf die ferroelektrischen Eigenschaften. Anschließend werden wir physikalische Modelle auf der Grundlage realer Bauelemente ausarbeiten und dabei die aus den Ab-Initio-Simulationen und der strukturellen und elektrischen Charakterisierung gewonnenen Parameter verwenden, um durch statistische Analyse die wichtigsten Kennzahlen wie Wake-up, Ausdauer, Retention, Leckage und Durchbruch unter Verwendung von vakanzfreiem, dotiertem Hafnia vorherzusagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Nicholas Barrett; Dr.-Ing. Laurent Grenouillet